不锈钢波纹管的制造与测试

1、不锈钢波纹管的制造与测试试验用波纹管还带有一个不锈钢通气孔眼和通气管,以便向其内部充入压缩气体.圈1制造波纹管所要求的焊缱位置制造波纹管需焊接七条焊缝(图1).3/环一I的焊缝然后将通气孔眼焊在端板首先焊制内焊缝,这包括圆环l/环2,环l上.再使通气管与孔眼焊接.焊毕外焊缝?37?一-|.第7卷第5期材料开发与应用1992年l0月(环2/环3,端板l/环l,端板2/环4)时,便完成了一个波纹管的焊接组装.焊缝的主要要求是膨胀后的密封性,此外,焊缝不应存在气孔或不连续性.要求最小焊缝熔深应与不锈钢薄板厚度相当(即0.28ram)为.了=确保所有焊接部位的焊缝熔深均不小于b.28ram,最小熔深指

2、标定为0.38ram.本试验的目的是确定制造波纹管宜采用的最佳焊接工艺方法.全面评价的焊接工艺过程有连续波焊,二氧化碳激光束焊(LB)和钨极气体保护焊(GTA).本研究计划进行到快结束时还对等离子弧焊在本系统中的应用进行了初步研究.1实验过程及结果根据美国新墨西哥州洛沙拉莫斯市的洛沙拉莫斯国家实验室和田纳西州橡树岭Yl2工厂所作的工作,对焊接参数,制作工艺和工央具设计作了选择.本试验中所测试的部件采用液压成形工艺,并用电火花加工刨削到要求的尺寸GTA焊和LB焊两种工艺方法所采用的工夹具很相似,只是为了适应这两种焊接系统中不同的旋转夹具而在各套中稍有不同除接触或是邻近焊接区域的表面外,工具均由软

3、钢(古碳量低于0.04的热轧钢)制成.而上述接触部位由BAg-8黄铜合金制成.这样就消除了因使用铜质夹具引起的铜致开裂的可能性1】GTA焊接生产系统基本上采角手工操作.工件在一个按照焊接接头位置进行有限凋节的焊炬下恒速旋转.允许操作人员移动焊炬,改变焊接电流以适应工件对准和组装方而的偏差.LB焊接工艺方法则与GTA焊不同,采用微处理机控制工件的旋转,焊束定位及其他焊接过程参数.因此,使用LB焊接工艺方法不允许在生产?38?过程的实际进行中实行微调校正.PA焊焊接参数也是由一个事先编程的傲处理机所控制的,但是必要时也可以手动调节焊炬.COz激光束焊接设备不仅可采用连续光波焊接,也可以以脉冲方式工

4、作.霍尔伯特等啪提出的一些证据表明使用脉冲激光方式设法达到0.38ram的最小熔深时或当连续波束产生小孔效应时均可引起气孔.所以.激光束焊接波纹管所选用的工艺参数要使光束以热传导方式被加热而PA焊工艺参数(由傲处理机控制的编程的焊接工序)应使电弧以热传导的方式加热而不是产生dqL效应.对本研究中被焊工件焊接部位的焊缝熔豫和外观,即无明显的不连续性,进行评价.通过对每条焊缝周围8处的横截面进行金相分析测碍其熔探.各部分在最后组装后再进行防渗漏性试验将其中几个波纹管膨胀达到全长度1.1波纹管内部焊缝焊接采用G:TA焊和LB焊的生产工艺t沿波纹管往内焊接所用的焊接工夹具要求焊炬和激光束聚焦单元与接头

5、之垂直面蟥斜30.左右.因此,电弧或是光束以较小的角度穿透焊接接头.这里的主要问题便是要确保工件高出焊接工央具而充分暴露出来以获得要求达到的最小熔深.在各种位置进行焊接时,接头均须在工夹具以上最少0.508mm处.但是,高出夹具过多也会使得构成各部件的不错钢板相互之间难于保持接触.夹具要进行数次调整.本研究中由于各都分的尺寸偏整.这一问题也未能彻底解决.两种焊接工艺的额定参数均无法凋整到完全补偿尺寸的偏整因此.两种焊接工艺在同焊缝的不同部位焊接熔深差异很太(表1).表l中的数据是根据沿周向每隔45切取的若干横切面进行测量取得的.不锈钢波纹瞥的制造与测试表l波纹管内焊缝的焊缝熔深焊缝熔深(ram

6、)装置号高低平均GTA焊接0,1980.300.280.330S030.460.33o.3618570.,130.180.3010780.,130.330.3818060.380.,050.28LB焊接20380.4l230.5320390.4l0.180.3,020480.300.250.33PA焊接33200.580.,160.563370.64O.O.5133870.500.460.5133910.71,0.430.56为了减少内部焊缝的焊接变形,PA焊接系统采用脉冲焊接电漉.PA焊央其与焊炬定位均与GTA焊接设备相时.但是对PA焊接工艺的评价要进行得晚的多,此时各部件的尺寸波动较小.而

7、且所甩央具已针对该波纹管的情况进行调整而达到最隆状态,因此这些焊缝熔深较为稳定一致.1.2通气管一通气孔眼-端板的焊接向波纹管内充入压缩气体的通气管酒过通气孔眼与波纹管相连接.通气管.通气孔跟一波纹管的整套焊接安装工序的第一步是将通气孔眼插入端板l上的充气孔洞中.然后将通气管的一端扩口.该喇叭口置于通气跟上.在通气管上装有一个弹簧加载装置.使喇叭El端受压而紧贴通气孔取,以确保焊接过程中通气孔眼的位置不发生移动.首先焊第一道焊缝,将通气孔眼焊在波纹管上.然后焊第二道焊缝,把通气管焊接在通气孔跟上.对管弦焊麓控寄扞透性要求,但对眼一板之I碍_扞麓娶求完全焊透.采用LB.焊接系统.既使使用焊扭最大

8、额定功率工作(500W).仍不能始终如一地在眼一板之J可焊得完全焊透的焊赣.所以采甩GTA或PA焊接工艺来焊II管一眼一板焊缝.采用GTA焊.焊接电流为21A.PA焊使用恒电l流焊接,电流为BA.1.3波纹管外部焊缝的焊接率研究中采用的三种焊接工艺所用的外部焊缝焊接工夹其十分相似,但采用的工艺方法不同(图2).在开始进行QTA焊和PA焊接程序时,将组成波纹管的6个不锈钢件叠放在夹具中,将这些薄板按一定问隔叠放在一起进行试验.试验表明,为了使这几条焊缝不融合在一起,其间必须最小有025ram的间隙.因此,在焊接开始?39?第7卷第5期柑料开发与应用1992年10月前要使用转动薄片将焊接接头隔开.

9、这种隔离措施不仅可使困边缘翻转引起的两处焊接接头融合在_一起.而且可消除由于焊接过程中的偏离焊道引起的电弧从一个接头跳到另一接头.然后再从中问接头开始进行3条外部焊缝的焊接.试验中发现,由于中间接头不是由工夹具平台直接支持的,较难对准,该部件周围的焊道偏离较大.采用LB/V”焊接工艺,开始时仅把四个环状部件叠放在夹具中,然后进行中间接头的焊接.这一工序是必要的,因为为了使焊机机头跟随事先编程位置要求改进对接头位置的控制.就电弧焊工艺过程丽言,由于电弧会跟随接头位置(接地电位)处存在的微小偏差,接头位置显得不再如此至关重要.操作人员亦可对焊接位置进行小幅度调节,但通常也没有这一必要.对中间接头进

10、行LB焊后.将两块端板置于夹具上再进行另两条外部焊缝的焊接.由于LB焊需进行额外的装配操作,其焊接工艺过程所需时间较GTA工艺的要长.圈2外部焊齄的GTA焊接所用的工吏具A一相对于焊缝中心棱头予以定位的焊炬lB-用以分隔诸焊髓接头的旋转叶扳(在A圈中位于焊炬后面)表2中列出了用于焊接外部接头的有于热源相对于接头位置的不对准引起的,关参数表3为三种焊接工艺过程的焊缝丽电孤过程中的不对准亦使工夹具的不相熔深数据.三种焊接工艺之一所焊制的住容激玲加刚.一单一焊缝在熔深上的偏差,主要均是由?,to?不锈钢波纹管的制造与测试2试验表2波纹管外部焊缝的名义焊接参数“)0.631.52Dml焊墙初始位置剜工

11、l牛距离(b)采用127ram聚焦镜的连续波表3波纹管的外焊缝的焊缝熔深数据(ram)所有焊好的部件一律放在一个不允许膨胀的夹具中进行防渗漏性试验,以确保所有的焊缝都是防漏的.先向波纹管试验件内充气加压到34.5MPa,然后将此装置与高压气源断开并密封之,监测压力的降低.本研究中评价的所有波纹管件均通过了防泄黼试验.?4l?第7卷第5期材料开发与应用1992年1O月圈3室温试验后完全膨胀的波纹管外形为膨胀成一十安全容器室的形状GTA焊波纹管B.LB焊波纹管进行防渗漏试验后再在其中取几个部件令其充分膨胀进行评价(图3).由于各部位均在高压下保持一段时间以测其是否渗漏,故每个部件只能膨胀一次.这种

12、负载可能产生在图3中所看到的过度变形,而?J2?形成符合试验安全操作要求的”压力保护室.在本研究中膨胀试验在室温和一5C下进行.所有在室温下进行试验的GTA及LB焊接部件均没有问题.采用GTA焊接工艺的波纹管中有两个在低温下破坏(图4).而采用LH焊的波纹管试验件全部合格.采用PA焊接工艺的波纹管由于计划安排得太迟而未能进行上述试验.圈4-54.C膨胀试验失效的涟纹管3结果分析两只GTA焊焊接的波纹管试验件(1878和l886号)在试验中破裂令人担心,因而对此寻求种可能的解释.对这两个波纹管进行了裂纹的扫描电镜(SEM)分析.1886号试验件典型的断El截面如图5所示.这种断口具有韧性断口形貌

13、.通过较高倍的显微分析来证实这种断裂方式(图5B).结果表明断El表面具有韧窝特征.在焊缝根部发现有富锰夹杂物(图5c),但看来这些夹杂物并不是裂纹扩展源,因为这些夹杂物周围的断裂区域也是韧性断裂.对1886号波纹管焊缝根部进行的扫描电镜分析揭示,其焊缝熔深极不一不锈铜波纹管的制造与j卿试致(图6A).1886号波纹管断口附近的金扣剖面显示出在已经开始撕裂的区域熔深较浅.这种较浅的熔豫表明,断裂起困于这些熔深不足的区域.因为这些区域不堪承受膨胀载荷.圈51886号波纹管臾艘表面的扫描电镜照片A一显示塑性断裂特征(100×)B一高倍放大下的形貌(1ooo)c一焊缝根部的富名i夹杂物(1

14、0.90)此外,还对一个LB焊试件进行了切片分析.焊缝根部的扫描电镜分析中也观察到一个似乎表明已开始失效的区域(围7A).该区域的金相分析表明.其失效只限图6GTA焊焊制的1886号波纹管焊缝根部来撕裂试样的检验A一焊缝焙耀不均-(300)B一已开始撕裂部位的根窄的焊齄焙豫(1o0×)于焊接过程中在薄扳之间流动的焊缝金属.该区域并不是主要的焊缝熔合区部分,而且预计不会对焊接结构的承载能力产生影响.在LB焊试验件中也没有发现任何一个类似于GTA焊中有熔豫不足迹象的区域.对表l和3中的熔深数据的考察表明,仅仅是那些采用等离子弧焊接的内部焊缝完全符台0.38ram的最小焊缝熔深的要求.PA

15、焊接工艺所焊的外部焊缝虽满足?43?第7卷第5期材料开发与应用1992年10月图7LB焊2048试验件焊缝报部检验A一焊缝根部显着撕裂(1000X)B一显着撕裂处的横截面分析表明是在薄片问流动(500×最小熔豫的要求,叵仍产生破断.这是由于固定时的对准问题所致.支架的头部和尾部没有正确地滑靠在一起.其后的研究工作对这一操作加以改进,故而理应不会再出现类似的问题.PA焊接工艺也许是从早期研究工作采用其它工艺的教训中获得了经验,叵是由于它的电弧过程能跟踪接头位置的微小偏差,这无疑提高了它们在这些用途中的可靠性.由于PA焊接工艺具有热源比较集中这一优点,故其焊接质量比GTA焊的更加均匀一致,从而使其在本用途中具有显着的优越性.然而LB焊和GTA焊由于改进了夹具和接头跟踪系统,因而也同样可以焊制出合格的焊缝.还应当注意的是PA焊焊接接头来进行任阿温度下的膨胀试验,而这些膨胀试验有助于发现用别的方法被认为是合格的GTA焊缝中局部泼熔深区域.波纹管GTA焊接的部件,其焊缝中出现自这种熔深不均匀现象的原因还不明确.但可能是由于GTA基本上