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      制造哈氏合金管路系統時的焊接要求和背氣保護
      發布日期:2022-07-11
      背景
      制造廠都需要為客戶安裝管路系統,而且安裝管路一般不可能進入到管路里面進行焊接。在這種情況下,就要使用開口管路焊接技術或者自耗嵌塊的焊接技術。由于哈氏合金的自耗嵌塊一般不容易買到,所以一般使用 GTAW 的開口管路焊接技術來打底。
      當使用這些單面焊接技術的時候,一定要使用惰性氣體保護接口的根部在焊接中不被氧化(通常是焊接級氬氣)。這種在管子內部進行保護的技術就叫做背氣保護。
      如果沒有很好的保護,根部就會產生像酥糖一樣的氧化層。圖 1 就是這樣一個打底焊接,母材是 8”的 Hastelloy® C-22®管材。當根部焊接不合格時,管內壁的焊縫表面發黑、粗糙,而且根部的截面不規則。當發生這種情況時,熔化的焊接金屬沒有“潤濕”基體金屬。這種狀況下繼續焊接變的困難,而且幾乎不可能通過拍片檢驗。這種情況下通??赡馨l生的焊接缺陷有,滲透不足,熔深不足和根部焊接開裂。 經過實驗表明,背氣保護的焊接技術可以完成合格的哈氏合金開口焊接打底,比如焊接Hastelloy® C-22®的管材。以下就是實驗室的一些工作。
      背氣保護技術
      通常有兩種方法來對管材的打底焊接區域進行背氣保護。一般建議對整個管路進行充氣。根據不同的管徑和管長,充氣時間列于表 1。另一種方法就是對焊接區域的管路進行局部充氣,這種方法是比較好的。一些出版的文章中有許多種制作密閉塞的方法,包括水溶性的塞子,膨脹塞,可折疊的圓盤塞和熱熔性的塞子。 背氣保護通過以下兩個步驟來實現。第一步,安裝塞子然后對焊接區域的管道內進行充氣。第二步,繼續充氣同時進行焊接。
      在本文進行的實驗中只使用了水溶性的塞子。為了保證保護氣最平穩的進入焊接區域,同時充氣時間最短,我們在一個充氣塞子的底部加入了一個擴散設備。焊接區域的保護氣流速為 18.88升每分鐘(L/min)。這種流速能使 8”管子內的氧氣含量在 5分鐘內降到 5000ppm。5000ppm的氧氣含量對焊接鎳基合金來說已經是可以接受的了。 一些焊接的文章建議背氣保護的流速可以低一些(剛剛能在出口處檢測到就可以了),而且它和焊槍處的保護氣流速沒有關系。在本次實驗中證明背氣和焊槍保護氣的流速選擇都對打底的焊接質量有重要的影響。
      另外,我們還看到保持適當的背氣和焊槍保護氣流速的比例(大約 4:1)對焊好根部焊接也是必需的。對哈氏合金的焊接來說,我們建議的背氣流速為 18.88L/min,焊槍保護氣的流速為4.72L/min。圖 2 顯示了保持保護氣流速比例對打底得重要性。
      需要注意的是,在焊接之前,焊接區域管道內的氧含量已經控制在 5000ppm以下,這時焊出了一個合格的焊縫。然后當保護氣流速顛倒時,焊出的焊縫就不合格了。由于在開始焊接的時候背氣保護的純度是足夠的,焊接不合格的原因就僅僅是因為保護氣的流速了。
      焊槍處流速的選擇(4.72L/min)相對一般建議焊接哈氏合金所用的流速要低一些。但是這并不影響在正面得到和用其他方法保護一樣的光亮焊縫。
       
      焊接技術
      對管材的焊接和保護有以下 6 個要點。
      1. 管頭準備
      2. 安裝保護氣塞
      3. 固定管材位置
      4. 對焊接區域進行充氣
      5. 點焊固定
      6. 密封焊接 
      1. 對管頭的準備對整個焊接來說是非常重要的。圖 3 為典型的焊接準備圖。建議焊接坡口為70 度。 另外,管材靠近焊接端的 25mm 內要清潔打磨到光亮金屬,車/打磨出像圖 3 一樣的鈍邊。在車加工及打磨完畢后,對整個區域進行徹底的清潔和去脂。
      要注意的是管子本身總有一定的橢圓度,這樣在定位和焊接時就會造成內壁的錯邊,有時
      候必須要通過沉孔來校正使內壁的錯邊量控制在可接受的范圍。
      2. 除了熱熔性的塞子之外,以上討論的所有保護氣系統都可以用于焊接哈氏合金管路。要保證保護氣盡可能穩定的充滿焊接區域,建議使用一個保護氣擴散裝置。圖 4 為一種可行的設計,用來焊接直徑大的管材,可以現場焊接。對于具體的焊接,要在這個基本的設計上
      進行相應的改動。保護氣塞要盡可能深入,以免焊接的時候被損壞。
      3. 管子的定位要非常小心來達到合適的管子之間的根部間距。建議根部間距要比焊絲直徑大0.8mm。這樣即使在點焊和密封焊時發生收縮,也同樣可能進行焊絲的操作。
      4. 焊接區域保護氣的流速大約為 18.88L/min。沿著環向進行密封焊接,在頂端留一個小口。目的是讓保護氣從焊接區域的下面進上面出。如果是立焊位置,保護氣從下面的塞子處進入,從上面塞子的小孔流出。通常,當流速和時間都確定了,焊接之前大概需要流出 5-6
      倍于焊接區域體積的氣體。
      5. 在密封焊之前,點焊是必要的。它能夠使兩段管材在密封焊時保持不動。點焊要足夠大而且足夠圍繞環縫,這樣根部的間距就能依然比焊絲直徑大??偟膩碚f,除了要進行焊接的
      區域之外,焊接接頭要保持密封。
      建議打磨點焊到削邊的部分。這樣密封焊就會和點焊貼合在一起,不會留下可能被拍片拍
      出來的缺陷。
      點焊和密封焊的流速為:背氣 18.88L/min,焊槍保護氣 4.72L/min。其他焊接參數見表 1
      焊槍的位置和焊絲位置要垂直來保證好的底層焊接。圖演示了如何對管材進行氬弧焊時焊
      槍和焊絲的位置。
      焊槍和焊絲的操作是在兩邊來回點,這樣就會形成一個鑰匙孔。每次在一邊點兩下,然后
      到另一邊點兩下,就這樣來回操作。焊材一般放在根部開口的地方。如果開口閉合了,焊
      絲不能伸入根部開口,焊接的強度就會受影響。
      6. 密封焊和點焊差不多。除了要進行焊接的區域之外,焊接接頭要保持密封。在密封焊的最后,保護氣流速要調低,這樣不會因為保護氣壓力過高對塞子造成破壞。通常建議前兩道
      焊接都要進行背氣保護。這樣就不會因為后續的焊接使根部焊接嚴重氧化。
      蓋面焊接的工藝就留給焊接工程師來進行選擇了。
      表 1

       

      坡口設計
      70 度,見圖 3
      基材
      各種 Hastelloy®合金
      基材厚度
       小于 12.7mm
      焊材
      各種 Hastelloy®合金焊材
      焊材直徑
      2.4mm(可以使用 1.6mm,但鈍變開口要調整)
      預熱溫度
      室溫
      層間溫度
       93
      保護氣
      100%焊接極氬氣,流速 4.72L/min
      背氣
      100%焊接極氬氣,流速 18.88L/min
      焊接技術
      焊槍和焊絲位置見圖,打磨焊接開端和結束的地方(包括固定焊和密封焊) 清潔 使用不銹鋼刷子
      清潔
      使用不銹鋼刷子

       

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