不锈钢洁净管自熔焊技术工艺探讨

时间：2024-05-22

沈英杰 * 蔚道祥杨宇清宋玉

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

随着我国经济发展，市场对食品、饮料、轻化工等日用产品需求增大，为了适应市场需求，各生产企业不断加大市场投入、提高产品质量、增加市场占有率[1]。不锈钢洁净管道具有耐用、耐腐蚀和几乎无需维护表面等特性，因此其应用越来越广泛[2]。

某洗涤剂项目采用自熔焊技术的不锈钢洁净管道用于输送去离子水及洗涤原料[3-4]。在管道安装过程中，为了控制工程质量应选择符合要求的合格产品，关键是要确保管道焊接接头优质、安全、可靠，并对其焊接质量实施合理、有效的全过程管理控制。而要实现质量控制的目的，就必须确定影响介质输送环境的焊接缺陷并在实际生产过程中对焊接缺陷进行控制[5-6]。本文将对不锈钢管自熔焊技术及焊接质量控制等方面进行探讨。

1 不锈钢洁净管简介

不锈钢洁净管道是焊接主材料，对焊接质量起决定性的作用。不锈钢洁净管道一般可以分为光亮退火（BA）管及电抛光（EP）管。BA 管采用充氩气加热处理而成，EP 管采用电解研磨方式加工而成。EP 管的平面光滑度及平整度优于BA 管，其内外表面十分光亮。某项目按照设计文件的要求使用304 及316L两种牌号的EP 型卫生级不锈钢管，公称直径（DN）为20～200 mm，壁厚为2 mm，管材中加入了钝化性能良好的镍使其在氧化介质和还原介质中都具有良好的耐蚀性。

2 自熔焊技术

采用自熔焊焊接技术的洁净管道除了能满足常规工业管道对焊缝的要求外，还能在焊接时保证管道内、外表面不受污染，焊缝内、外表面保持光亮，与母材光泽度基本保持一致。焊缝与母材平滑过渡，管道内、外余高均较小，与母材基本平齐。而且洁净管道大多在洁净间内作业，作业时必须保证作业环境不受污染，确保其中无烟、无尘，因此自熔焊焊接是最合适的焊接方式。

不锈钢洁净管道的直径径较小，一般小于DN 200 mm，焊缝要求单面焊双面成型，现场工艺管道成排布置，且间距应宽大均匀，焊接工作可由自动焊机完成。自动焊机由焊接主机、显示屏、控制器及焊枪4 个部分组成。使用该自动焊机焊接时，管材可以不开坡口，无间隙组对，通过母材自熔形成焊接接头，可以有效避免管内被污染。

自熔焊机实行全程序化操作。编制焊接程序时可根据管材的外径将接头端面划分为4 个扇形区（即分为4 级），每个焊接程序最多可分为100 级，每1 级都可以根据实际焊接要求设置相应的焊接程序，从而满足焊接要求，形成动态模式，保证焊接质量，而且脉冲电流可以确保焊接波纹非常均匀细小，焊缝表面保持光滑，如图1 所示。

图1 均匀光滑的焊缝

焊枪是自动焊机与其他焊机区别最大的地方，其由保护罩、钨针以及氩气管组成。使用时将保护罩环扣在管道焊接口，氩气管充填氩气，钨针沿着保护罩内的导轨围绕焊接口开始周向焊接，如图2 所示。

图2 焊枪工作情况

3 焊接参数设定

选用纯度为99.99%以上的氩气作为保护气体，因为氩气能有效隔绝周围空气，且其本身不和金属发生反应。此外，在钨极氩弧焊焊接过程中，电弧还具有自动清除工件表面氧化膜的作用，因此可以成功地焊接易氧化、氮化、化学性质活泼的不锈钢和合金。而理论上来说，气体的流量越大，保护层抵抗空气影响的能力越强，但是在实践中发现，当气体流量过大时，保护层会产生不规则流动，卷入空气，影响保护效果及焊缝质量，所以焊接时要根据实际情况选择合适的氩气流量。考虑到该项目大多在室内作业，所以一般将氩气流量调整为10 L/min 左右，具体参数可见表1。

表1 焊接工艺参数

不锈钢洁净管焊接过程可分为预制准备阶段、焊接阶段及焊后阶段。在预制阶段，首先将洁净管从塑料膜中取出，量取使用长度，用平口机切割并平整管口。在焊接阶段时，将切割完毕的洁净管根据施工图固定在支架上并对接管口，充填氩气，然后将焊枪夹在对接的管口上，在自熔焊机上设置焊接参数，包括焊接电流、焊接速度及氩气充填量等，并对样管进行试焊，优化焊接参数，最后开始焊接。焊后阶段时，将焊缝打磨抛光，试压冲洗洁净管，使用管道内窥镜检查配合射线检测，最后完成安装报告。

4 问题及解决方法

在自动氩弧焊焊接过程中，应该先将所需要焊接的管道根据其材质、公称直径及管道壁厚进行预先焊接测试，以此来调节自动焊机的各项焊接参数。

在某小直径管的试焊过程中，焊缝上表面发生塌陷,如图3 所示。不锈钢洁净管自熔焊无需充填焊剂，这种焊接方式对焊缝的内外表面的成形要求极高，外表面凹陷或内表面凸出的焊缝是不符合要求的。

图3 管道上表面塌陷

查阅相关文献资料，并进行大量试验后得出以下结论。出现焊缝塌陷内凹的原因有4 种，包括焊接接口对接过紧，氩气充填压力过大，焊接电流过大以及焊接速度过慢。而根据现场实际情况，排除第1种原因后，分析可知其余3 种因素是问题产生的原因。由于该小直径管较容易受热，在自熔焊焊接过程中，焊接电流过大及焊接速度太慢，又由于氩气充填压力太大导致焊缝上表面的母材完全熔化成铁水状态同时受到氩气压力的影响，焊缝出现塌陷。因此将焊接电流由81 A 降低到71 A，氩气流量从12 L/min 降到10 L/min,焊接速度由80 mm/min 提高到100 mm/min后，焊缝内外表面熔合无余高，符合设计要求。