06Cr19Ni10不銹鋼管斜45°TIG焊接性分析與應用

 由于06Cr19Ni10不銹鋼管在氧化性質中具有良好的耐腐蝕性，被廣泛應用于各種領域。而鎢極氬弧焊適用于06Cr19Ni10不銹鋼管全位置焊接，焊縫成形美觀，合金過度系數高，焊縫成分易控制，是最適合焊接06Cr19Ni10鋼的焊接方法。近年來，鐵路制造業發展迅速，機車車輛管系制造中因特殊性不再單一使用普通鋼管，而是越來越多地使用含各種合金元素的鋼管，最常使用的是06Cr19Ni10不銹鋼管，因此對各種材料的焊接要求也就越來越高。不銹鋼管含有大于12%的鉻以及鎳、錳、鉬等元素，以改善不銹鋼管的組織和性能，使其具有良好的耐腐蝕性、耐熱性能、加工工藝性和較理想的力學性能。常見的不銹鋼管按組織分類可分為馬氏體不銹鋼管、鐵素體不銹鋼管和06Cr19Ni10不銹鋼管。本文主要對06Cr19Ni10不銹鋼管TIG焊接性進行分析，并介紹其應用情況。

一、焊接性分析

 06Cr19Ni10不銹鋼管具有良好的耐腐蝕性、塑性、耐高溫性能，與其他類型的不銹鋼管相比，其焊接性較好。06Cr19Ni10不銹鋼管一般都要經過固溶處理，固溶處理使鉻的碳化物固溶到06Cr19Ni10中，獲得穩定的06Cr19Ni10，改善其耐腐蝕性能。06Cr19Ni10不銹鋼管的物理性能與低碳鋼相比差異較大。06Cr19Ni10不銹鋼管導熱系數小、熔點低、線膨脹系數大，因此，在相同的焊接參數下，被加熱到600℃以上的區域大，焊縫金屬高溫停留時間長，容易形成粗大的鑄態組織，并產生較大的應力和變形。殘余應力的存在易產生焊接熱應力裂紋和應力腐蝕開裂。06Cr19Ni10不銹鋼管在任何溫度下都不會發生相變，對氫不敏感，焊接接頭在焊態下具有較好的塑韌性。下面對06Cr19Ni10不銹鋼管可焊性進行分析。

 06Cr19Ni10不銹鋼管可焊性分析，由于鎢極氬弧焊容易控制焊縫成形，也容易實現單面焊雙面成形。從表來看，06Cr19Ni10不銹鋼管用鎢極氬弧焊焊接非常合適，06Cr19Ni10不銹鋼管的TIG焊焊接也可選用直流正接。由于06Cr19Ni10不銹鋼管的主要成分為鉻、鎳、錳、硅，且含碳量較低，該材料具有良好的塑性，說明該材料的焊接性較好。雖然鎢極氬弧焊焊接不銹鋼管尤其是焊接較薄的板材、管材具有獨特的優勢，焊接質量容易保障，但是如果工藝參數調節不當或焊工操作不正確也會產生嚴重缺陷。例如，06Cr19Ni10晶粒邊界會產生碳擴散現象,并與鉻結合，生成碳化鉻。當晶粒界附近的鉻含量小于12%時，造成貧鉻，從而在腐蝕介質作用下貧鉻區將失去耐腐蝕性能，導致不銹鋼管晶間腐蝕。這種腐蝕現象受到應力作用時就會沿晶斷裂，這是06Cr19Ni10不銹鋼管最危險的一種破壞形式。晶間腐蝕受應力作用時，產生斷裂的區域分別作用在焊接接頭的熱影響區、焊縫或熔合線上。06Cr19Ni10不銹鋼管不是在任何時候都會產生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和產生晶間腐蝕的溫度敏感區、焊接過程中高溫停留時間有關。最敏感的溫度區間為450~850℃，當加熱溫度小于450℃時，不會產生碳擴散現象，即：不會形成碳化鉻化合物。當溫度升高至830℃以上時，此時晶粒內鉻擴散現象增強，大量的鉻與晶粒的碳化合生成碳化鉻，但兩者都不會形成貧鉻。產生晶間腐蝕最敏感的溫度為630℃，因此在焊接過程中應嚴格控制危險溫度區,盡量降低630℃的高溫度停留時間。

二、焊接工藝

 1. 焊接方法

 采用鎢極氬弧焊（TIG）直流正接。

 2. 試件材料及尺寸

 試件材料及尺寸為06Cr19Ni10，Φ40×3mm。

 3. 焊接材料

 焊接材料為H0Cr21Ni10、Φ2.4mm，鈰鎢極Φ2.0mm。

 4. 保護氣體

 保護氣體為氬氣、純度為99.99%。

 5. 清理

 管材的端口對接前，必須把坡口內外兩側20mm范圍內的油漆、油污、氧化皮或其他對施焊有害的物質清理干凈，再用棉布蘸上丙酮溶液把焊縫兩側20mm范圍內擦洗一遍。

 6. 裝配

 焊口組對的精度直接影響焊縫內部質量。特別注意的是，不得錯邊，一定要保證管子裝配同軸，否則會直接影響打底層管壁內成形的質量，出現未焊透缺陷。坡口形式為單面對稱V形坡口，其坡口角度為60°，鈍邊為0.5-1mm，對口時間隙為2.5-3mm，不得有錯邊。

 7. 定位焊

 由于管徑直徑小,所以采用一點定位,在管徑橫截面“12點鐘”位置焊一點，定位焊長度15~20mm，將焊點接頭兩端修磨成斜坡以便于接頭。定位焊時，管子內部必須充氬保護，以防止氧化。由于焊絲直徑是2.4mm，所以組對間隙應大于焊絲直徑，以便在焊接過程中焊絲能夠填充至熔池根部，保證背面焊縫質量。

三、操作要點及注意事項

 焊縫分左、右兩個半圈進行，如圖所示。在仰焊“6點鐘”位置起焊，在平焊“12點鐘”位置收弧。由于是斜45°定位焊接，在焊接時一定要注意焊接角度和熔池形態的變化，應使熔池始終與地面保持水平，以防止熔化金屬在重力的作用下產生上部咬邊、下部熔合不良、外部成型差等缺陷。

 1. 打底焊

 在管道橫截面上“5點鐘”或“7點鐘”位置引燃電弧，引燃電弧后，將電弧長度控制在2~3mm，焊機暫停在引弧處。待兩側鈍邊開始熔化時，立刻開始送絲，填充金屬與鈍邊完全熔化形成明亮清晰的熔池后，焊機與地面保持水平勻速上移，伴隨連續送絲，焊機同時做小幅度鋸齒形水平橫向擺動。仰焊部位送絲時，有意識將焊機往根部推，使管壁內部的熔池成型飽滿，以避免根部凹坑。當焊至“10點鐘”位置時，焊機應略向后傾，焊接速度加快，以避免熔池溫度過高而下墜。若熔池過大，可利用電流衰減功能適當降低熔池溫度。若施焊過程中斷需要接頭時，應先將收弧處焊縫打磨成斜坡狀，在斜坡后約10mm處重新引弧，電弧移至斜坡內時稍加焊絲，當焊至斜坡端部出現熔孔后，立即送絲并轉入正常焊接。焊至定位焊縫斜坡處接頭時，電弧稍作停留，暫緩送絲，待熔池與斜坡端部完全熔化后再送絲。同時，焊機應作小幅度擺動，使接頭部位充分融合，形成平整的接頭。收弧時，應向熔池送入2~3滴填充金屬使熔池飽滿，同時將熔池逐步過渡到坡口側，利用收弧電流使熔池溫度逐漸降低，熔池由大變小。電弧熄滅后，應延長對收弧處氬氣保護，以避免氧化出現弧坑裂紋及縮孔。前半圈焊完后，應將仰焊部位起弧處焊縫端部修

 磨成斜坡狀，后半圈施焊時用左手重復前半圈的焊接方法。當焊至橫截面“12點鐘”位置時，應與前半圈焊縫重疊5~10mm。打底焊時，必須要保證底部焊透，焊道兩側坡口邊必須保持完整，以保證蓋面焊焊縫寬窄一致。

 2. 蓋面焊

 蓋面焊時的操作方法與打底焊基本相同，在焊接前適當調整焊接電流。打底焊完成后，不要急于蓋面焊，讓試件適當冷卻。這樣是為了降低試件溫度，防止連續焊接造成試件過熱，使底部焊縫產生下墜以及在蓋面焊時產生咬邊。在填充焊絲時，要注意觀察坡口邊是否填滿，防止產生因焊縫缺肉而造成的缺陷。

四、焊接時容易出現的問題和預防措施

 1. 氣孔

 氣孔形成的原因如下：

   a. 管材表面有水、油、銹，并且不銹鋼管在彎制、校管的過程中難免會沾上油污，這些氧化物都會在焊接過程中產生氣孔。

   b. 焊接過程中氣體保護的大小和氣體質量好壞也有可能形成氣孔。預防措施為：應該用白棉布蘸上丙酮溶液仔細清洗端口20mm內的污物及其他對焊接有害的東西。在焊接時需要低溫預熱（約100℃左右）去除管材上的水汽。但溫度不能太高，否則會使管材受熱而產生變形。如果有氧化膜，還需要用角磨機或銼刀去打磨端口。

 2. 縮孔

 06Cr19Ni10不銹鋼管在焊接時若突然熄弧或收弧過快會在焊縫表面留下縮孔。特別是大電流焊接時，更是如此。嚴重的縮孔能貫穿整個焊縫，影響焊接強度。預防措施為：一是電流衰減熄弧，二是間斷法熄弧。這兩種方法的目的都是為了使焊縫熄弧時不至于冷卻過快而產生縮孔。

 3. 焊瘤

 06Cr19Ni10不銹鋼管在焊接時，若熔池的位置到了重力作用較強的位置，此時如果不稍微地加快焊接速度，熔池會在重力作用下下垂而在焊縫反面產生焊瘤。蓋面層焊接時，此情況更為明顯，因為蓋面層焊接之前就有打底層的焊接而使管材溫度升高。此外，由于蓋面層焊接時在溶池中加入了焊絲，此時熔池的自重更大，再加上管材溫度的升高，更易產生焊瘤。預防措施為：經過對焊接過程的觀察，80%的焊瘤都產生于蓋面層，此時，要控制焊瘤的產生，就要控制好焊接速度及焊縫的溫度。由于焊接速度是變數，就要憑焊工的經驗去掌握。另外，打底層和蓋面層之間間隔15分鐘左右增加管內的氬氣的流量，也能很好地控制焊瘤的產生。

 4. 焊縫氧化過于嚴重

 06Cr19Ni10不銹鋼管焊縫氧化會嚴重影響焊縫質量，降低焊接強度，影響產品安全系數以及使用壽命。防止措施為：06Cr19Ni10不銹鋼管在焊接時電流不能過大，應嚴格按照表中的參數來設定。在打底焊之前，試管內必須做充氬保護，以防止焊縫背面氧化。在焊接時，應盡量使用小的線能量、小電流、快速焊，焊縫成型后，表面應有金黃色的金屬光澤。如焊縫發灰白色，說明焊縫開始氧化。在實際生產中，如果不做氬氣室或者過大的焊接電流，可使焊縫及熱影響區的晶粒粗大，并使管材接頭的力學性能及耐蝕性下降，容易造成焊縫反面成形過高，甚至還會燒穿管材。另外，打底層焊完不能立即焊蓋面層，否則也會使焊縫的溫度過高而出現上述缺陷。

 5. 未焊透、未熔合

 對于一道焊縫來說，未焊透、未熔合是一種嚴重的缺陷，其原因一般是操作不熟練或者是焊接規范不合適造成的。在焊接過程中送絲量過大，鎢極發出的熱量在短時間內不能把送給的焊絲與打底層及兩側的組織充分熔合，就會產生未熔合。06Cr19Ni10不銹鋼管在焊接打底層使之自熔成形時，焊接速度過快以及焊接電流過小都會使焊縫反面未焊透。這些缺陷會引起應力集中，降低焊縫結構強度。

 預防措施為：應掌握好焊接速度，電流也應按規范來調節，并仔細觀察熔池，應讓管材的端口充分互熔，且在熔池稍微下垂后，反面方可成形良好。當然，持焊機的手要穩且可輕微有規律地擺動，以使焊縫的端口能充分互溶。在蓋面層的焊接時，送絲頻率要稍快且送絲量要稍少點。這樣能使打底層與蓋面層充分熔合，不會產生未熔合。在焊縫接頭時，起弧后應回燒前一段焊縫1~2cm左右，使焊縫的接頭充分熔合，不會產生缺陷。

 6. 熱裂紋

 06Cr19Ni10不銹鋼管液相線和固相線距離大，使低熔點雜質偏析嚴重，而且集中在晶界處，加之膨脹系數大，冷卻時收縮應力大，便會產生熱裂紋。這也是06Cr19Ni10不銹鋼管焊接時比較容易產生的一種缺陷。預防措施為：合理地選用焊接填充材料，減少焊縫金屬中的有害雜質，提高焊縫的抗裂性。另外采用小電流，快速焊，收尾時盡量填滿弧坑。

五、結束語

 采用TIG焊焊接06Cr19Ni10不銹鋼管，焊接質量要求高，雖工藝復雜，但只要掌握該不銹鋼管的焊接特點，嚴格按照焊接技術和工藝要求，認真仔細地焊好每一層焊道，就能達到06Cr19Ni10不銹鋼管產品的質量設計要求。實踐證明，上面所述的焊接工藝是合理可行的。從各種檢驗結果來看，此焊接工藝能使焊縫質量優良，紋路清晰美觀，符合產品質量要求，且成功應用于生產。