王翔奥氏体不锈钢TIG焊接工艺研究与应用.docx
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王翔奥氏体不锈钢TIG焊接工艺研究与应用
分类号：
09编号：
09
毕业设计（论文）
奥氏体不锈钢TIG焊接工艺研究与应用
学员姓名：
王翔
指导教师：
谢蒙生
专业：
船舶焊接技术
武昌船舶重工有限责任公司
2009年5月15日
武昌船舶重工有限责任公司
毕业设计（论文）任务书
题目：
奥氏体不锈钢TIG焊接工艺研究与应用
任务完成起止日期：
2009年4月1日至2009年5月30日
学员姓名：
王翔
指导教师：
谢蒙生
审查：
2009年3月15日
审批：
2009年3月15日
课题主要内容：
概述奥氏体不锈钢管在产品上的用途，焊接性能，焊接方法，焊接实验经过，焊接时容易出现的问题与改进方案，改进后的工艺评定以及应用于实际生产过程中的效果的论述。
课题任务要求：
将焊接工艺与规范参数用于实际产品的焊接中，产品质量达到设计
要求的述说。
主要参考文献：
（由指导老师选定）
1、焊接手册（第二卷）中国机械工程学会编北京机械工业出版社
2、实用工程材料焊接手册浙江省机械工程学会焊接分会编北京机械工业出版社2004
3、焊接冶金与金属焊接译著者—周振丰，张文斌北京机械工业出版社
4、2205不锈钢的焊接接头的性能研究译著者—张忠和
5、船舶焊接工艺译著者—王鸿斌人民交通出版社
6、不锈钢的焊接实验研究南京工业大学学报2004.24（3）65-68
同组设计者：
开题报告
近年造船业发展迅速船舶管系制造中因特殊性不再单一的使用普通钢管，而是越来越多的使用含各种合金元素的钢管，最为常见使用的是奥氏体不锈钢因此对各种材料的焊接要求也是越来越高，下文主要论述奥氏体不锈钢的焊接性能和工艺对比并总结出一套良好的工艺方法。
本文的主要任务是奥氏体不锈钢TIG焊接工艺研究与应用。
毕业设计的时间安排如下：
09年3月30日—09年4月3日：
查阅资料
09年4月4日—09年4月8日：
完成开题报告
09年4月9日—09年5月10日：
完成论文初稿
09年5月11日—09年5月15日：
交导师批阅
09年5月15日—09年5月30日：
按导师意见修改完
09年6月1日：
上交毕业论文
目录
摘要、关键词……………………………………………………………………第1页
1、焊接性分析…………………………………………………………………第3页
2、焊接工艺……………………………………………………………………第3页
3、焊接规范……………………………………………………………………第4页
4、焊接的操作过程……………………………………………………………第5页
5、出现的缺陷及改进方案……………………………………………………第6页
6、质量检测……………………………………………………………………第8页
7、结论………………………………………………………………………第9页
8、致谢……………………………………………………………………第9页
奥氏体不锈钢TIG焊接工艺研究与应用
武船学员：
王翔
摘要：
本文研究了奥氏体不锈钢的焊接性能和焊接方法的对比，通过焊接工艺评定制定合理的焊接工艺和正确的缺陷处理方法，运用于实际生产过程保证焊接质量。
关键词：
奥氏体不锈钢TIG焊焊接参数研究与应用
前言
由于奥氏体不锈钢在氧化性质中具有良好的耐腐蚀性，广泛应用于各种领域，在船舶管系中用得最广泛的是0Cr25Ni20型铬镍奥氏体不锈钢按其钢中含碳量分为三个等级，即一般含碳量（C≤0.14％），低碳级（C≤0.06％）及超低碳级（C≤0.03％）三种。
超低碳级的铬镍奥氏体不锈钢具有良好的抗晶间腐蚀性能。
奥氏体不锈钢的焊接性能好，但此类钢的导热系数小，线膨胀系数大，焊接的变形倾向大，因而在焊接时应采用小电流，同时也有防止合金元素烧损的作用。
而且随着船舶制造业的发展，奥氏体不锈钢管由于其性能的突出，其应用范围更加广泛，虽然奥氏体不锈钢管的焊接性能好，焊接时不需要采取什么特殊的措施就可以得到较好的焊缝，但是焊丝和焊接工艺的选用也是值得注意的否则在焊接过程中也可能出现一系列的问题。
1、焊接性分析
1．1奥氏体0Cr25Ni20不锈钢管化学成分见表一
奥氏体不锈钢管的牌号及其化学成分（表一）
牌号
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
N
P
S
名称
0Cr25Ni20
0.06～0.08
0.450
1.190
22.400
1.570
3％
0.112
0.003
0.029
1．2奥氏体0Cr25Ni20不锈钢管可焊性见表二
奥氏体不锈钢管的可焊性（表二）
名称
钨极
氩孤焊
熔化极
氩孤焊
焊条
电弧焊
埋弧焊
碳弧焊
等离子
弧焊
气焊
点焊
0Cr25Ni20
好
好
较好
—
—
好
—
尚可
1．3分析
由于钨极氩弧焊容易控制焊缝成形，也容易实现单面焊双面成形，再根据（表二）来看，奥氏体不锈钢管用钨极氩弧焊焊接非常合适，奥氏体不锈钢管的TIG焊焊接也可选用直流正接。
由于奥氏体不锈钢管的主要成分为Cr、Ni、Mn、Mo、Si，且含C量较低，且该材料具有良好的塑性，说明该材料的焊接性较好。
焊接时，只要正确的选择焊接参数和坡口类型，控制好焊接时的层间温度及焊接速度，选用匹配的焊材和作好气体对焊缝反面的保护工作，是能够获得优质的焊缝的。
尽管奥氏体不锈钢管热裂纹倾向不大，但也应尽量采用快的焊接速度和小的线能量，等待层间温度冷却到小于60℃时再焊下一道，以缩短焊缝过热时间，增强抗热裂纹能力。
2、焊接工艺
2．1．焊接方法：
钨极氩弧焊（TIG）直流正接极
2．2．焊接材料：
焊接材料选用的是与奥氏体不锈钢管相配套的焊丝：
H00Cr20Mo2.
2．3．保护气体：
氩气，纯度为99.99%。
2．4．焊机：
采用交直流两用焊机—400A
2．5．清理：
管材的端口对接前必须把坡口内外两侧20mm范围内的油漆，油污、氧化皮或其它对施焊有害的物质清理干净，再用棉布蘸上丙柄酮溶液把焊缝两侧20mm范围内擦洗一遍。
2．6．装配：
焊口组对的精度直接影响焊缝内部质量，特别注意不得错边，一定要保证管子装配同轴，否则会直接影响打底层管壁内成形的质量，出现未焊透缺陷。
坡口形式为单面对称V形坡口，其坡口角度为60°，不留钝边，对口时不留间隙，不得有错边、不留根，其对口尺寸如图
（一）所示：
图1
2．7．焊工：
技术精湛，经验丰富的持证焊工施焊。
2．8．定位焊：
定位焊时，采用与正式施焊时一样的焊接规范，定位焊的长度视管子直径的增加而增长，但定位焊在保证定位强度的同时应尽量缩短定位长度，以免影响焊接时的反面成形，定位焊时可加少许的焊丝。
：
3、焊接规范
3．1因为某产品的奥氏体不锈钢管系中使用了多种不同规格的奥氏体不锈钢管，这里就仅介绍一种规格的管材的焊接参数。
见表三：
Ø28×3管经焊接规范（表三）
管材直径（mm）
管材壁厚
（mm）
焊接电流
（A）
电弧电压
（V）
氩气流量
（L/min）
管内部保护气量（L/min）
喷嘴直径
（mm）
Ø28
3
打底层
90
10—12
8—12
8—10
10
盖面层
80
4、焊接的操作过程
4．1．焊前准备工作：
为保证焊顺利进行，安排一名技术精湛，经验丰富的焊工进行焊接。
焊接前，先按焊接工艺中第“5”条严格精理焊缝；再把被焊的管材放在工作台上，工作台和管材之间铺薄木板绝缘或放在与管材相同的工作台上，这样做是为了防止焊接时奥氏体不锈钢管与工作台之间因通过电流而产生晶间腐蚀或渗碳；并把焊机的地线接上地线夹夹在管材端口，管材两个端口用铝箔纸粘好密封，一端插上管材内部保护气的软管，在另一端的中间用焊丝戳个直径大约为Ø3mm的出气口，使管材内部的保护气能对流；这时再打开焊枪的冷却水，按（表三）调节好的主要的焊接参数，再打开焊枪的保护气和管材内部的保护气；管材内部的通气时间根据管材的大小而来。
先估算出管材的大概容积，然后除以通气的流量，就可以得出大概的通气时间，通气时间到了以后，可以用打火机试试管材的出气口，看是否有气体从出气口逸出。
4．2．焊接的方法及顺序：
焊接Ø28mm以下的管材，可以一次焊接，正反面成形；而Ø28mm以上的管材，由于管壁较厚，分为打底层和盖面层焊接；打底层不加焊丝，依靠钨极发出的热量使管材的端口自熔成形，第一层焊完后，冷却15分钟左右，再进行盖面层的的焊接，焊接盖面层时，可以适当的填充焊丝，使焊缝的余高控制在1mm左右。
焊接的顺序是：
打底层时，先从3点位置到12点位置焊接，到12点位置后不要即熄弧，再往前焊1cm左右，这样是为了保证焊缝接头能充分的熔合；再从9点到12点位置的焊接，到了12点位置也同样往前焊1cm；然后把管材翻转180º，按上面的顺序把另外半圈打底层焊完，盖面层时焊接顺序相同。
焊接完后不要立即把焊枪移开，应让焊枪的保护气延迟5秒左右关闭。
4．3．焊后工作
关掉焊机，取下地线夹，让管材内部的保护气继续保持3分钟左右，焊缝的温度降下来后方可关气，若是立即关气，焊缝的反面会因来不及冷却而轻微地氧化。
4．4．焊接时应注意的问题：
由于一圈焊缝是由4个1/4弧度的焊缝组成，在每个1/4弧度内的焊接的位置是变化的，这时的焊接速度就凭焊工的经验去掌握。
举例，从3点到12点的弧度焊接时：
其中3点至2点位置的焊接速度可适当慢点，这样一来为了使管材的端口能充分的溶合，二来也可对管材进行预热，从2点位置开始，焊接速度可适当的加快，一是因为管材的温度在逐渐的升高，二是此时的溶池处在重力作用最强的位置，过慢的的速度会使焊接缝反面余高过高，如控制不好，还会产生焊瘤。
在整个施焊的过程中焊枪与工件的角度保持在80º—85o之间，焊丝与工件的角度则保持在15º左右，焊丝的送给量不能过多，但送丝频率要稍快，这样才能使打底层与盖面层充分的溶合，得出的焊接纹理才会细密。
5、焊接时出现的缺陷和改进方案
5．1．气孔：
气孔形成的原因
（1）表面有水．油．锈，所以在焊接时需要低温预热（约100℃左右）去除管材上的水汽，但温度不能太高，否则会使管材受热而产生变形。
另外，奥氏体不锈钢管在弯制，校管的过程中难免会沾上油污，应该用白棉布蘸上丙酮溶液仔细清洗端口20mm内的污物及其它对焊接有害的东西，如果有氧化膜还需要用锉刀去打磨端口。
（2）焊接过程中气体保护的大小和气体质量好坏也有可能形成气孔，
5．2．缩孔
奥氏体不锈钢管在焊接时若突然熄弧或收弧过快会在焊缝表面留下缩孔，特别是大电流焊接时，此情况更严重，严重的缩孔能贯穿整个焊缝，要解决此问题，有二种方法，一是电流衰减熄弧，二是间断法熄弧，两种方法的目的都是为了使焊缝熄弧时不至于冷却过快而产生缩孔。
5．3．焊瘤
奥氏体不锈钢管在焊接时，若熔池的位置到了重力作用较强的位置，此时如果不稍微的加快焊接速度，熔池会在重力作用下下垂而在焊缝反面产生焊瘤。
盖面层焊接时，此情况更明显，因为盖面层焊接之前就有打底层的焊接而使管材温度升高，另一方面，由于盖面层焊接时在溶池中加入了焊丝，此时熔池的自重更大，再加上管材温度的升高，更易产生焊瘤。
经过对焊接过程的观察，80%的焊瘤都产生于盖面层，此时，要控制焊瘤的产生，就要控制好焊接速度及焊缝的温度，因为焊接速度是变数，就要凭焊工的经验去掌握；另外，打底层和盖面层之间间隔15分钟左右或者增加管内的氩气的流量，也能很好的控制焊瘤的产生。
5．4．焊缝氧化过于严重
奥氏体不锈钢管在焊接时电流不能过大，应严格按照（表三）中的参数来设定，在实际生产中，如果不做氩气室或者过大的焊接电流，使焊缝及热影响区的晶粒粗大，使管材接头的力学性能及耐蚀性下降，并容易使焊缝反面成形过高，严重的还会烧穿管材；另外，打底层焊完不能立即焊盖面层，否则也会使焊缝的温度过高而使之出现上述缺陷。
5．5．未焊透、未熔合
对于一道焊缝来说，未焊透、未熔合是一种严重的缺陷，一般是操作不熟练或者是焊接规范不合适造成的。
奥氏体不锈钢管在焊接打底层使之自熔成形时，应掌握好焊接速度，电流也应按规范来调节，焊接速度过快以及焊接电流过小都会使焊缝反面未焊透；此时，应仔细的观察熔池，应让管材的端口充分互熔且熔池稍微的下垂后，反面方可成形良好。
当然持焊枪的手要稳且可轻微有规律的摆动，以使焊缝的端口能充分的互溶。
在盖面层的焊接时，送丝频率要稍快且送丝量要稍微的少点，这样能使打底层与盖面层充分的熔合，这样才不会产生未熔合，且枪的摆动的均匀。
如果送丝量过大，钨极发出的热量在短时间内不能把送给的焊丝与打底层及两侧的组织充分的熔合，就会产生未熔合。
在焊缝接头时，起弧后应回烧前一段焊缝1—2cm左右，使焊缝的接头充分的熔合，这样焊缝才不会有缺陷。
5．6．晶间腐蚀
晶间腐蚀发生于晶粒边界，它是奥氏体不锈钢最危险的破坏形式之一。
不锈钢具有抗腐蚀能力的必要条件是含铬量大于12％。
当含铬量小于12％时就会失去抗腐蚀能力。
它的特点是表面没有明显的变化但腐蚀沿晶界深入金属内部并引起金属机械性能和耐腐蚀性能的下降。
该缺陷一般发生在450℃～850℃温度区间。
防止该缺陷发生应合理的选用焊接填充材料，采用小能量减少在危险温度停留的时间或者是焊后热处理，将工件加热到1050℃～1150℃后淬火使其形成均匀的奥氏体组织。
5．7．热裂纹
奥氏体不锈钢液相线和固相线距离大，使低熔点杂质偏析严重而且集中在晶界处，加之膨胀系数大，冷却时收缩应力大，便产生热裂纹。
也是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷。
防止该缺陷发生应合理的选用焊接填充材料，减少焊缝金属中的有害杂质提高焊缝的抗裂性。
采用小电流，快速焊，收尾时尽量填满弧坑。
6、质量检测
6．1．外观进行自检，不允许存在以上所述缺陷，下面有通过焊接后的实验品的外观检测见表四
焊接后的实验品的外观检测（表四）
外观检测
种类
焊接方法
气孔
咬边
氧化成度
成型状态
缩孔
焊瘤
外观
管内
外观
管内
外观
管内
外观
管内
外观
管内
外观
管内
TIG
优质
优质
无
无
优质
优质
优质
优质
优质
优质
—
优质
6．2．射线检验
设计要求所有管对接焊缝必须经过100%X射线探伤，探伤检验标准为GB/T3323-1987《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》之附录E《钢熔化焊对接接头射线探伤》Ⅱ级合格。
经检验等级为Ⅰ级。
6．3．水压试验
单根管试验压力为37.5MPa，系统试验压力为24.5MPa。
合格
6．4．奥氏体0Cr25Ni20不锈钢管焊缝室温力学性能（表五）
奥氏体0Cr25Ni20不锈钢管的室温力学性能（表五）
合金牌号
种类
抗拉强度N/㎜2（kgf/2）σb
屈服强度/MPa
伸长率（%）
0Cr25Ni20
标准
430——540
>300
≧22
实际测量
500
430
29
7、结论
采用TIG焊焊接奥氏体不锈钢管，焊接质量要求高，虽工艺复杂，但只要掌握该不锈钢管的焊接特点，严格按照焊接技术和工艺要求，认真仔细地焊好每一层焊道，就能达到奥氏体不锈钢管产品的质量设计要求。
实践证明
上面所简述焊接工艺是合理可行的。
从各种检验结果来看，此焊接工艺得到的焊缝质量优良，纹路清晰美观，符合产品质量要求，并成功应用于生产。
致谢：
本次毕业设计的写作，得到了高级技师谢蒙生的悉心的指导，也与学校各位老师平时所传授的知识是分不开的，在此表示由衷的感谢！
不足之处，恳请指正！
参考文献
[1]李维钺著：
《中外有色金属及其合金牌号速查手册》，机械工业出版社2005
[2]张应力主编、张梅副编：
《新编焊工实用手册》，金盾出版社，2004
[3]滕志斌、忻元华、滕岩、滕博著：
《新编金属材料手册》，机械工业出版社第二版
[4]英若采著：
《熔焊原理及金属材料的焊接》，机械工业出版社第二版2004
[5]沈惠塘著：
《焊接技术与高招》机械工业出版社2006
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