不锈钢管内充氮保护的TIG焊工艺

1、奥氏体不锈钢管内充氮保护的TIG焊工艺 摘 要 在丘陵120104Nm3/d气体处理装置工程中,采用价格低廉的氮气代替氩气充入0Crl8Ni10Ti不锈钢管内进行的TIG焊工艺试验表明：不锈钢氩弧焊焊缝背面充氮保护可有效防止焊缝背面氧化，氮无明显的溶入反应，对焊缝的组织和性能无不利影响，焊接质量可满足工程需要，且比充氩保护降低成本30以上。主题词 不锈纲 焊接 气体 保护 工艺 试验1、序言 钨极氩弧焊(以下简称TIG焊)由于易获得高质量的焊缝，尤其能获得优良的单面焊双面成形焊缝，在石油化工及电力建设等施工中得到了广泛的应用。但在用于不锈钢等高合金钢焊接时，焊缝背面必须进行充氩保护。由于氩气价

2、格昂贵，往往造成焊接成本的较大提高，工程实践表明，用于焊缝背面保护的用气量占整个TIG焊接用气量的6080。因此，近年来国内外相继开发了背面保护软垫、背面保护焊剂、药芯焊丝等保护工艺，但在使用中仍存在价格昂贵,使用不便等一些问题，影响了推广应用。 氮是一种惰性气体，某些特性与氩接近，且来源较广，价格仅为氩的5-10，工程中以氮代氩进行不锈钢T1G焊的焊缝背面保护无疑对降低施工成本具有重要价值。我们对0Cr18Ni10Ti钢管进行焊缝背面充氮保护工艺试验，研究管内充氮对焊接过程的影响，提出充氮保护工艺的可行性，并找出适合生产需要的管内充氮的T1G焊工艺参数。2 充氮保护TIG焊工艺试验2.1 试

3、验条件 选用0Cr18Ni10Ti无缝钢管，规格1146，焊丝牌号HO0Cr2lNi10，直径2.5mm，焊丝及母材的化学成分见表1。选用直径2.5mm的铈钨极，氩气为工业一级纯氩，纯度9995，含水量50mg/m3；氮气为工业一级纯氮，纯度995，含水量50 mg/m3。 焊缝背面采用管内整体充氮方法，充气参数的选择符合下式： U=1-e-k“99.9 式中 u充氮区域内氮浓度 e自然对数的底 K充装系数，K=QA Q充气量 A充气区域容积焊前采用化学方法或机械方法将不锈钢焊件坡口附近及焊材表面的油污清理干净，然后用不含硫的丙酮或乙醇进行脱脂处理。表1 焊丝、母材及焊缝的化学成分项目CMnS

4、iSPCrNiTi母材0.051.350.730.0060.02917.849.650.28焊丝0.051.680.590.0190.02118.669.650.10充氩焊缝0.061.590.450.0090.01718.269.420.17充氮焊缝0.051.370.450.0100.03218.269.370.172.2 工艺性能试验用正交试验法优化焊接工艺参数，确定选表2所列参数焊制试件(一组包括三个试件，预充气10min后施焊)，焊后进行焊缝外观及射线探伤检验，结果X射线探伤检验全为I级(按JB4730-94标准)，焊缝根部成形良好，无氧化夹渣、无根部熔合不良及焊瘤等现象，焊缝背面颜

5、色为金属本色银白色。表2 焊接工艺参数表试件编号焊接电流(A)焊接电压(V)焊接速度(cm/min)正面保护气流量(L/min)背面保护气流量(L/min)充氮18012-144-58-123-5210012-144-58-128-1238012-144-58-123-5410012-144-58-128-12充氩58012-144-58-123-568012-144-58-128-123、试验结果3.1焊缝的化学成分及力学性能焊缝的化学成分分析结果见表1。工程中不锈钢管主要在低温条件下使用，我们对焊接接头按照GB2651-89焊接接头拉伸试验方法、GB2653-89焊接接头弯曲及压扁试验方法

6、、GB2650-89焊接接头冲击试验方法规定进行了的力学性能试验，结果表明：所有接头拉伸试验均断于母材，b为508-596Mpa；弯曲无裂纹：焊缝冲击功60J，且充氮保护与充氩保护焊缝的冲击功无明显的差别；按照GB4334.585 “不锈钢硫酸硫酸铜腐蚀试验方法”进行晶间腐蚀试验，晶间腐蚀试样经16h煮沸后进行180弯曲(沿熔合线)，用10倍放大镜检查无裂纹，结果全部合格。3.2焊缝中铁素体和氮、氧含量测定用磁性铁素体测定仪根据GBl95480“铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体测量方法”测定焊缝中的铁素体含量，用红外线吸收分析仪测定焊缝中的氧、氮含量，结果见表3。从表3可以看出：背面充氮保护焊缝与背

7、面充氩保护焊缝中的氧、氮含量接近，且焊接电流及背面充气流量的变化未引起焊缝中的氧、氮较明显的规律性变化。由此可见，焊缝背面充氮保护对缝中的氧、氮含量影响很小，焊缝金属无渗氮、渗氧现象。 表3 焊缝中的氧(O)、氮(N)及铁素体(F)含量试件编号FON充氮16.50.010.0126.60.00690.01335.40.00890.01447.50.010.01充氩57.00.00720.01966.50.00830.012奥氏体不锈钢焊缝的铁素体含量一般保持在3-8%时，就可以获得良好的综合性能。试验测得焊缝中的铁素体含量均在此范围内。3.3焊缝显微组织的金相观察采用50%盐酸酒精溶液浸蚀后的

8、光学金相试样，用光镜和电镜观察焊缝的显微组织特征，图1所示为铁素体分布形态。图1 铁素体分布形态图一般奥氏体不锈钢的焊缝组织为奥氏体和铁素体的双相组织，有时在多层焊缝中可能出现对塑性和韧性极为不利的相，其中铁素体的形态、数量和分布对焊缝的韧性和耐蚀性有定影响。观察结果表明：焊缝中主要为任意分布的条状和球状铁素体(仅个别焊缝有极少量的蠕虫状的铁素体)，无树枝晶组织，也没有发现相，焊缝组织正常，充氮保护焊缝与充氩保护焊缝的显微组织结构无明显差别。 3.4焊缝中氮、氧分布图2焊缝中N元素分布曲线图3焊缝中N元素分布曲线图4焊缝中N元素分布曲线用JEX7100型电镜(SEM)对焊缝截面观察并用电子探针

9、(WDX SEMl000)进行N、O、Cr元素的分布及背面焊缝表面膜厚度分析，测得不同焊缝中N、O、Cr元素分布曲线见图2-4。由氮的分布曲线可见，在Cr分布急剧增加的焊缝表面膜中，氮在焊缝截面上分布基本是均匀的，无表面氮高峰出观，且充氮保护焊缝中氮的相对含量与充氩保护焊缝一致，O的分布曲线几乎为一条水平线，可见焊缝中的氧含量非常低，以至于用WDS无法分析出来，由此可见，充氮保护焊缝表面无氮化层存在，也无明显的渗氮、氧化现象，由Cr的分布曲线可以测出焊缝背面膜厚度约为15m。35 冲击断口观察及夹杂物分析图5 充氮试样冲击断口微观形貌图6 充氮试样冲击断口微观形貌用SEM（S-520）观察焊缝

10、冲击断口微观形貌（图5-6），充氮和充氩结果表明：常温冲击断口由剪切唇及纤维区组成，放射区消失，纤维区塑变痕迹明显，为典型的韧性断口，断口上分布的夹杂物较少，用EDX(能谱)分析表面夹杂物中含有Ti、Cr、Fe，而这些元素均与O、N有较高的亲和力。 4 试验结果分析TIG焊不锈钢焊接熔池般无冶金保护作用，若对熔池保护不良，会使焊缝成形变差，性能恶化。氮对液态金属的作用主要表现为溶解与反应。氮在铁中的溶解主要以原子形式溶入，可以计算出熔池中的最大溶解氮量为0.032，但氮对金属的作用还要受到合金元素、作用时间、作用界面及状态的影响，一般充氮保护时氮对熔池的作用很不充分，因此，氮在熔池中的溶入量将

11、受到限制，本试验测得焊缝中的实际氮含量小于0.019，与不锈钢母材中的氮的含量相当；用电子探针对焊缝中氮的分布分析表明，焊缝背面无氮化层存在；用电镜观察焊缝冲击断口形貌为典型的韧性断口，断口上夹杂物分布较少；宏观性能试验表明，焊缝性能良好，与充氩保护焊缝无明显差别。因此，TIG焊焊缝背面充氮保护可获得理想的焊接质量。5 工程应用在丘陵120104Nm3/d气体处理装置工程施工中，我们用氮气车对不锈钢管道进行内充氮保护，取得了成功。在保证工程施工质量的前提下，节约了大量的工程成本。为工程创优奠定了坚实的基础。6 结论从分析和工程应用结果,可得出如下结论：(1)TIG焊不锈钢时，焊缝背面充氮保护可有效地防止焊缝氧化，氮在焊缝中无明显的渗入与反应，对焊缝的组织和性能无不良影响，焊接接头性能优良，工艺可行。(2)充氮参数的选择应符合U=1-e-k，且U99.9要求，流量的选