制造哈氏合金管路系统时的焊接要求和背气保护

制造哈氏合金管路系统时的焊接要求和背气保护 背景 制造厂都需要为客户安装管路系统，而且安装管路一般不可能进入到管路里面进行焊接。在这 种情况下，就要使用开口管路焊接技术或者自耗嵌块的焊接技术。由于哈氏合金的自耗嵌块一 般不容易买到，所以一般使用 GTAW的开口管路焊接技术来打底。 当使用这些单面焊接技术的时候，一定要使用惰性气体保护接口的根部在焊接中不被氧化（通 常是焊接级氩气）。这种在管子内部进行保护的技术就叫做背气保护。 如果没有很好的保护，根部就会产生像酥糖一样的氧化层。图 1 就是这样一个打底焊接，母材 是 8”的 Hastelloy® C-22®管材。当根部焊接不合格时，管内壁的焊缝表面发黑、粗糙，而且根 部的截面不规则。当发生这种情况时，熔化的焊接金属没有“润湿”基体金属。这种状况下继 续焊接变的困难，而且几乎不可能通过拍片检验。这种情况下通常可能发生的焊接缺陷有，渗 透不足，熔深不足和根部焊接开裂。 经过实验表明，背气保护的焊接技术可以完成合格的哈氏合金开口焊接打底，比如焊接 Hastelloy® C-22®的管材。以下就是实验室的一些工作。 背气保护技术 通常有两种来对管材的打底焊接区域进行背气保护。一般建议对整个管路进行充气。根据 不同的管径和管长，充气时间列于表 1。另一种方法就是对焊接区域的管路进行局部充气，这 种方法是比较好的。一些出版的文章中有许多种制作密闭塞的方法，包括水溶性的塞子，膨胀 塞，可折叠的圆盘塞和热熔性的塞子。 背气保护通过以下两个步骤来实现。第一步，安装塞子然后对焊接区域的管道内进行充气。第 二步，继续充气同时进行焊接。 在本文进行的实验中只使用了水溶性的塞子。为了保证保护气最平稳的进入焊接区域，同时充 气时间最短，我们在一个充气塞子的底部加入了一个扩散设备。焊接区域的保护气流速为 18.88 升每分钟（L/min）。这种流速能使 8”管子内的氧气含量在 5分钟内降到 5000ppm。5000ppm的 氧气含量对焊接镍基合金来说已经是可以接受的了。 一些焊接的文章建议背气保护的流速可以低一些（刚刚能在出口处检测到就可以了），而且它和 焊枪处的保护气流速没有关系。在本次实验中证明背气和焊枪保护气的流速选择都对打底的焊 接质量有重要的影响。 另外，我们还看到保持适当的背气和焊枪保护气流速的比例（大约 4：1）对焊好根部焊接也是 必需的。对哈氏合金的焊接来说，我们建议的背气流速为 18.88L/min，焊枪保护气的流速为 4.72L/min。图 2显示了保持保护气流速比例对打底得重要性。 需要注意的是，在焊接之前，焊接区域管道内的氧含量已经控制在 5000ppm以下，这时焊出了 一个合格的焊缝。然后当保护气流速颠倒时，焊出的焊缝就不合格了。由于在开始焊接的时候 背气保护的纯度是足够的，焊接不合格的原因就仅仅是因为保护气的流速了。 焊枪处流速的选择（4.72L/min）相对一般建议焊接哈氏合金所用的流速要低一些。但是这并不 影响在正面得到和用其他方法保护一样的光亮焊缝。 焊接技术 对管材的焊接和保护有以下 6个要点。 1． 管头准备 2． 安装保护气塞 3． 固定管材位置 4． 对焊接区域进行充气 5． 点焊固定 6． 密封焊接 1． 对管头的准备对整个焊接来说是非常重要的。图 3 为典型的焊接准备图。建议焊接坡口为 70度。 另外，管材靠近焊接端的 25mm内要清洁打磨到光亮金属，车/打磨出像图 3一样的钝边。 在车加工及打磨完毕后，对整个区域进行彻底的清洁和去脂。 要注意的是管子本身总有一定的椭圆度，这样在定位和焊接时就会造成内壁的错边，有时 候必须要通过沉孔来校正使内壁的错边量控制在可接受的范围。 2． 除了热熔性的塞子之外，以上讨论的所有保护气系统都可以用于焊接哈氏合金管路。要保 证保护气尽可能稳定的充满焊接区域，建议使用一个保护气扩散装置。图 4 为一种可行的 设计，用来焊接直径大的管材，可以现场焊接。对于具体的焊接，要在这个基本的设计上 进行相应的改动。保护气塞要尽可能深入，以免焊接的时候被损坏。 3． 管子的定位要非常小心来达到合适的管子之间的根部间距。建议根部间距要比焊丝直径大 0.8mm。这样即使在点焊和密封焊时发生收缩，也同样可能进行焊丝的操作。 4． 焊接区域保护气的流速大约为 18.88L/min。沿着环向进行密封焊接，在顶端留一个小口。 目的是让保护气从焊接区域的下面进上面出。如果是立焊位置，保护气从下面的塞子处进 入，从上面塞子的小孔流出。通常，当流速和时间都确定了，焊接之前大概需要流出 5-6 倍于焊接区域体积的气体。 5． 在密封焊之前，点焊是必要的。它能够使两段管材在密封焊时保持不动。点焊要足够大而 且足够围绕环缝，这样根部的间距就能依然比焊丝直径大。总的来说，除了要进行焊接的 区域之外，焊接接头要保持密封。 建议打磨点焊到削边的部分。这样密封焊就会和点焊贴合在一起，不会留下可能被拍片拍 出来的缺陷。 点焊和密封焊的流速为：背气 18.88L/min，焊枪保护气 4.72L/min。其他焊接参数见表 1 焊枪的位置和焊丝位置要垂直来保证好的底层焊接。图演示了如何对管材进行氩弧焊时焊 枪和焊丝的位置。 焊枪和焊丝的操作是在两边来回点，这样就会形成一个钥匙孔。每次在一边点两下，然后 到另一边点两下，就这样来回操作。焊材一般放在根部开口的地方。如果开口闭合了，焊 丝不能伸入根部开口，焊接的强度就会受影响。 6． 密封焊和点焊差不多。除了要进行焊接的区域之外，焊接接头要保持密封。在密封焊的最 后，保护气流速要调低，这样不会因为保护气压力过高对塞子造成破坏。通常建议前两道 焊接都要进行背气保护。这样就不会因为后续的焊接使根部焊接严重氧化。 盖面焊接的工艺就留给焊接工程师来进行选择了。 表 1 建议焊接参数（开口管路焊接 GTAW） 坡口设计 70度，见图 3 基材 各种 Hastelloy®合金 基材厚度 小于 12.7mm 焊材 各种 Hastelloy®合金焊材 焊材直径 2.4mm（可以使用 1.6mm，但钝变开口要调整） 预热温度 室温 层间温度 93℃ 保护气 100%焊接极氩气，流速 4.72L/min 背气 100%焊接极氩气，流速 18.88L/min 焊接技术 焊枪和焊丝位置见图，打磨焊接开端和结束的 地方（包括固定焊和密封焊） 清洁 使用不锈钢刷子 图 1 使用不适当背气保护打底的照片 图 2 不同保护气流速得到的焊接结果 不合格的焊接 保护气流速：背气 – 4.72L/min，焊枪 – 30CFH 合格的焊接 保护气流速：背气 – 18.88L/min，焊枪 – 4.72L/min 图 3 坡口设计图 图 4 能够现场制作的扩散器 图 5 建议焊枪和焊丝的位置