杨乙云
中国能源建设集团广东火电工程有限公司 广东省广州市 510000
摘要：不锈钢管焊接时内侧焊缝充氩保护是一个比较麻烦的问题,当管径较大、管路较长时,如直接向管内充氩,将会大量浪费氩气,增加工程成本。本文对钢管道焊接防止背面氧化工艺进行分析，以供参考。
关键词：钢管道焊接；背面氧化；工艺探讨
引言
当充满气体(如空气)的接头底部空隙被熔融金属覆盖时,气体膨胀受到阻碍,将向熔融金属产生压力,而形成气泡。若气泡来不及逸出,则留在焊缝根部形成机械气孔;若在空隙中存在其它能产生气体的杂物或气体吸附媒介,机械气孔产生的趋势将增大。
1奥氏体与铬钼材质不锈钢管道焊接缺陷
从材质的性能角度来看，奥氏体不锈钢的塑性和韧性较好。但是，在焊接作业过程中，由于热循环的影响，部分焊接接头会出现较多的问题，包括热裂纹、高温脆化、敏化腐蚀、变形较大等问题。另外在焊接过程中受到高温影响，不锈钢会产生合金元素烧损，从而导致氧化问题。而在奥氏体不锈钢和铬钼耐热钢进行对接的焊接作业过程中会受到不同材质成分的影响，导致稀释焊缝的合金成分，同时也会出现凝固过渡层以及碳迁移过渡层。同时由于两种钢的材质具有不同的膨胀系数，因此在同时焊接过程中会产生较大的残余应力，这些应力将直接导致焊接缝的抗拉能力和强度被削减。尤其是在长期高温循环的工作环境中，焊接缝会受到应力影响，出现热疲劳或者产生热裂纹，这些都不利于生产的安全管理。
2用橡胶堵板的充氩保护方法
在管内距焊口两侧各100mm处,设置一对用铁丝连接的橡胶板,板厚为3～5mm,板的内外两侧用夹板支撑。在其中的一块堵板上装一直径为3～5mm的金属软管,焊接时向管内充氩,焊完后,通过金属软管将橡胶板拉出。为使焊接时熔合处得到更好的保护,并节省氩气用量,事先可用胶带封住一段管口,仅留出焊工一次连续焊接的焊缝长度,焊完这段后,撕开相同长度的胶带,然后再施焊,依此类推,直至焊接完成。
3气孔形成机理
(1)衬垫上残留杂物的可能性。在施工过程中,贴好衬垫后未及时施焊,又未及时采取可靠的保护措施,使铁锈、灰尘、砂子等杂物掉入坡口内。施焊前虽用毛刷进行清理,但柔性陶质衬垫本身间隙内以及衬垫与母材缝隙间的杂物很难清理干净。(2)焊缝间隙内的夹渣物微粒一般呈粉状、片状,不均匀且疏松分布,形成许多充满气体的微小空间,尤其是在气候潮湿的环境中,夹杂物更容易吸附水分,焊接时,这些水分在电弧热作用下气化,导致气孔产生。(3)在焊接热作用下,背面间隙杂质发生化学反应产生气体。结晶时,产生大量的微气孔,在热作用下,微气孔迅速膨胀,由于衬垫与母材间隙被金属熔液充满,气体不能及时从焊缝背面逸出,而只能经过溶池逸出,但CO2气体保护焊熔池结晶速度很快,因此大部分气体残留在熔池底部,最终在焊缝根部形成气孔。
4焊接工艺要点差异
4.1坡口加工
根据P91焊接技术规范要求，对管道材料的切割和坡口加工必须采用机械加工，严禁使用火焰或等离子弧切割下料，而国内焊接技术规程中允许使用等离子弧切割下料，并留有少量加工余量。
4.2定位焊
依据阿美标准，管径≤101.6mm的需要3个等间距的定位焊点，管径＞101.6mm的至少需要4个等间距的定位焊点。推荐的定位焊焊缝厚度为3.2～4.8mm，长度为12.5～25.4mm，而国内规程中未对定位焊点数量和尺寸做具体要求。
5焊接过程
4.1充氩停止
对P91钢焊缝背部停止充氩的条件有明确要求，即焊缝背部充氩必须待热焊层结束或者熔敷金属厚度达到6mm(取两者间的较大值)，确保根部焊缝不氧化。而在国内规程中并没有明确停止焊缝背部充氩的条件。
4.2层间温度
国内相关规程要求焊条电弧焊的最高层间温度为250℃。因P91预热温度为200℃，焊接时250℃的层间温度容易超出，相比较，阿美标准规定的层间温度要求执行起来更容易，可操作性强。
4.3焊接技术
要求焊条摆动宽度不能超出焊条直径的3倍，国内规程在对P91钢焊接工艺的特殊要求中规定焊道宽度不允许超出焊条直径的3倍。
4.4后热
国内规程对于后热之后的P91焊缝的处置没有要求。根据焊接技术规范要求，待焊缝后热结束冷却以后，需采用防水材料将焊缝和热影响区包裹起来避免与空气中的湿气接触，直至热处理开始前方可拆除。
5现今不锈钢管道焊接中采用的焊缝背面保护方法介绍
5.1背面加衬垫法
具体操作是在焊缝背面加设衬垫以承托熔池金属，以此实现对其冷却凝固过程的控制，获得良好的背面成形，因此也被称作焊缝强制成形，该方法的主要形式有三种，分别是铜衬垫、焊剂衬垫和焊剂—铜组合衬垫。这一方法的局限性十分明显，特定条件下在管道内部布设衬垫比较困难，在我公司很少使用。
5.2管道焊口内侧通气保护
不锈钢管焊接作业中采用的保护气体主要是氩气，属于惰性气体。氩气的特点是耐高温且不与焊缝金属发生化学反应，因此应用较为广泛。管道焊口内侧采用堵板封堵焊口两侧，焊口外侧采用锡箔纸胶带粘贴封堵。
6不锈钢管道焊接背面氧化防止工艺的改进
想要有效防止不锈钢管道焊接背面氧化烧损现象的发生，可以从以下几个方面入手对焊接工艺进行改进：首先，针对里口保护气中混入过多氧气导致焊道和热影响区被氧化烧损的问题，只需要将保护气中的氧气排除即可。对此，我们采用锡箔纸和堵板等材料进行封堵，向管内充入氩气将空气置换出来，采用合适的充气方式防止管内侧出现气体涡旋；同时可以提高保护气纯度，如采用纯度为99.99%的氩气作为保护气。其次，采用置换方式排出不锈钢管内空气时，基于氩气密度大于空气的特点，应遵循低充高排的原则进行操作，并酌情增加操作时间。第三在正式开始焊接前，提前充入保护气，同时通过燃烧的电弧将其中混入的氧气烧除，如此就可以从源头上降低焊道背面被氧化的风险。同时，滞后停气可以保障焊道在断弧后的一段时间内仍旧处于氩气的保护之中，直至顺利冷却。第四，在封坡口时采用具有良好密封性能的锡箔纸胶带，防止焊接开始时空气经由坡口进入管道。并使用具有提前送气、滞后停气功能的专业焊机和高频引弧焊枪，边撕纸边焊接，撕开锡箔纸的焊口部位一次焊完，避免出现断弧操作。第五，焊接过程中，尽量采用小参数对称焊接，严格控制层间温度，尽可能的提高焊接速度，最大程度的减少焊接过程中的热量输入，防止背面焊道在高温下出现氧化烧损现象。最后，在焊接过程中在焊缝两侧可以缠绕循环水冷却铜管进行降温操作，或是在焊道两侧缠绕棉湿布，这样可以加快焊道的冷却速度，防止氧化烧损的发生。
结束语
综上所述，在针对奥氏体不锈钢以及铬钼耐热钢进行异种焊接的过程中，合理的选择焊接工艺，选择匹配性最强的焊接方法，在焊接过程中注意高质量的焊接作业方式，并且合理的控制相关参数，能够进一步提升异种焊接的质量，减少焊缝裂纹以及性能下降对整体结构的影响。本文通过实际案例讲解论述了不同焊接工艺的实际应用方式，可以作为丰富异种材料管道焊接技术体系的参考依据。
参考文献
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