超多層薄壁波紋管環焊縫高可靠性焊接技術

李亮，王濤，楊丙旭，王旭

(1.沈陽晨光弗泰波紋管有限公司，沈陽 110141；2.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001)

0 前言

波紋管作為儀器儀表的彈性敏感元件、各種管道的連接元件和金屬管道中常用的柔性補償元件，可將軸向力、橫向力或彎矩的作用轉換成位移。廣泛應用于石油化工、能源動力、航空航天、交通運輸等行業。波紋管種類眾多，按波紋管的層數分類，可分為單層和多層波紋管；按照波的形狀分類，可分為U形、C形、矩形、S形等[1]。其中：U形波紋管膨脹節應用最為廣泛，然而U形波紋管在實際應用中對設計要求嚴格，優良的焊接工藝是產品滿足工作要求的重要因素，如果設計不當可能會導致嚴重的事故[2-3]。

國內外研究學者針對波紋管的成形工藝、焊接工藝、缺陷分析、腐蝕行為、疲勞壽命等諸多方面進行大量的研究[4-10]，其中在U形波紋管成形設計中，研究普遍局限于低層數，并且對于多層波紋管的焊接參數優化研究較少[11-12]。在動力設備的本體或進出口，由于減隔振需求及管口許用載荷限制，需要布置用來吸收熱位移與振動的膨脹節。尤其是一些高端的敏感動力設備本體與進出口，一般多為強振、高溫高壓工況，為了保護高端敏感設備安全，需要配置特殊的超多層高柔性薄壁波紋管膨脹節。

文中對12層316Ti不銹鋼多層波紋管與16Mo3耐熱鋼接管的焊接工藝進行研究，設計多種不同的焊接工藝參數，通過組織分析得出較優異的焊接工藝參數，可為以后的實際生產提供有效數據。

1 試驗材料及方法

試驗所用U形12層波紋管，材質為316Ti不銹鋼，接管為16Mo3耐熱鋼，鋼材成分見表1。12層波紋管首先采用電阻縫焊將直邊段端頭縫焊成一體，再用多道氬弧焊焊接波紋管、接管和加強套環，焊接材料為ERNiCrMo3的焊絲。查找相關國家標準和焊接手冊，設計相關的一系列焊接試驗并在線切割后進行分析，找出最優焊接工藝參數。具體焊接工藝參數見表2。由于試驗試件較多且工藝復雜，在圖1a左側為焊后的三維示意圖，圖1a右側為焊后采用線切割制備的分析試件三維示意圖，圖1b為14種工藝下的分析試樣實物圖。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數，%)

表2 波紋管環焊縫焊接工藝參數

圖1 焊接試樣示意圖及實物圖

2 焊縫宏觀組織

圖2可以觀察到在無背面氬氣保護2.5 mm焊絲直徑低加強套環位置和有背面氬氣保護高加強套環位置條件下(9號和11號)波紋管縫焊焊縫中均出現了約1 mm的空洞，這可能是由于焊前表面處理不當而引起的，可以通過減緩焊接速度，嚴格仔細清理表面臟物或焊前預熱等手段防止空洞產生。無背面氬氣保護2.5 mm焊絲直徑高加強套環位置(11號)在多道氬弧焊焊縫中心區域表面出現了氣孔，其余試件均未出現。對于多道氬弧焊波紋管與接管之間的焊縫而言，14個試件熔焊的熔合質量都很好，然而有背面氬氣保護、2.5 mm焊絲直徑、高加強套環位置條件下(14號)焊縫靠波紋管一側出現了未熔合缺陷，其余試件均無明顯缺陷。未熔合缺陷的微觀形貌如圖2d所示。

圖2 焊接工藝中的部分焊接缺陷

3 試驗結果分析

3.1 氬氣保護對焊接質量的影響

熔深作為表征焊接質量的重要因素在一些條件下難以直接精確測量和直觀的展示優劣差別，文中工藝中采用金相顯微鏡在低倍下對試件焊縫不同部位進行有序拍照，然后拼接到一個整體圖片，這樣可以直觀展現測量方法和不同工藝下的熔深差別，最后應用image軟件測量熔深。圖3為2個焊縫熔深及微觀組織。

圖3 焊縫熔深及微觀組織

焊接過程中保護氣體是影響焊縫成形質量的重要因素。圖4為加強套環相對波紋管為較低位置時，對比2種不同焊絲直徑下，有無背面氬氣保護對于焊接熔深的影響。熔深測量結果為1號熔深為1.9 mm，4號熔深為2.3 mm；9號熔深為1.8 mm，12號熔深為2.0 mm。結果表明：1.6 mm焊絲通過背面氬氣保護措施焊縫熔深提升了21%，而2.5 mm焊絲則提升了13%。

圖4 氬氣條件作用下焊縫熔深

圖5為氬氣保護對焊縫熔合區微觀組織的影響。圖5a在熔合線附近明顯的出現了微觀缺陷數目多且密集，并且出現了碳遷移。圖5c通了20 L/min的氬氣，在熔合線附近未見明顯微觀缺陷，成形質量良好，這是由于氬氣的流入避免了合金元素的燒損[13]。圖5b中同樣清晰地看出，在沒有氬氣保護下焊縫熔合區出現了焊接缺陷，緊貼焊縫分布，而圖5d有氬氣保護下焊縫熔合區成形質量良好。綜上所述，氬氣保護會提升焊接質量，增加焊縫熔深。

圖5 氬氣條件下焊縫的微觀組織

3.2 焊絲直徑對焊接質量的影響

圖6為在有氬氣保護的條件下，對比3種不同加強套環位置及不同焊絲直徑對于焊縫熔深的影響。結果表明：1.6 mm焊絲直徑在不同加強套環位置(低、齊、高)條件下焊縫熔深分別為2.3 mm，2.7 mm，2.5 mm；2.5 mm焊絲直徑下焊縫熔深分別為2.0 mm，2.4 mm，2.1 mm。并且圖6研究結果中也表明低加強套環位置無氬氣保護下，1.6 mm焊絲比2.5 mm焊絲的焊接質量更好。

圖6 焊絲直徑變化對熔深的影響

圖7展現了不同焊絲直徑對接頭中熔合區微觀組織圖。結果表明：圖7c的焊接質量最好，熔合區無明顯顯微缺陷；圖7d的同樣條件下的2.5 mm焊絲工藝下圖的左上角熔合區出現了較為嚴重的焊接缺陷，這是由于2.5 mm焊絲直徑下的大焊接電流增加了焊接熱輸入，熔合區附近出現了合金元素的燒損。并且在圖7a、圖7b、圖7e和圖7f中可以清楚的看出，1.6 mm焊絲直徑下的焊縫成形質量均好于2.5 mm焊絲直徑下的焊縫成形質量。因此，縱觀熔深數據和熔合區微觀組織形貌，相比于2.5mm焊絲直徑，1.6mm焊絲直徑下的焊接質量更好。

圖7 不同焊絲直徑下熔合區的微觀組織

3.3 加強套環位置對于環焊縫的影響規律

圖8為無氬氣保護的條件下，對比2種不同焊絲直徑，加強套環位置不同對于焊縫熔深的影響。結果表明：1.6 mm焊絲直徑在不同加強套環位置(低、齊、高)條件下焊縫熔深分別為：1.9 mm，2.2 mm，2.1 mm；2.5 mm焊絲直徑下分別為：1.8 mm，2.1 mm，1.9 mm。在1.6 mm的焊絲中齊加強套環的熔深高于高加強套環0.8 mm、高于低加強套環2.8 mm，2.5 mm焊絲下高出1.7 mm和2.8 mm。

圖8 不同焊絲直徑下加強套環位置對焊縫熔影響

圖9為不同加強套環條件下焊縫熔合區微觀組織圖。可以看出，圖9c的整體焊接質量最好，熔合區顯微焊接缺陷數量最少缺陷最小。同樣條件下圖9a、圖9e(低、高加強套環位置工藝下)沿著焊縫則存在較多的缺陷。這是因為齊加強位置對比低、高位置下，焊接時緊固力均勻，并且高度平齊情況下更加有利于焊縫成形。并且圖9中2.5 mm焊絲情況下：齊加強套環位置條件下的焊接質量均優于其它位置。因此，縱觀2種條件下的數據加強套環相對波紋管端頭平齊時焊接質量最好。

圖9 不同加強套環位置顯微組織圖

3.4 波紋管與接管間隙對焊接質量的影響

根據上述研究結果，確定氬氣保護下1.6 mm焊絲直徑齊加強套環位置為最優焊接工藝參數，但是在生產實際中，波紋管與接管間隙由于一些情況會較難準確把握。而不同的間隙對焊接質量也會存在影響。所以在1.6 mm焊絲直徑、齊加強環位置、不同波紋管與接管間隙條件下，綜合分析了焊接質量及焊縫力學性能。

圖10為最優焊接工藝下不同波紋管與接管間隙(0.5 mm，1 mm，2 mm)下的熔深測量結果。結果表明：3種工藝下的熔深分別為3.2 mm，2.7 mm，2.9 mm。0.5 mm間隙下熔深最大，這是由于小間隙會使波紋管與接管的焊接熔合更加容易。圖11為0.5 mm，1 mm，2 mm波紋管與接管間隙下的焊縫金相組織?？梢郧逦目闯?，3種條件下的熔合區都未見明顯焊接顯微缺陷，成形質量均良好。綜合以上有氬氣保護下、1.6 mm焊絲直徑、105 A焊接電流、齊加強套環位置、0.5 mm波紋管與接管間隙條件下獲得最優的焊接質量。

圖10 波紋管與接管間隙條件下焊縫熔深

圖11 波紋管與接管間隙條件下顯微組織圖

對最佳工藝進行異種材料的焊接工藝的力學性能分析，采用美國 INSTRON 5500 萬能拉伸試驗機對異種材料焊接后的力學性能測試結果為，抗拉強度551 MPa±10 MPa、屈服強度為240 MPa±5 MPa、斷后伸長率≥43.2%。對異種鋼焊接接頭進行硬度測試，儀器為顯微維氏硬度計HVS-1000Z，測量結果為：316Ti母材處：176 HV±8 HV；焊縫處：185 HV±2 HV；16Mo3接管處：179 HV±2 HV。符合EN ISO 17639標準要求。

4 結論

(1)在波紋管與接管的多道氬弧焊焊接工藝設計中，氬氣保護、焊絲直徑、加強套環的位置、波紋管與接管間隙均會影響焊縫成形質量，尤其是熔深的大小。

(2)文中12層薄壁波紋管環焊縫最優焊接工藝參數為有氬氣保護下、1.6 mm焊絲直徑、105 A焊接電流、齊加強套環位置、0.5 mm波紋管與接管間隙。