超低碳奧氏體不銹鋼焊接

1、超低碳奧氏體不銹鋼焊接于貴芳1 雷鳴2 樊建兵3（山西電建四公司）摘要：本文描述了640×70厚壁不銹鋼管道的焊接工藝試驗(yàn)，解決了厚壁不銹鋼焊接變形記錄和監(jiān)控問題，掌握了厚壁不銹鋼焊接變形的規(guī)律，得出了厚壁不銹鋼管道的焊接工藝。關(guān)鍵詞：脈充氬弧焊、熱輸入、層間溫度、分段退焊、分段跳焊1.工程背景主管道安裝及焊接是壓水堆核電站安裝過程中非常重要的部分。進(jìn)行此頂工作前，必須對主管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝難點(diǎn)和奧氏體不銹鋼大口徑厚壁管的安裝和焊接技術(shù)關(guān)鍵有較深刻的了解，并且制定準(zhǔn)確無誤的解決措施，經(jīng)過嚴(yán)格的工藝評定。并在場地布置、人員培訓(xùn)考核，設(shè)備、材料等均準(zhǔn)備就緒，才能進(jìn)行安裝和焊接工作，

2、同時應(yīng)嚴(yán)格按照要求的安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的方法進(jìn)行安裝和焊接。本次模擬件制作的目的是通過此次試驗(yàn)，掌握厚壁不銹鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)，同時檢測我公司對核質(zhì)保體系的理解和運(yùn)用能力；檢測我公司對核電站主管道的安裝焊接能力。2.前期技術(shù)儲備為了更好的完成核承壓設(shè)備模擬件制作工作，我們于2005年11月去河北電建一公司參觀學(xué)習(xí)，吸取經(jīng)驗(yàn)，同時又與核二三公司聯(lián)系，獲取相關(guān)焊接資料，為后期的模擬件制作奠定了良好的基礎(chǔ)。2006年初培訓(xùn)中心對參與主管道模擬件制作人員進(jìn)行了一次核文化基礎(chǔ)知識培訓(xùn)，并進(jìn)行了考核，除此之外，我們還對焊工進(jìn)行了長達(dá)9個月的自我培訓(xùn)練習(xí)。練習(xí)從普通奧氏體不銹鋼小管開始，先后經(jīng)過60×

3、4手工鎢極氬弧焊、108×4.5手工鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面、219×8手工鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊填充、蓋面，熟悉奧氏體不銹鋼焊接性能；隨后又進(jìn)行了350×55合金鋼大管的焊接練習(xí)，采用鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊填充、蓋面。焊接過程中采用不銹鋼焊絲和焊條進(jìn)行焊接，熟悉焊接材料性能，練習(xí)多層多道焊接的熟練度，適應(yīng)層間溫度的控制，調(diào)整兩名焊工焊接速度基本相同，探索小熔合比的坡口尺寸，以減小焊接工作量，減小焊接變形；2006年4月到8月是自我培訓(xùn)的最后階段，在此期間先后進(jìn)行了8道273×31的厚壁不銹鋼管的焊接。為了更好的控制焊接熱輸入和根部焊縫的成

4、型，采用脈沖鎢極氬弧焊打底。脈沖鎢極氬弧焊與普通手工鎢極氬弧焊相比有以下特點(diǎn)：1.脈沖鎢極氬弧焊采用高頻脈沖引弧，不易產(chǎn)生夾鎢等缺陷。2. 脈沖鎢極氬弧焊通過脈沖頻率有效的控制了焊接過程中的熱輸入。它分為基值電流和峰值電流兩個區(qū)間：基值電流用于維持電弧燃燒，對焊縫不熔化；峰值電流用于焊接保證了送絲的穩(wěn)定性，減少了焊接過程中對焊縫的加熱，既減少了焊接熱輸入。3. 脈沖鎢極氬弧焊結(jié)束時采用焊接電流衰減收弧，收弧時弧坑出不易產(chǎn)生縮孔等缺陷。4. 脈沖鎢極氬弧焊具有滯后送氣功能，對接頭起到了良好的保護(hù)作用。3.奧氏體不銹鋼焊接性分析不銹鋼是在普通碳的基礎(chǔ)上，加入一組鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%合金元素的鋼材

5、，它在空氣的作用下保持金屬光澤。不銹鋼按照化學(xué)成分可以分為：鐵素體型不銹鋼，馬氏體型不銹鋼，奧氏體型不銹鋼，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，奧氏體-馬氏體雙相不銹鋼和沉淀化不銹鋼。奧氏體不銹鋼一般屬于耐蝕鋼，是應(yīng)用最廣泛的一類，他具有較好的力學(xué)性能，便于機(jī)械加工、鍛壓和焊接。在氧化性環(huán)境中有良好的耐腐蝕性和耐熱性，但是對于溶液中有氯離子的介質(zhì)特別敏感，易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕。奧氏體不銹鋼都具有良好的塑性和韌性，這類鋼不會發(fā)生任何淬火硬化，所以在焊接過程中極少出現(xiàn)冷裂紋，而且具有很強(qiáng)的加工硬化能力，所以即使受焊接熱影響而軟化的區(qū)域，其抗拉強(qiáng)度仍然不低，只要不誤用焊接填充材料，焊接接頭強(qiáng)度不是焊接性的重要之點(diǎn)

6、。這類鋼的導(dǎo)熱率約為碳鋼的1/4，導(dǎo)致熱量傳遞速度緩慢，熱變形增大，其線膨脹系數(shù)比碳鋼大40%，更引起焊接時熱膨脹量和冷卻時收縮量的增加，因此焊后變形量就顯得更為突出。焊接過程中主要存在的問題是焊接熱裂紋和焊接后變形量大。焊接熱裂紋產(chǎn)生的原因主要有三點(diǎn)：1.由于奧氏體型不銹鋼的導(dǎo)熱率低，線脹系數(shù)大，在焊接區(qū)降溫期焊接接頭必然要承受較大的拉應(yīng)力，會促成各類熱裂紋的產(chǎn)生；2.方向性強(qiáng)的焊縫柱狀晶組織，有利于有害雜質(zhì)的偏析及晶間液態(tài)夾層的形成；3.有害元素的存在，會形成易熔共晶間層。4.主管道焊接試驗(yàn)4.1母材材質(zhì)、規(guī)格、化學(xué)成分：母材材質(zhì)為SA249-TP316L，規(guī)格640*70表1母材化學(xué)成分

7、%CSiMnPSNiCrMoCoCuVFeNTi+Nb鐵素體計算值標(biāo)準(zhǔn)值0.030.320.860.0330.00811.7317.42.360.090.26/0.035/5.5復(fù)驗(yàn)值4.2焊接材料材質(zhì)、規(guī)格、化學(xué)成分：焊絲為ER316L，規(guī)格為1.6；焊條為E316L-15，規(guī)格為2.5、3.2 表2焊絲化學(xué)成分%CSiMnPSNiCrMoCoCuVFeNTi+Nb鐵素體計算值標(biāo)準(zhǔn)值0.0120.351.860.0180.01012.018.12.54/0.05/6復(fù)驗(yàn)值0.010.411.810.0160.01211.7718.322.570.18/5.3%表32.5焊條化學(xué)成分%CSiM

8、nPSNiCrMoCoCuVFeNTi+Nb鐵素體計算值標(biāo)準(zhǔn)值0.0220.281.420.0170.1012.1518.152.81/0.08/5復(fù)驗(yàn)值0.030.261.420.0190.00711.8318.222.78/8.80%表43.2焊條化學(xué)成分%CSiMnPSNiCrMoCoCuVFeNTi+Nb鐵素體計算值標(biāo)準(zhǔn)值0.0200.251.330.0160.00912.1817.922.60/0.04/4復(fù)驗(yàn)值0.030.271.440.0190.00712.0117.842.66/8.84%選擇焊接材料時從限制有害元素角度出發(fā),選用超低碳，S、P含量得到嚴(yán)格限制的焊絲和焊條。盡量

9、使用小直徑的焊絲和焊條，以控制焊接熱輸入。焊材庫的溫度10、相對濕度60%，保證焊材良好的使用性能。焊材應(yīng)嚴(yán)格按照廠家規(guī)定的溫度進(jìn)行烘干，在使用時放入50-150的保溫桶內(nèi)隨用隨取，烘干次數(shù)不得超過兩次。3接頭形式接頭形式為對接U形坡口，為了減少填充金屬用量和減小焊接變形采用如下圖所示的坡口尺寸：4001100圖1坡口尺寸圖4.3焊接方法焊接過程中采用脈充氬弧焊打底，氬弧焊填充2、3層，其余焊層采用手工電弧焊進(jìn)行焊接。4.3.1氬弧焊采用脈充氬弧焊即可以減少熱輸入，又可以增大熔深。氬弧焊三層的目的是為了解決手工電弧焊電流較大容易燒穿而電流小容易在側(cè)壁或?qū)娱g產(chǎn)生未熔合缺陷這一矛盾，以及一定熔敷金

10、屬厚度時手工電弧焊不用充氬。4.3.2手工電弧焊操作過程中，要注意側(cè)壁未熔合的情況，即運(yùn)條過程中，“U”型坡口兩邊都有一定的停留時間。還要注意焊條應(yīng)保持短弧操作。而E316L-15屬于堿性焊條，必須采用短弧，另一方面短弧也是為了防止合金元素?zé)龘p，保持合適的化學(xué)成分并防止空氣中氮的侵入，氮的侵入可導(dǎo)致焊縫中鐵素體的減少，進(jìn)而可能產(chǎn)生裂紋和降低耐蝕性。4.4焊接4.4.1管件的固定管件一端放置與自制的架子上，另一端用彈簧制作支撐，彈簧制作所能承受的力剛好等于管件的自重，使管件處于水平。這樣管件處在一個相對平衡的狀態(tài)下，可以上、下、左、右、前、后6個方向自由收縮和變形，減小拘束度。4.4.2焊縫的點(diǎn)

11、固及點(diǎn)固棒的去除圖2焊縫點(diǎn)固 圖3對口卡子 焊縫點(diǎn)固位置見圖（2），點(diǎn)固棒選用與母材相同材質(zhì)的不銹鋼棒，尺寸為R=17mm，L=45mm。對口卡具如圖（3）所示。點(diǎn)固棒使用前應(yīng)用丙酮清洗干凈，點(diǎn)固時與坡口兩側(cè)緊密接合不得有間隙，這樣才能充分起到防止收縮變形的作用。打底完畢后，在去除點(diǎn)固棒時，為了防止發(fā)生角變形，應(yīng)對稱去除點(diǎn)固棒，對稱焊接。去除點(diǎn)固棒時，不應(yīng)損傷母材，并將其殘留焊疤清除干凈，打磨修整。在焊接至封口時應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)小充氬的流量。4.4.3 充氬不銹鋼焊接過程中為了防止氧化，打底焊接時必須進(jìn)行背后充氬。充氬裝置見圖（4），將五合板制成與管子內(nèi)徑一樣的圓板，塞在管子內(nèi)部，周圍用高溫膠帶進(jìn)行

12、封堵，并在五合板上開一個四方形窗口，用于觀察焊接打底及充氬狀況。充氬時焊縫坡口用高溫膠帶封堵，焊接過程中隨焊隨撕。打底完畢后，熔敷金屬厚度只有3-4mm左右，為了防止燒穿，再用手工鎢極氬弧焊填充兩邊，方可用手工電弧焊進(jìn)行焊接，焊接時直到焊縫背面不發(fā)紅為止，才可以停止充氬。氬弧焊見圖（6） 圖4充氬裝置4.4.4 焊接方向焊接方向如圖（5）所示。由于奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱率低，約為碳鋼的1/4，在焊接過程中溫度升高得比較快，降低較慢，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視層間溫度，使其不要太高，控制在100以下，避免焊接過程中在450-850區(qū)間停留時間太長，產(chǎn)生貧鉻現(xiàn)象，導(dǎo)致晶間腐蝕。為了大到以上目的我們采用雙人對稱焊接，焊

13、接時，為防止局部溫度過高，除了采用小電流，快速焊，薄焊道，小擺動或無擺動的焊接方法來控制焊接線能量以外，還采用了不同的焊接方法來控制局部層間溫度的升高。在平焊到立焊部位采用分段退焊法，即在平焊部位起頭，后一根焊條的收頭部位為第一根焊條的起頭部位；在仰焊到立焊部位采用分段跳焊的方法，每焊一根焊條就跳開一段距離。這兩種方法都可以使收頭處溫度有足夠的時間降低，從而有效地控制了局部層間溫度的過高，避免了敏化區(qū)的產(chǎn)生。無論手工鎢極氬弧焊還是手工電弧焊可按如下施焊順序進(jìn)行操作，且焊接時，兩人應(yīng)同時起弧，同時滅弧，不可一人單獨(dú)施焊，以防止角變形的產(chǎn)生。象限1-象限31象限2象限象限2-象限44象限3象限圖5

14、焊接方向4.4.5填充和蓋面填充層除了第二和第三層外，其余各層采用手工電弧焊進(jìn)行焊接。填充時為了使坡口邊熔合良好，焊接時應(yīng)特別注意坡口兩邊的熔化，焊條可以微做擺動，盡量使電弧吹向坡口邊。切記單道焊層的厚度不得超過焊條直徑，單層焊道的寬度不得超過焊條直徑的2.5倍，一旦坡口寬度超過焊條直徑的2.5倍，應(yīng)采取分道。由于焊接仰焊時鐵水重力的作用，使得仰焊位置相比平焊位置要厚，蓋面前應(yīng)先找平。蓋面時，根據(jù)坡口的寬度計算焊道數(shù)和焊道之間的搭接尺寸，先焊坡口兩邊，后焊中間部位。焊縫外觀圖（7）圖6 圖74.4.5焊接參數(shù)記錄焊接過程中，為了更為準(zhǔn)確的記錄焊接參數(shù)，使用WHJ型焊接參數(shù)記錄儀，進(jìn)行跟蹤記錄。

15、焊接時，每間隔6秒記錄一次參數(shù)。在脈沖鎢極氬弧焊時，還可以準(zhǔn)確記錄其焊接峰值電流、基值電流和脈沖頻率。保證記錄的客觀真實(shí)。4.4.6焊接變形的測量及控制在管子的3、6、9、12鐘點(diǎn)位打四個點(diǎn)，在這四個點(diǎn)位置設(shè)置百分表測量焊縫的橫向收縮。在管件的自由端焊一塊盲板，在盲板上再焊一根延伸管108×4.5的管子 。在延伸管外壁x、y方向設(shè)置一塊百分表監(jiān)測x、y方向的收縮偏移。據(jù)了解,大壁厚管道焊接收縮量傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的計算結(jié)果一致如下:最大焊接收縮量Lmax=0.2×AH/t； 最小焊接收縮量Lmin=0.2×AH/t0.5； (式中AH為焊縫坡口截面積，t為管道壁厚。)焊

16、接前將百分表的數(shù)值調(diào)至8mm，若百分表數(shù)值增大則為膨脹，百分表數(shù)值縮小則為收縮。焊接過程中百分表具體顯示數(shù)值見下表:從工藝評定表中可以看出，變形主要發(fā)生在前50%，前35%平均變形量為0.53mm，從35%到50%平均變形量為0.138mm。過了50%以后基本不再發(fā)生變化，平均變形量只有0.074mm。從模擬件見證件變形記錄表中可以看出，變形同樣主要發(fā)生在前50%，前35%平均變形量為0.4975mm，從35%到50%平均變形量為0.102mm。過了50%后也基本不再發(fā)生變化平均變形量只有0.02mm通過兩個表的對比我們得出，隨著管子長度的增加，溫度傳遞增加，散熱加快，變形量有所減小。無論是工

17、藝評定還是模擬件見證件變形記錄表其平焊位置的橫向收縮變形都要比仰焊部位的橫向收縮變形要大，通過分析其原因有二：一是平焊位置焊接電流相對要比仰焊位置大5到10A左右，二是溫度向上傳播，導(dǎo)致平焊位置溫度高于仰焊位置，使得管子發(fā)生較大的橫向收縮變形。5焊接注意事項(xiàng)5.1對口應(yīng)將焊口表面及面?zhèn)?5mm母材內(nèi)，外壁的油、漆、垢、及氧化層等清理干凈，直至露出金屬光澤，并對坡口表面進(jìn)行檢查，不得有裂紋、重皮、毛刷及坡口損傷等缺陷。對口前還應(yīng)對坡口表面進(jìn)行液體滲透探傷。5.2焊接時焊接材料必須放在插上電源的保溫桶內(nèi)。保溫桶使用前應(yīng)先預(yù)熱到75以上，防止焊條驟冷。5.3焊接宜采用小電流、短電弧、小擺動、小線能量

18、的焊接方法。5.4前三層采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。5.5為了保證根部質(zhì)量應(yīng)用外徑為12的長噴咀。5.6氬弧焊前，先通入氬氣30min待空氣全部排除后再進(jìn)行打底焊接.5.7氬弧焊時，斷弧后應(yīng)滯后關(guān)氣，噴嘴在收頭處停留5秒以上，以免焊縫氧化。5.8氬弧焊打底焊接時，背面應(yīng)充氬保護(hù)。5.9焊接的層間溫度不大于100。焊接時每焊完一根焊條，應(yīng)對即將焊接的部位進(jìn)行溫度測量，溫度不大于60方可繼續(xù)施焊，若溫度高，應(yīng)停止焊接，待溫度降低到60以下才能進(jìn)行焊接。 5.10兩名焊工應(yīng)具有相同的焊接速度。5.11仰焊位置電弧應(yīng)盡量短，防止鐵水下墜。5.12焊口焊完后，應(yīng)清除焊縫表面及附近表面區(qū)域的焊渣、氧化皮、油脂等物質(zhì)，經(jīng)焊工自檢合格后方可進(jìn)行RT檢驗(yàn)，RT檢驗(yàn)時應(yīng)用專用記號筆。 5.13 PT和RT結(jié)束后，必須對焊縫進(jìn)