管道内部氩气浓度对焊缝成型的影响

肖德铭,东岩,史文渊,张锡善

(天津电力建设公司,天津市,300380)

0 引言

马氏体钢、不锈钢等高合金钢在火电、核电、化工等领域有着广泛的应用,这些材料在焊接的过程中有一道共同的工序——根部保护,保护方式现在主要有气体保护(包括氩气、氮气或混合气体保护等)、涂抹保护剂、利用药芯焊丝等,其保护目的就是为了避免根部氧化、获得良好的焊缝成型和保证接头的机械性能。由于充氩保护方式的保护效果稳定、适应性强、成本相对较低,是现在工程中最常用的一种根部保护方式。

氩气浓度对马氏体钢、不锈钢等高合金钢的内部质量有着重要的影响,目前大部分检测管道内部氩气浓度的方法还是基于传统的测试法,即在管道焊缝密封预留处用打火机测试,当火焰熄灭时判断内部充氩效果达到要求,但这种传统测试方法往往会受到管道内部穿堂风的影响,会出现判断不准确的情况,造成施工管道焊口内壁氧化现象。目前关于充氩保护方式的研究报道在国内很多,但氩气浓度的大小对于马氏体钢、不锈钢等高合金钢的内部质量的影响则报道较少,因此有必要开展此方面的研究工作。

1 研究关键技术及控制点

(1)根部易氧化材料氩气保护浓度的测定;

(2)马氏体耐热钢 P91及奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti两种材质的氩气浓度测定对比;

(3)各种浓度的氩气对管道内部的保护效果的对比。

2 试验过程工艺控制

2.1 材料准备

本次试验采用了马氏体耐热钢 P91(规格为φ219mm×40 mm)及奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti(规格为φ185 mm×18 mm)两种材质进行,氩气选用99.99%高纯氩气进行。

2.2 试验分段

图1 管子分段示意图Fig.1 Schematic diagram of pipe sections

将管子分段(如图1)进行焊接,每一段采用不同的氩气流量及氩气浓度,将焊口预留一段进行测试焊缝的焊接,长度为 100mm左右,其他则全部密封。

2.3 测量方法

试验测量仪器型号为MD 2XP-3140的氩气分析仪。测量方法:设备调零后,将气体吸口对准测量部位(预留孔)进行测量,待浓度值显示稳定后,其显示数值则为实际浓度值。

2.4 试验过程

2.4.1 P91钢试验过程

在焊接过程中焊接电流固定(115 A),通过改变氩气流量及氩气浓度,来测定在不同氩气流量及氩气浓度的情况下,其保护效果的差异。

氩气流量范围为5～25 L/min,分别采集了流量为5,10,15,25 L/min流量下的保护效果值。

氩气浓度范围为 70%～100%,但为了测定氩气不足情况下的保护效果如何,额外测定了 47%一组数据。

相对应的试验数据见表 1,表中列出了不同氩气流量和氩气浓度配比下根部的保护效果,表中预留孔长度为约数。

表1 氩气浓度及保护效果对比表(P91钢)Tab.1 Effect of argon concentration on weld protection(P91 steel)

2.4.2 1Cr18Ni9Ti试验过程

在焊接过程中焊接电流固定(90 A),其他试验过程和 P91钢试验基本相似,但对于节门到头的情况没有测定,具体试验数据见表 2。

表2 氩气浓度及保护效果对比表(1C r18Ni9Ti钢)Tab.2 Effect of argon concentration on w eld protection(1Cr18Ni9Tisteel)

3 试验结果分析

(1)从表1、表2可以看出,P91和1Cr18Ni9Ti两种材质,氩气浓度在70%以下,流量在10 L/min以下,则保护效果差,根部成型外观不好,如试验中 P91测定了47%、1Cr18Ni9Ti测定了60%,保护效果起的作用很小,根部存在氧化;

(2)P91氩气流量在15 L/min,氩气浓度达到85%时,保护效果达到常规中对于焊缝根部的质量及外观需求;

(3)1Cr18Ni9Ti氩气流量为15 L/m in,氩气浓度达到 90%时,保护效果达到常规中对于焊缝根部的质量及外观需求;

(4)在浓度及流量进一步提高的情况下,保护效果更好,但经济性较差。

4 结论

(1)针对马氏体耐热钢(P91)及奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)两种材质的氩气保护效果的测定,通过对保护效果及经济性的综合对比考虑,确定了最佳氩气浓度及氩气流量的范围为:即氩气流量为15 L/min;氩气浓度为马氏体耐热钢在85%～90%之间,奥氏体不锈钢在90%以上。

(2)通过试验表明,氩气浓度的大小对焊缝根部的保护效果有很大的影响,管道内部氩气浓度是制约焊缝内部质量的关键,是保障焊接质量的重要环节。

(3)按照试验采集到的数据在实际工作中的应用得知,在保证焊缝的质量的前提下可节约大量氩气。

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