管道內部氬氣濃度對焊縫成型的影響

肖德銘,東巖,史文淵,張錫善

(天津電力建設公司,天津市,300380)

0 引言

馬氏體鋼、不銹鋼等高合金鋼在火電、核電、化工等領域有著廣泛的應用,這些材料在焊接的過程中有一道共同的工序——根部保護,保護方式現在主要有氣體保護(包括氬氣、氮氣或混合氣體保護等)、涂抹保護劑、利用藥芯焊絲等,其保護目的就是為了避免根部氧化、獲得良好的焊縫成型和保證接頭的機械性能。由于充氬保護方式的保護效果穩定、適應性強、成本相對較低,是現在工程中最常用的一種根部保護方式。

氬氣濃度對馬氏體鋼、不銹鋼等高合金鋼的內部質量有著重要的影響,目前大部分檢測管道內部氬氣濃度的方法還是基于傳統的測試法,即在管道焊縫密封預留處用打火機測試,當火焰熄滅時判斷內部充氬效果達到要求,但這種傳統測試方法往往會受到管道內部穿堂風的影響,會出現判斷不準確的情況,造成施工管道焊口內壁氧化現象。目前關于充氬保護方式的研究報道在國內很多,但氬氣濃度的大小對于馬氏體鋼、不銹鋼等高合金鋼的內部質量的影響則報道較少,因此有必要開展此方面的研究工作。

1 研究關鍵技術及控制點

(1)根部易氧化材料氬氣保護濃度的測定;

(2)馬氏體耐熱鋼 P91及奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti兩種材質的氬氣濃度測定對比;

(3)各種濃度的氬氣對管道內部的保護效果的對比。

2 試驗過程工藝控制

2.1 材料準備

本次試驗采用了馬氏體耐熱鋼 P91(規格為φ219mm×40 mm)及奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti(規格為φ185 mm×18 mm)兩種材質進行,氬氣選用99.99%高純氬氣進行。

2.2 試驗分段

圖1 管子分段示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipe sections

將管子分段(如圖1)進行焊接,每一段采用不同的氬氣流量及氬氣濃度,將焊口預留一段進行測試焊縫的焊接,長度為 100mm左右,其他則全部密封。

2.3 測量方法

試驗測量儀器型號為MD 2XP-3140的氬氣分析儀。測量方法:設備調零后,將氣體吸口對準測量部位(預留孔)進行測量,待濃度值顯示穩定后,其顯示數值則為實際濃度值。

2.4 試驗過程

2.4.1 P91鋼試驗過程

在焊接過程中焊接電流固定(115 A),通過改變氬氣流量及氬氣濃度,來測定在不同氬氣流量及氬氣濃度的情況下,其保護效果的差異。

氬氣流量范圍為5～25 L/min,分別采集了流量為5,10,15,25 L/min流量下的保護效果值。

氬氣濃度范圍為 70%～100%,但為了測定氬氣不足情況下的保護效果如何,額外測定了 47%一組數據。

相對應的試驗數據見表 1,表中列出了不同氬氣流量和氬氣濃度配比下根部的保護效果,表中預留孔長度為約數。

表1 氬氣濃度及保護效果對比表(P91鋼)Tab.1 Effect of argon concentration on weld protection(P91 steel)

2.4.2 1Cr18Ni9Ti試驗過程

在焊接過程中焊接電流固定(90 A),其他試驗過程和 P91鋼試驗基本相似,但對于節門到頭的情況沒有測定,具體試驗數據見表 2。

表2 氬氣濃度及保護效果對比表(1C r18Ni9Ti鋼)Tab.2 Effect of argon concentration on w eld protection(1Cr18Ni9Tisteel)

3 試驗結果分析

(1)從表1、表2可以看出,P91和1Cr18Ni9Ti兩種材質,氬氣濃度在70%以下,流量在10 L/min以下,則保護效果差,根部成型外觀不好,如試驗中 P91測定了47%、1Cr18Ni9Ti測定了60%,保護效果起的作用很小,根部存在氧化;

(2)P91氬氣流量在15 L/min,氬氣濃度達到85%時,保護效果達到常規中對于焊縫根部的質量及外觀需求;

(3)1Cr18Ni9Ti氬氣流量為15 L/m in,氬氣濃度達到 90%時,保護效果達到常規中對于焊縫根部的質量及外觀需求;

(4)在濃度及流量進一步提高的情況下,保護效果更好,但經濟性較差。

4 結論

(1)針對馬氏體耐熱鋼(P91)及奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)兩種材質的氬氣保護效果的測定,通過對保護效果及經濟性的綜合對比考慮,確定了最佳氬氣濃度及氬氣流量的范圍為:即氬氣流量為15 L/min;氬氣濃度為馬氏體耐熱鋼在85%～90%之間,奧氏體不銹鋼在90%以上。

(2)通過試驗表明,氬氣濃度的大小對焊縫根部的保護效果有很大的影響,管道內部氬氣濃度是制約焊縫內部質量的關鍵,是保障焊接質量的重要環節。

(3)按照試驗采集到的數據在實際工作中的應用得知,在保證焊縫的質量的前提下可節約大量氬氣。

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