無人孔不銹鋼容器的焊接工藝

GXF360 2017-08-25

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【摘要】針對焊縫背面氧化問題發(fā)生的根本原因，從焊接工藝方面提出了三種改進措施，現(xiàn)已在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，有效地解決了該問題。

關(guān)鍵詞：不銹鋼容器；焊接工藝；焊接氧化；背面保護

1. 概述

在奧氏體不銹鋼容器的焊接過程中，背面通常使用氬氣或氮氣作為保護氣體。若背面沒有得到很好的保護，就會導(dǎo)致焊縫背面產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致焊接接頭的塑韌性嚴(yán)重下降。特別是在對設(shè)備內(nèi)部清潔度具有很高要求的食品和制藥等行業(yè)，使用此種有潛在焊接問題的容器，將可能造成食品安全事故。因此在這些行業(yè)，不銹鋼產(chǎn)品內(nèi)部氧化問題則顯得更加重要。然而，為了控制產(chǎn)品制造成本，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單的容器，制造商經(jīng)常在設(shè)計時取消人孔部件，這就導(dǎo)致了焊工無法進入容器內(nèi)部進行焊接，從而容易引起焊縫背面氧化問題。本文即針對大容器且無人孔的容器焊接，提出了三種解決方案，可有效地預(yù)防該問題。

2. 原因分析

經(jīng)分析認為，不銹鋼焊接的背面氧化問題最根本原因，是由于背面的保護氣體中的氧含量較高。在AWS D18.1—2009中試驗表明，焊接背面保護氣體中的氧含量應(yīng)在50ppm（ppm＝10-6）以下，才能夠獲得圖1中的編號1～3銀白色或者草灰色的氧化色，而除此之外的焊接氧化色等級均為不可接受的。對于不銹鋼容器合攏縫的焊接，造成氧含量超標(biāo)最主要的原因即為容器的容積過大，造成空氣無法完全置換。因此如何使熔池避免接觸氧氣，就成為解決不銹鋼焊接背面氧化問題的主要切入點。

3. 解決方案

（1）不銹鋼襯圈的使用在合攏縫使用不銹鋼襯圈是一種有效解決背面氧化問題的方法，也是一種降低不銹鋼容器制造難度的常見方法。襯圈的存在可以有效地阻擋來自背面的氧氣，避免高溫的熔池受到氧化，但仍需要注意以下情況：①由于襯圈的使用會降低焊接接頭系數(shù)，并有可能在襯圈縫隙處積液從而誘發(fā)縫隙腐蝕。因此是否可以增加襯墊，應(yīng)當(dāng)建立在容器焊接接頭強度和介質(zhì)耐蝕性要求允許的基礎(chǔ)上。②容器的封頭和筒體間可能存在內(nèi)徑尺寸上的偏差，此時應(yīng)選用兩者中較小的直徑作為襯圈的直徑，將組焊襯圈先點焊在較大直徑的內(nèi)部（見圖2），先進行預(yù)打底焊接，再組對較小直徑的部件，這樣可以避免過大的間隙造成背面氧化。另外一種方法，是可以先使用專用設(shè)備將襯圈卷曲為中間略微凸起的樣式（見圖3），則更加便于封頭與筒體的組對，且可以減少組對間隙，防止焊接背面氧化。③根部焊接仍然需要采用鎢極氬弧焊進行打底焊接，若采用其他的焊接方法（如熔化極氣體保護焊），將很有可能因熱輸入過大，導(dǎo)致熔化的金屬流入縫隙內(nèi)部，在射線檢測底片上出現(xiàn)夾渣等缺陷。鎢極氬弧焊打底完成后，可以更換采用熔化極氣體保護焊或埋弧焊等更為高效的焊接方法，以提高生產(chǎn)效率。

圖1 奧氏體不銹鋼管內(nèi)部的焊接氧化色等級

（2）水溶性紙的使用傳統(tǒng)上在焊接大容積不銹鋼容器時，經(jīng)常使用龐大的橡膠氣囊，泡沫墊或圓紙板，這些輔助材料可以有助于減少氬氣的使用量，使內(nèi)部可以充分置換，從而提高焊接根部的保護效果。但也存在很多缺點，包括占用空間大等，特別是當(dāng)容器為無人孔容器時，存在無法在合攏縫焊接后取出或難以取出等問題。

水溶性紙是一種能快速的完全溶解于水等大部分液體中的紙張（見圖4），其具有占用空間小、節(jié)省氬氣等優(yōu)點。在組對無人孔不銹鋼容器的最后一道合攏縫前，可以使用剪刀將水溶性紙剪成圓板，并使用水溶性膠帶粘貼在筒體內(nèi)部。這樣既可以縮小內(nèi)部充氬氣的空間，又增強打底焊接時背面的保護效果。

（3）GTAW藥芯焊絲的使用GTAW藥芯焊絲是一種專門用于奧氏體不銹鋼打底焊接的焊絲，由鋼帶卷曲加工時內(nèi)部添加藥粉而制成，可用于難以進行背面充氬氣保護的場合。在焊接過程中,由于密度較高，熔化藥皮會滲透到熔池背面，形成一層致密的保護膜，使背面不受氧化。使用它可以簡化焊接工藝，提高生產(chǎn)效率，并可降低生產(chǎn)成本。

試驗表明，使用GTAW藥芯焊絲可以對背面焊縫進行有效保護，但當(dāng)熱輸入較高時，因為熱影響區(qū)沒有熔渣保護，會有部分氧化的情況（見圖5），故應(yīng)對熱輸入和層間溫度加以控制。而對于內(nèi)部氧化色等級要求較高的情況，應(yīng)謹慎考慮采用GTAW藥芯焊絲的焊接工藝。另外，在使用GTAW藥芯焊絲時，應(yīng)注意保證組對時有一定間隙，以利于熔渣向下滲透。也因熔渣的密度較高，故其僅適用于打底焊接，而不能用于兩層及以上焊接，否則可能在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生夾渣缺陷。

GTAW藥芯焊絲除了能夠用于不銹鋼的打底焊接，另一個主要用途是用于不銹鋼零部件組對時的定位焊。傳統(tǒng)上在組對不銹鋼零部件時常用兩種方法：①提前在內(nèi)部通氬氣后，在坡口根部定位焊。②不提前通氬氣，在坡口內(nèi)部搭橋焊，并于正式焊接前將其打磨掉。但是這兩種定位焊的方法都會產(chǎn)生較多的輔助工時。而使用GTAW藥芯焊絲進行定位焊，則可以在獲得良好的根部焊縫的基礎(chǔ)上，較多地降低輔助工時，從而提高作業(yè)效率。