干货|高压净化管道的管材的焊接工艺

举世瞩目的《风云二号》气象卫星邀游太空，与高压高纯无氢氮气净化工程息息相关，该项工程被航天专家称为《风云二号》气象卫星发射成功的一个关键。

由于该项工程技术要求很高，科技含量也很高，运做难度又很大。为此，天津市焊接研究所的所领导们为是否参与此项工程，专门召开了所务会。因该高压高纯无氢氮气管道所承受的压力比氧气瓶所承受的压力还要高，以前在焊接研究所内没有人干过，也无此先例。 所以，没有哪个人敢承担此责任。加之《风云二号》气象卫星发射的成功，关系到亚运会是否能够顺利举行。

正因为责任如此重大，所以，在讨论时就被所务会集体否决！唯独焊接权威、焊接泰斗（享受国务院政府津贴）的所长力排众议，推荐并命令白津生带队完成此项任务。

对我来说，机不可失，时不再来，这回我立功的机会又到了。我们中间实验室群情振奋，摩拳擦掌，荣幸地承担了该高压高纯无氢氮气净化管道的焊接任务。

该高压净化管道的管材的工作气压不小于19.6Mpa。所以，对焊缝焊接的质量要求很高。要求焊缝不但要单面焊双面成型，还要求管道的内外焊缝表面光滑，确保得到高质量的焊缝，确保高压高纯无氢氮气净化管道在卫星发射工作过程中万无一失。

一、焊接性分析：

18—8型奥氏体不锈钢的化学成分和力学性能见表1。

18-8型不锈钢具有良好的抗晶间腐蚀特性。为此，该钢具有足够的Cr、Ni含量和极低的C含量，通常采取1010 ~1050℃急速冷却的水淬固溶处理，以获得良好的塑韧性。

若要保证焊接接头获得良好的力学性能和抗腐蚀性能，主要是控制晶粒边界析出的碳化铬层。通常，18—8型不锈钢在水淬固溶处理状态下使用，即钢中的C和Cr等合金元素固溶在晶粒内，合金元素含量越大，其过饱和度也越大，如C含量越大，如C含量大于0.02~0.03%时，即可造成C元素的过饱和。在焊接过程中，处于过饱和状态存在于晶内的C,Cr等元素的原子向晶粒边界运动扩散。由于C原子质点小，扩散速度比其他元素快，容易与处于晶粒边界的Cr原子结合，形成富Cr的碳化铬层（Cr23C6或（Cr,Fe）23C6）。晶粒内靠近晶界处形成贫Cr区。450~850℃间的冷却速度越慢，越容易促成炭化铬层的形成。在高温停留的时间越长，奥氏体晶粒粗化的倾向越明显，对焊接接头的耐蚀性和综合力学性能都不利。

针对上述问题，从理论上分析：因该钢的C含量大于0.03%。能够造成C元素的过饱和。又因该钢中缺少Nb+Ti或 Ti这些较强烈的碳化物形成元素。所以，450 ~850℃间若采用水淬冷却的方法可以有效的抑制碳化铬层的形成，同时将C，Cr等元素固溶于晶体内，从而起到减少晶间腐蚀倾向的作用。

焊接时，管道内若不充氩气进行保护，则会造成管道氧化严重，焊缝不易形成。为了保证焊接质量。焊接时管道内就必需进行管内充氩保护。

在焊接施工前，我们对采用和未采用水淬固溶处理及充氩保护措施的焊件进行了一系列的对比实验。在试件的焊件条件相同情况下，得到以下结果。

通过以上的对比结果，不难看到未采取水淬固溶处理和管内充氩保护的焊件，其外观质量和力学性能都大大的降低，满足不了焊接质量的要求。所以，根据焊接质量的要求，我们采取氩气充分保护、冷却速度快的焊接工艺是十分必要的。

TIG焊与其他焊接方法相比，更容易保证此高压净化管道的焊接质量，所以，我们采用了TIG焊接方法。并要求经过考核持有高压管道焊接合格证书，操作技术既熟练，经验又丰富的焊接技师来承担此项焊接工作。

二、焊接工艺：

1.首先，将对接的管道断面加工成60°的单V型坡口，不留钝边。如图1所示。

图1

2.焊接前，清整焊缝露出金属光泽，再用C CL4把坡口附近及管道内清洗干净。

3.焊接装配间隙为：2~2.5mm，用GQ—1型四连杆式焊管对口钳将其夹紧固定。由于省去了过去采用的点固定位焊，从而使焊接工作的操作更加简便，有利于焊缝的连续焊接，减少焊接操作时焊缝的接头，保证了管道焊缝的连续性。

4.管子的两端用直径为φ5mm孔的橡胶塞堵住，以便焊接时进行管内充氩保护。

三、实施过程：

焊接操作的主要焊接工艺参数表

在现场管—管对接时，尽可能采用滚动焊接的方法，以便降低焊工的劳动强度和操作难度，提高焊接质量和工作效率。

必须进行水平固定焊接时，焊接方向可由6点位置开始，向12点位置方向进行焊接。为了克服仰脸焊接6点位置背面成形容易出现的焊缝内凹的现象，在仰脸焊接6点位置部位时，我们采用了“内填丝”的方法进行焊接操作。如下图所示。

“内填丝”手工钨极氩弧焊工艺是在焊缝坡口内进行加热，把焊丝从焊缝的上面伸入管内，也就是说在焊缝的背面进行填丝，用焊枪控制热源及加热区，并对喷嘴的左右摆动角度进行控制。

仰脸焊接6点位置时，根部的熔化程度要靠个人的操作经验来控制，这一操作控制难度比较大，并且要求焊工的操作技能要高，否则就会影响焊缝的焊接质量。因此，可以说“内填丝”的焊接操作效果比常规填丝的焊接操作效果要好的多。

所以，“内填丝”的焊接操作方法，既可以用来保证背面焊缝位置的成形，又解决仰脸焊接位置容易出现焊缝内凹的现象。

焊接到立焊和平焊的位置时，可以逐渐恢复成常规的外填丝焊接操作方法进行焊接。

在焊接操作过程中，无论焊接填丝方法和焊接位置如何变化，TIG焊枪的钨极始终对准于管子的轴心。这样，既能很好地控制熔池，又能保护熔池不被氧化。

焊丝始终顺着坡口，沿着管子的切线送到熔池的前端。待坡口两端熔化后再填丝，并用焊丝的熔滴控制熔池温度，保证焊缝的熔合和焊缝的美观。

焊接时，除了对管道内进行充氩保护，防止氧化外。为了有效地抑制碳化铬层的形成。将C、Cr等元素固溶于晶体内，减少焊接接头的晶间腐蚀倾向，采取了两项措施：

（1）尽可能提高焊接速度，尽可能减少焊缝的热影响区。

（2）焊缝脱离保护气氛后，立即用水急冷至常温，缩短其850℃至450℃敏感温度区间的时间，进行水淬固溶处理。

（3）再对焊接接头进行打磨，抛光，并用CCL4反复清洗管道。

四、焊接质量检验：

（1）外观检验

①焊缝外形尺寸：焊缝背面余高为：0.5～1mm,余高差为：0.5mm。焊缝余高为：1.5～2mm,余高差为：0.5mm。焊缝正面比坡口增宽2mm，每侧增宽1mm。

②焊缝边缘圆滑过渡到母材。

③焊缝表面无裂纹、夹渣、未熔合和焊瘤，也无咬边，未焊透，背面内凹，气孔等缺陷。

④直径φ8mm通球过。

⑤无角变形、无错边。

⑥无改变焊缝表面的加工和补焊。

（2）焊缝X射线探伤检验：全部为1级。

（3）气压检验：高压高纯无氢氮气22.5MPa无渗漏。

五、实践证明：

1.对于小直径18—8型奥氏体不锈钢管道在焊接过程中，采取水淬固熔处理和管内充氩保护是切实可行的。

2.此焊接工艺方法是较为合理的，既能够起到减少晶间腐蚀倾向，又保证了优良的焊接质量。

因为工期紧，从接受高压高纯无氢氮气净化管道的焊接任务，到发射《风云二号》气象卫星时间不到一个月。自所长拍板决定承接此项焊接工程后，我们天津市焊接研究所中间实验室的我和曲绍军、周建民三人凭借着被所长激发出的战斗激情，马不停蹄，昼夜兼程，日夜奋战；在短短的七天内就解决了此项焊接难题。

上图为：在某卫星发射基地

《七律·力排众议》

发射卫星任务急，

怕担风险有分歧。

困难责任谁承揽？

姜所长他排众议。

为保卫星能供气，

火速赶往某基地。

“风云二号”冲上天，

得益大家齐努力！