埋弧自动焊在奥氏体不锈钢管道焊接中的应用要点.docx

埋弧自动焊在奥氏体不锈钢管道焊接中的应用要点肖新唐元生展茂伟（中国石化集团公司第十建设公司技术质量部 山东淄博 255438）摘要：采用工厂化加工、自动化焊接进行高压管道的预制，是体现施工单位管道预制能力、提高高压管道施工效率和降低高压管道施工成本的一个重要举措。我公司在石家庄炼化260万吨/年柴油加氢工程施工中采用管道埋弧自动焊预制奥氏体不锈钢高压管道，在其施工质量、进度、成本等方面都取得了良好的效果。本文主要介绍不锈钢埋弧自动焊工艺及应用注意事项。关键词：管道悬臂自动焊机不锈钢特点埋弧焊接中图分类号:TG44文献标识码：B文章编号：1002-3607（2012）01-0045-04前言：石家庄炼化260万吨/年柴油加氢工程施工中不锈钢管道多为厚壁管，焊接量大，现场安装施工场 地狭小，需在管道预制加工厂进行深度预制。项目部结 合此特点，在石炼化管道预制场进行奥氏体不锈钢埋弧 自动焊的焊接工艺评定和应用推广。焊接工艺选用钨极 氩弧焊打底（背面氩气保护），埋弧自动焊填充盖面。悬臂自动焊机的悬臂可上下左右调节，以适合焊缝空间位置焊接需要，悬臂安装有与焊接电源配套美国 MILLER送丝机，并和焊接电源和中央控制系统联接，以 保证同步进行使用。同时，焊机的中央控制系统和焊接 电源、送丝机、悬臂控制器、摆臂控制器、变位机等联 接，由中央控制器统一进行控制和调节。焊接电源为美国米勒MILLER invision 450MP焊接电 源，体积小，容量大，微电脑控制，调节容易。可进行埋弧 焊、CO 焊、MIG/MAG焊、焊条电弧焊等，可预存20多个通道2的储存焊接参数以备使用，可进行铝镁合金/不锈钢等MIG1. 管道埋弧焊接设备介绍焊接设备采用南京奥特AOTU CM-1005-A管道悬臂 自动焊机，电源为美国米勒MILLER invision 450MP。等部段矩形框架结构焊接施工意义重大，更是对以后工程中的类似结构的焊接施工有着深远的影响。总结六：此次焊接过程中还有一点应注意，应在焊接前对每一 格进行编号，以便在焊接时有明确的顺序。当发现有变形 趋势时，及时采取改变焊接位置和顺序对策来予以纠正。参考文献： 1陈祝年编著，焊接工程师手册M。机械工业出版社，2002。 2刘政军主编，锅炉压力容器焊接及质量控制M。冶金工业出版社，1999。 3唐伯锅等编，低碳钢与低合金钢焊接材料M。机械工业出版社，1987。 4中国机械工程学会焊接学会编，焊接手册（第三版）M。机械工业出版社，2008。 5仲兆亮，16MnDR钢的焊接工艺分析J。2003。 6费新华、高国兵，大型钢结构件制作中焊接变形控制技术J。钢结构焊接国际论坛，2006。 7洪亮，低温钢16MnDR的埋弧焊J。焊接 ，1997（1）。 8李刚，焊接应力与焊接变形控制J。水利水电技术，2004年第6期。5. 结束语低温钢16MnDR大型矩形截面钢结构的焊接工程中， 既要保证焊接接头的低温工况性能，又要控制结构的整 体挠曲等焊接变形在一定范围内， 在施工过程中要引起 足够重视。试件的焊接也达到了我们预期的效果，从中 总结出的经验，不仅对后期第三、第四拐角段、驻室段焊接，一机多用。2.4 焊接层道间的脱渣问题埋弧焊时由于焊剂熔渣和液态金属不同的物理特性， 渣壳形成后，渣壳会被两侧金属挤压，镶嵌在接头的间隙 中，脱渣十分困难。解决坡口内脱渣可利用以下几种方法： 选用坡口内脱渣性能好的焊剂；借助专用工具打渣，减轻 手工打渣的劳动强度；利用热脱渣技术；尽量采用排焊工 艺；确保焊道表面成形良好等措施，可有效克服层道间脱 渣问题。a管道悬臂自动焊机 b米勒450MP焊接电源 c米勒配套送丝机3. TP321奥氏体不锈钢焊接特点施焊管道为奥氏体不锈钢TP321(0Cr19Ni10Ti)无缝钢 管，规格为323.728.6mm。TP321是以Cr、Ni为主要合金元 素的典型奥氏体不锈钢，它的最明显的特征是没有磁性,其 主要焊接工艺性能分析如下：（1）TP321不锈钢的塑性、韧性很良好，焊接时一般不 需要采取特殊的工艺措施；（2）TP321不锈钢的线膨胀系数大，（比碳钢约大50%），而导热系数小，（约为碳钢的1/3），导致焊接 应力比较大，因此在冷却时产生的收缩应力大，故产生 的变形大；图1 AOTU CM-1005-A管道悬臂自动焊机2. 管道埋弧自动焊特点2.1 管道埋弧焊效率高、成本低管道埋弧自动焊是利用机械自动控制焊丝送进、电 弧在焊剂层下燃烧、管口随机械转动形成焊缝的一种电 弧焊方法。焊接工艺具有效率高、成本低、接头质量 好、没有弧光辐射、劳动条件好等。与常用其他焊接方 法相比，施焊时其材料可节省1/22/3，生产效率能提 高1/2以上。2.2 容易出现气孔缺陷埋弧焊接过程中由于各种元素成分的相互作用，熔 池和熔渣中析出一定的气体。由于焊接参数较大，熔池 热量高，熔池的冷却速度较快，焊剂如果没有烘干或者 颗粒较细，熔池内的气体来不及析出，被凝固在焊缝中 而成为气孔等缺陷。所以，焊剂应选用匹配牌号、颗粒 度，使用前应按规定严格烘干，随用随取，这样才能有 效减轻焊接气孔产生。2.3 容易出现熔池偏移，产生夹渣、未熔合缺陷 管道焊接过程中，由于熔池被焊剂覆盖，不易观 察，有时会出现熔池轴向偏移的现象，使焊道出现夹 渣、未熔合缺陷。焊接过程中需要焊工对位移调节系统 及时校正。同时，随着焊道层数的增加，机头应相应地提升，以保证焊丝的干伸长度。焊道中间鼓 起成型不良焊道层间均 匀成型良好图3 焊道成形优劣示意（3）TP321不锈钢加热到450850敏化温度时，易形成Cr23C6（碳化铬），使晶界铬的质量分数大大减 小，变成贫铬区，该区域在腐蚀介质作用下，易产生晶 间腐蚀；（4）TP321不锈钢焊接时，硫、磷、镍、碳等元素 形成的低熔点共晶杂质偏析比较严重，加之焊接较大的 应力，致使焊缝容易产生热裂纹，其化学成分和力学性 能分别见表1和表2：表1 TP321不锈钢的主要化学成分（%）表2 TP321不锈钢的力学性能b0.2s图2 熔池偏移造成夹渣和未熔合缺陷462012年 第1期 (Mpa) (Mpa) (%)(%)HB5752555363168CMnPSSiNiCrTi0.0301.1200.0300.0030.3909.24017.3000.300INSTALLATION焊 接 技 术（3）注意控制埋弧焊的起弧、收弧质量。避免出现起弧时熔池焊肉堆积和收弧弧坑裂纹。（4）坡口角度可适当减小，以减少填充金属，提高 焊接效率，但同时考虑便于清渣和焊缝成型，管道坡口为50-60为宜。（5）注意焊接厚度，如果过厚，容易造成清渣 困难，同时势必造成热量集中，焊缝的晶粒粗大，4. 焊接工艺材料的选择氩弧焊丝采用锦州锦泰金属工业有限公司产JGS-347（H0Cr21Ni10Nb）、规格为2.4mm；埋弧焊丝为天津大 桥公司产不锈钢实芯THS-321(H08Cr19Ni10Ti)，规格为 1.6mm；不锈钢焊剂为洛阳古洛焊接材料有限公司产牌 号为HJ260(型号为F308L-H00 Cr21Ni10)，规格60-8目。表3 焊接材料的主要化学成分（%）造成焊缝潜在组织缺陷，每层厚度一般为3-4m m左右为宜。（6）注意焊接参数匹配，由于不锈钢材料 具有电阻大，导热性较差的特点，焊接电压应 适当增大。经过反复试验，1.6mm焊丝，电压 为38V左右为宜。（7）注意接头方法方式，推荐采用交错连续 式焊接接头，可连续焊接完成正个焊缝的焊接， 尽量避免多接头，以免出现缺陷。示意见下图。5. 焊接工艺分析及焊接注意事项焊接前，我们首先对不锈钢焊接特性及管道埋弧焊特 点进行了分析，不锈钢具有导热慢、容易热量集中、熔深浅、 铁水凝固较慢等特性，埋弧焊接时容易出现夹渣、气孔、驼 型焊缝等缺陷；由于焊工看不到电弧与工件之间的相对位 置，容易出现焊肉偏移造成夹渣和未熔合缺陷；还会由于 坡口形式、焊剂特性的原因，出现清渣困难。需要焊工熟练 掌握焊接设备功能，对焊接参数和焊缝位移等准确调节， 靠经验确定电弧准确位置等。（1）为防止埋弧焊电流大烧穿打底焊缝，氩弧打 底焊接需两遍后，方可进行管道埋弧焊。（2）埋弧焊枪角度，适当往垂直位置转动反方向移20-30mm，适当调整焊接速度在40cm/min左右，以克服由 于不锈钢导热较差，热量容易集中，铁水不容易凝固， 容易流淌，而形成驼型焊缝。3焊道数21已完成焊缝焊缝接头熔池运动轨迹=28.6mm图5 管道埋弧自动焊焊道交错连续式接头熔池轨迹示意及效果图（8）焊剂选择除牌号匹配外，还应注意目数、颗粒度，一般采用40-60目规格焊剂。焊剂太粗，容 易出现焊剂漏嘴输送焊剂不均匀，焊剂太细，熔池 残余气体不能及时溢出，造成焊缝缺陷，同时还要 考虑容易清渣。（9）控制好干伸高度，减小对熔池和药剂的影响， 一般推荐干伸高度为20-30mm。（10）焊工熟练掌握埋弧焊熔池移动的规律和观察 技巧，防止熔池位移造成的缺陷。（11）注意焊接层道间及找平质量，以利盖面6. 焊接工艺评定焊接及效果通过反复分析和试验，我们最终选定不锈钢管 道埋弧焊接参数为坡口角度50-60，氩弧焊打底焊 接两遍后采用管道埋弧焊，埋弧焊电流230-250A， 电压38V，焊接速度为40-60cm/min，每层焊接厚度 不超过3-4mm。图4 焊枪前移20-30mm47INSTALLATION焊接 材料CMnPSSiNiCrTiNb含水量机械 夹杂物氩弧 焊丝JGS-3470.0501.790.0240.0110.489.1819.64-0.55-埋弧 焊丝THS-3210.0601.540.0260.0120.529.5619.650.064-焊剂HJ260-0.0290.026-0.0230.08焊 接 技 术INSTALLATION焊接工艺确定后，我们随后进行了焊接工艺评定试件的焊接，并详细进行了焊接记录，焊接坡口工艺示意 见下图：色为金黄色，成型优于目前熔化极药芯焊丝气保焊。焊后依据相关规范进行外观检测为无表面气孔、夹渣、裂 纹、未熔合、咬边等。经过RT射线无损探伤，显示焊接 接头全部合格。34图6 坡口形式图a 培训焊工观察熔池移动技巧b 培训焊工练习设备操作图9 焊工培训表4 焊接工艺参数试验成功后，我们又对预制厂部分焊工进行管道埋弧焊强化技能操作培训，受训焊工在半天时间内就基本 掌握了不锈钢焊接特性及管道埋弧自动焊操作技巧，并 焊接出合格焊缝。7. 综合评价（1）不锈钢管道埋弧自动焊和熔化极气保焊对比， 同样为规格323.728.6mm不锈钢焊口，埋弧焊接时 间大约为30分钟，药芯焊丝气保焊约为120分钟，埋弧 焊效率约为熔化极气保焊4倍，埋弧焊焊接效率优于药 芯焊丝气保焊。（2）据调研，不锈钢TP321药芯气保焊丝约为80 元/Kg，混合保护气体为100元/瓶；而埋弧焊丝TP321为40元/Kg，不需要使用保护气体。同比情况下埋弧焊对比 气保焊可节省材料费用1/22/3。（3）管道埋弧焊没有弧光辐射和焊接烟尘，焊工不 需要佩戴焊帽等辅助工具，劳动条件好，劳动强度低， 对焊工伤害小，焊工使用积极性高。（4）管道埋弧焊对野外防风措施等工作环境条件 要求不严格。（5）焊工技能操作基本为机械类焊工操作，操作 难度小，培训容易，焊工非常容易上手。a 埋弧焊第一遍清渣容易b 层间熔渣自然脱落图7 通过合理控制焊接工艺，焊缝清渣容易图8 焊缝外观成型焊接过程中，由于电弧及所焊焊道不易观察，应特别注意电弧的横向跟踪，保证焊枪枪头对准焊缝中心， 焊工应及时对位移调节系统应予校正。通过合理控制焊 接参数和焊接层间厚度，熔渣脱渣比较理想。不锈钢管