S-TIG高熔深锁孔焊机在压力容器中的应用

S-TIG高熔深锁孔焊机在压力容器中的应用

摘要:压力容器在人们的生活中非常常见,其质量也影响着人们的生命财产安全。压力容器的制造需要多个过程,要想保证压力容器的质量,保护人们的生命财产安全不受威胁,就必须在制造压力容器的每个过程中都检查其操作质量,在这些过程中,最重要的是压力容器的焊接过程。其中焊接的工艺、焊接设备、焊接材料、检验结果、焊接环境等因素都会影响压力容器的质量。本文选取压力容器常用不锈钢钢材(含Ti合金钢),进行S-TIG焊接试验,分析S-TIG高熔深锁孔焊机的焊接实效。

关键词:压力容器;S-TIG;高效熔深锁孔焊机

1高深熔锁孔S-TIG SWS1000焊接系统简介

1.1S-TIG焊接系统 SWS1000

高深熔锁孔S-TIG焊接系统(SWS-1000)是一种全新的弧焊系统,它通过对电弧的高效电磁压缩达到等离子电弧的效果,焊接时电弧能量集中,焊接过程中电弧压力与熔池液态金属的表面张力达成平衡,形成稳定的小孔效应,具备超强的穿透能力,可一次性焊透12mm一下的钢板,是一种介于氩弧焊(TIG)和等离子(plasma)之间的全新的焊接工艺。STIG弧焊技术是一种高速的全熔透焊缝焊接技术,在不开坡口的情况下一次性焊。16mm一下的金属材料(如钛合金),焊缝成型完美,单面焊双面成型,焊接速度是普通钨极氩弧焊技术的5-10倍。背面焊缝宽度2-3毫米,正面焊缝宽度通常为板厚度的1.5倍左右,其焊缝为100%的母质层,没有多条融合线,完全消除了夹渣、气孔以及常见的焊缝缺陷。高效深熔弧焊的无波纹焊接熔池保证了盖面层的超高质量,不需要背面清根、表面抛光清洗与打磨。

1.2S-TIG焊接优势

1S-TIG使用惰性气体作为保护气。惰性气体具有稳定性,不与金属物发生化学反应,因此是良好的保护性气体,在高温下也不会融入金属物。可见在焊接过程熔池的冶金反应中,惰性气体的作用明显,能够较好的控制焊接过程,且其应用范围较大,不论是抗氧化性弱的常规金属,还是黑色金属(熔点高),均能够使用。

2S-TIG中的电弧在氩气中稳定性强。对其的焊接电流分析说明了小电流情况下(小于10A),其燃烧稳定性依旧良好。焊丝的填充需要经过电弧获得,对于热输入调控要求较高,S-TIG能满足薄板以及其他全位置的焊接需求,能较好完成单面焊双面成形的工艺要求。

3:由于填充焊丝并未经过焊接电流,因此在S-TIG中的熔滴过渡难题是不需考虑的,全程无焊渣飞溅,且成型后焊缝美观缺陷少。

2试验方法

2.1焊前准备

在焊接前,不锈钢(钛合金)被切成大小为100mm×50mm的尺寸。由于钢材易氧化,在空气中生成的氧化膜极易吸收空气中的水分,妨碍接头熔合还使接头中出现气孔及夹杂等缺陷,因此要对焊丝进行仔细的焊前清理。实验前对板材先用钢丝刷进行打磨,再用丙酮进行擦洗去其表面油污。需要指出的是本试验所用的材料在焊前均进行干燥处理。

2.2 焊接过程

在前期准备的基础上,将待焊板材用夹具固定。闭合电源开关,打开水冷机、S-TIG电焊机,将TIG焊机中的焊枪的角度固定为45°,调节送丝角度。将TIG焊枪调节在板材上的入射点处,调节钨极高度h(钨极底端到板材的距离)及光弧间距Dla(钨极底端在板材上的投影)至设定值,本试验固定f0mmh1.5mmDla1.5mm。焊丝倾斜角度β可调。打开保护气体(高纯氩,设定保护气体流量为12L/min),将电焊机参数设定好,运行已编好的程序进行焊接。需要说明的是本实验所用的TIG焊机设为交流模式。

2.3.热处理过程

本文中的热处理工艺炉为JK4665高温箱,该电阻炉的额定功率高达4 kw,工作正常电压为220V交流电,最高加热温度为1200在时效处理试验中,首先将炉温设定所需要的温度进行升温,达到设定温度后,打开炉门,将试样放在炉内,进行保温预订时间后,取出试样在空气中进行冷却至室温。进行固溶+时效处理时,同样地将炉温加热到预设温度,将试样放在炉内保温1h,快速取出,转移到冷却介质中进行冷却。而后取出试样进行时效处理,操作同上。为防止转移过程中过饱和固溶体发生分解,影响后续时效效果,要求淬火转移时间不超过30s。为防止淬火过程中试样变形和开裂所用的冷却介质为20的水。

2.4 焊后分析

1)焊缝形貌及组织分析

焊后首先用肉眼观察接头表面,以对不同参数下的焊接接头成形进行初步的评判。处理接头时,对不同的参数,带锯逐一进行取样切割,截面进行后续的研磨处置,砂纸型号分别是400#600#800#。研磨后采用Keller腐蚀处置,然后,对于焊缝进行扫描仪扫描操作,得到焊缝照片。评价接头中气孔的分布时,将焊缝用砂纸研磨至焊缝中心,进行腐蚀,在金相显微镜下在低倍数下观察,每个参数下取3个不同的区域进行组合,观察不同参数下气孔分布。

2)力学性能分析

使用CSS万能拉伸试验机进行静拉伸试验。按标准ASTM E8 E8M – 11制定拉伸试样。为避免焊缝余高对性能测试结果的影响,本实验所有的拉伸试样正反面余高均被去除。拉伸前进行标定,选择标距为25mm,以进行断后伸长率的评定。为减小实验误差,每个参数下的接头测试3个试样,取平均值作为最终结果。选择与试样尺寸相匹配的夹块,先装下夹头,按旁边的操作手柄下降到合适高度将试样夹紧,在此过程许保证试样与上下夹具在同一轴线上。试验在常温下测定,拉伸速率为2mm/min。记录试验过程中的加载力和位移。

3)微观成分及断口形貌分析

将不同处理态的样品切割成所需要的尺寸,试样制备与金相试样制备方法相同。采用ZEISS-SUPRA55场发射扫描电镜进行扫描,进行微观组织拍摄及成分分析。其中成分分析包括线分析和面分析。将静拉伸后的试样进行封袋保存,而后及时用扫描电镜进行断口形貌分析。

3电弧参数对焊缝成形的影响

3.1电弧参数影响分析

S-TIG焊接技术有很多可调节的工艺参数如电弧电流、焊接速度、钨极高度等,对焊缝成形有很大影响。此小节在堆焊的基础上探究主要工艺参数(电弧电流I及焊接速度V)对焊缝成形质量的影响研究这些工艺参数对焊缝成形的影响规律,并且探究了电弧电流对焊缝中气孔分布及数量的影响,以便后期对接焊时根据实际成形情况进行参数调整。

3.1为焊接速度550mm/min时。仅改变电弧电流的条件下在3mm6061-T6铝合金薄板上进行不填丝堆焊的焊缝的宏观形貌及截面图,可知当电弧电流低于140A时,焊缝背面没有熔透,且随着电弧电流的增加,焊缝熔深增加。当电弧电流增大至160A时,板材背部熔透,表面成形较为美观。但是电弧电流增大至170A时,焊缝出现夹杂、氧化等现象且钨极摆动幅度较大,造成焊缝直线度下降且塌陷严重。


3.1 电弧电流对的焊缝成形的影响

当焊接速度达到800mm/min时,单独的改变电弧电流,研究电流 变化对焊缝的作用。当电弧电流较小时(﹤80A),复合焊接热源的大部分热量用于熔化焊丝,用于熔化板材的热量很少,因此焊缝未完全熔透。当电弧电流较大时(﹥110A),焊缝完全熔透,但是背部余高较大、正面出现下榻现象且部分被焊穿。电弧电流在90100A时,焊缝正面及背面成形良好。对于焊缝而言,外观连续性良好,且余高大。在整体对气孔进行观察时,发现焊接的缺陷较少。对于焊缝的尺寸而言,按照图3.1,背部熔宽受到电流的影响大。当电弧电流低于160A时,正面及背面熔宽均呈增加趋势,但是当电弧电流增大至170A时,正面熔宽变化趋于缓慢且呈现出一定的下降趋势。而背部余高一直增加。这是因为当电流低于160A时,随着电流的增加,在其他焊接参数不变的条件下,焊接热输入增加,熔宽及背部余高都相应的增大。但是当电流增大至170A及其以上时,处于电弧下的压力容器钢材迅速熔化形成熔池,由于表面张力较低的缘故,熔融金属来不及凝固在重力的作用下向下运动,造成严重的下榻现象。板材表面上部电弧未直接作用加热而临近电弧加热的区域可以通过熔融金属的热传导发生熔化形成熔池。但是当电弧电流增加到170A时,减少熔融金属与周围金属接触的时间而在重力的作用下向下流动,因此焊缝正面熔宽呈现下降趋势,而背部熔宽未受到影响。



值得提出的是,背部熔宽及背部余高越大,说明下榻越严重,由图3.3可知,随着电弧电流的增加,钢材下榻趋势越严重。改变焊接速度的条件,当焊接速度逐步增加时,正面熔宽参数在焊缝中先随之增加,增加至一定幅度后,随之降低,而后持平稳定不变,背部余高呈单一的下降趋势,但是背部熔宽受影响较大,下降显著。这是因为在其它焊接参数不变的情况下,随着焊接速度的的增加,焊接热输入相应的降低,所以焊缝背部熔宽及余高呈现单一的下降趋势。当焊接速度低于450mm/min时,和电弧电流增大到170A时相似,焊接热输入太大,对周围部分金属的热传导作用时间较短而不能使其熔化,因此熔宽与500mm/min相比呈现出较小的数值。但是当焊接速度大于500mm/min时,正面熔宽呈现下降趋势。


3.2焊件热影响区结果

3-4显示了焊接件焊缝热影响区中Mo的含量比母材中的含量高出近一倍。Nb能提高持久蠕变强度,但是会增加热裂倾向。Mo拥有强化晶界的能力。而合金元素Ti很容易烧损,由能谱分析可知,焊接电流为55A时,焊缝钛的含量为1.07%(母材为1.24%),焊接电流为65A时,焊缝钛元素的烧损情况更严峻,测试结果仅为0.86%。焊缝中的Ti作用是细化金属晶粒,存在形式保持为氧化颗粒物,可见Ti元素的烧损是导致焊缝晶粒粗大的原因之一。


4结论

1)在不填丝的S-TIG焊接条件下,随着电弧电流的增加,正面熔宽,背部熔宽及背部余高均增加,但是高于一定值时,焊缝下榻严重,成形恶化且钨极烧损严重。激光的加入可以显著改善焊缝成形且随着焊接速度的增加,所考察的焊缝成形几何尺寸均减小。

2)通过调节工艺参数,利用s-TIG电弧焊接可以消除焊材中气孔,获得无气孔的焊接接头。

3)在不锈钢冷填丝s-TIG焊接条件下,送丝角度为50°时,可以得到良好成形的焊缝且可供选择的送丝速度较宽。

总之,此压力容器用钢对S-TIG焊接技术具有很强的适应性。焊接接头熔合区有大量树枝晶及少量等轴晶,熔合线附近有大量的柱状晶,临近焊缝区的基材仍保持原基材晶粒组织特征。接头抗拉强度及断后伸长率分别是母材的89.88%67.67%。对接头进行线扫描分析,各区中的元素分布较为均匀,无明显波动。

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