钛质波纹管膨胀节焊接工艺.pdf

焊接现场机械制造文摘焊接分册 钛质波纹管膨胀节焊接工艺 秦建1 ，李世乾1 ，陈友恒1 ，张汇文2 ，吕晓春2 ，王庆江2 ( 1 洛阳船舶材料研究所，河南洛阳4 7 1 0 0 0 ；2 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 2 8 ) 摘要：采用自动r r I G 焊对0 5m m 厚T A 2 材质的波纹管管坯纵缝进行了焊接，并对焊接接头拉伸性能、弯曲性能、显微组 织及断口形貌进行了试验。试验结果表明：焊接工艺参数选用合理，焊缝成形良好，无损检测结果满足要求；焊缝及热影 响区均为锯齿状仅组织；焊接接头力学性能优良，抗拉强度达到5 0 0M P a ，与母材强度相当，断裂形式为典型的韧性断裂， 断后伸长率达到8 0 ，面弯及背弯性能满足标准要求，能够满足波纹管压制要求。 关键词：T A 2 板；钨极氩弧焊；波纹管膨胀节；显微组织；工艺 中图分类号：T G 4 5 7 W e l d i n gt e c h n o l o g yo fT A 2b e U o w se x p a n s i o nj o i n t S Q i nJ i a n l ；L iS h i q i a n l ；C h e nY o u h e n 9 1 ；Z h a n gH u i w e n 2 ；L X i a o c h u n 2 ；W a n gQ i n 商i a n 9 2 ( 1 L u o y a n gS h i pM a t e r i a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，I m o y a n g4 710 0 0 ，C h i n a ； 2 H a r b i nW e l d i n gI n s t i t u t e ，H a r b i n1 5 0 0 2 8 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e1 0 n g i t u d i n a ls e a mo ft h eb e l l o w se x p a n s i o nj o i n tm a d eo fT A 2m a t e r i a lw i t h0 5m mt h i c k n e s s w a sw e l d e db yg a st u n g s t e na r cw e l d i n g T h et e n s i l ea n dn e x u m lp r o p e n i e s ，m i c r o s t m c t u r ea n df r a c t u r em o r - p h o l o g yo ft h ew e l d i n gj o i n tw e I - es t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a tb o t hw e Ua p p e a r a n c ea n dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g r e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t sb yu s i n gr e a s o n a b l ew e l d i n gp a r a m e t e r s M o r e o v e r ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l d i n g j o i n ta n dH A Z w e r eb o t hj a g g e d 仅o r g a n i z a t i o n T h ee x c e U e n tm e c h a n i c a lp m p e r t i e so ft h ej o i n t sw e r eo b t a i n e d ， t h et e n s i l es t r e n g t hr e a c h e d5 0 0M P aw h i c hi se q u a lt ob a s em e t a l ，a n dt h ef h c t u r em o r p h o l o g yw a st y p i c a ld u c - t i l ef r a c t u r eo fd i m p l e ，e l o n g a t i o nr a t er e a c h e d8 0 T h ep e 舶砌a n c eo fs u 血c ea n db a c kb e n d i n gc a nm e e t t h es t a n d a r d ，w h i e hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h eb e l l o w se x p a n s i o nj o i n t sp r e s s i n g K e yw o r d s ：T A 2 ；G T A W ；b e U o w s O 前言 e x p a n s i o nj o i n t s ；m i c r o s t l l J c t u r e ；t e c h n o l o g ) r 波纹管膨胀节是由波纹管及结构件组成，用来吸 收热胀冷缩等原因引起的设备或管道位移与变形，是 对受热管道和设备进行热补偿的关键部件。波纹管膨 胀节不同于设备或管道一般的受压元件或管道组成 件，它不但承受设备或管系的压力，要满足强度要求， 2 02 0 1 6 年第6 期 还需要满足设备或管系的震动和柔性要求。对于承受 内压和温差变形的设备、管道，补偿内压引起的一次应 力和温差变形引起的二次应力，满足交变载荷和疲劳 寿命的要求；对于大型设备、管系和高层建筑，吸收地 下沉积，补偿位移变形能力，满足结构和安全；吸收振 源引起的管道震动，吸振隔振，结构密封，满足安全运 行。正因为波纹管膨胀节有上述功能，波纹管现已广 万方数据 机械制造文摘焊接分册焊接现场 泛应用于能源、石油化工、电力、冶金、交通运输等方 面，对国民经济建设和人民生活起着重要的作用。 由于波纹管膨胀节在运行过程中需较大程度地吸 收设备产生的位移，除在加工制造过程中变形较大以 外，在服役状况下也会发生较大位移，因此波纹管的选 材往往选用韧性较好的材料，如不锈钢或镍基合金等。 近些年来，随着国内化工、船舶、海洋工程等行业的不 断发展，对设备的要求越来越高，需要波纹管本身自身 密度小、质量轻、比强度高，且除具有优异的耐蚀性以 外，要求其还具有无磁性、透声、抗冲击震动、可加工性 好等特点，因此钛质波纹管应用越来越广泛，需求也在 逐年增加J j 。 文中针对T A 2 材质波纹管的管坯纵缝，结合钛自身 的焊接冶金特点，使用全自动1 1 G 焊进行焊接，通过测试 力学性能、显微组织、断口形貌等分析手段对管坯焊缝的 焊接接头整体| 生能进行分析，以期对钛质波纹管焊接工艺 及生产制造提供具有一定意义的试验依据。 1 钛材料焊接性分析 钛是一种活性金属，常温下能与氧生成致密的氧 化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性能。高温下钛与 氧、氮、氢反应速度较快，钛在3 0 0 以上快速吸氢、 6 0 0 以上快速吸氧、7 0 0 以上快速的吸氮，在空气 中钛的氧化过程很容易进行。因此在焊接时刚凝固的 焊缝金属和高温近缝区( 焊接热影响区) ，不管是正面 还是背面，如不能受到有效的保护，必将引起塑性的下 降。液态的熔池和熔滴金属若得不到有效的保护，则 更容易受空气等杂质的玷污，脆化的程度更加的严重。 另外钛在空气中加热到6 5 0 10 0 0 ，保温不同时间 后，材料本身的弯曲塑性也会呈现不同程度的下降，温 度越高，保温时间越长，材料的塑性下降的越多。总结 归纳起来，钛材料自身的焊接性主要有以下几点。 ( 1 ) 间隙元素玷污引起脆化。在焊接过程中焊接 熔池处于高温的过热状态，另外结合钛自身的物理性 能，导致钛焊接时容易出现由间隙元素的污染而造成 焊接接头力学性能的下降。这些间隙元素主要为c ， H ，0 ，N 元素。 ( 2 ) 金属间化合物引起脆化。 ( 3 ) 焊接相变引起的性能变化。 ( 4 ) 焊接工艺不当引起的裂纹及气孑L 等缺陷。 综上所述，钛在焊接时应严格控制过程保护，防止 杂质元素及有害气体的侵入，以免对焊缝的整体质量 带来不利影响。 2 焊接工艺方案及试验方法 由于在钛及钛合金系列中，仅工业纯钛断后伸长 率大于3 0 ，具有液压成形性，因此试验母材选用T A 2 材料，选用的试板尺寸为5 0 0m m 1 5 0m m 0 5m m 。 考虑到试板尺寸较薄，焊接变形较大，因此焊接方法选 用自动T I G 焊，焊材选用T A 2 焊材，焊接工艺参数如 表l 所示。焊后参照N B T4 7 0 1 4 承压设备焊接工艺 评定标准进行拉伸、弯曲试验，并使用金相显微镜和 扫描电镜对焊接接头进行宏观、微观组织观察以及对 断口形貌进行分析。 表1 焊接工艺参数 结合上述钛材料自身焊接冶金性，为防止产生接头脆 化、裂纹及气孔等焊接缺陷，在焊接过程中，需要采取一定 的工艺措施来保证焊接的质量。具体措施如下。 ( 1 ) 试板下料后去除边角毛刺，使用H F ：H N 0 ，： H ：O = 1 ：6 ：1 3 ( 体积比) 溶液进行酸洗。 ( 2 ) 酸洗至表面清洁无污染后使用清水冲洗试板 去除表面酸液，清洗过后使用压缩空气沿同一方向吹 干试件表面水渍，确保坡口及坡口附近5 0m m 范围清 洁无污染。 ( 3 ) 焊前使用丙酮对坡口及坡口附近5 0m m 范围 内进行清洗擦拭，确保无表面附着。焊接夹具及背面 铜衬垫同时使用丙酮进行擦拭。 ( 4 ) 焊前严格校正试板平直度，减少焊接过程对中 操作。 ( 5 ) 焊接完毕后应滞后停气3s ，待焊缝冷至室温 时取下试件。 2 0 1 6 年第6 期2 1 万方数据 焊接现场机械制造文摘焊接分册 3 试验结果与分析 3 1 焊缝成形及无损检测分析 图l 为钛试板焊缝成形照片。由于试板尺寸较 薄，从宏观可以看出焊接接头实现了单面焊双面成形， 焊缝射线探伤未发现气孔、未熔合等缺陷。从焊缝正 面成形来看，焊缝表面成形良好，焊缝宽度4m m 左右， 焊缝余高0 1m m ，焊缝表面光滑、清洁，焊脚处圆滑过 渡，能够保证试板焊缝处在波纹管成形时避免明显的 应力集中出现。从焊缝背面成形看出，焊缝背面焊缝 宽度3m m 左右，背面余高0 1m m ，焊缝背面自由成形 良好，焊缝背面清洁、光滑，背面保护良好。良好的焊 缝成形能够为波纹管的成形及耐腐蚀性能提供一定的 基础。 m ) 焊接接头宏观形貌 ，1 焊缝正面 ( ( ) 焊缝背面 ( d ) 无损检测底片 图1焊缝成形及焊接接头宏观形貌 2 22 0 1 6 年第6 期 3 2 焊接接头力学性能分析 拉伸及弯曲试验参照N B T4 7 0 1 4 2 0 1 1 承压设备 焊接工艺评定进行，其中拉伸、面弯、背弯试样各两 个。表2 为焊接接头力学性能试验结果，试验结果表 明采用合理的焊接工艺可以获得具有优异综合力学性 能的焊接接头，抗拉强度达到5 0 0M P a ，图2 为试板拉 伸及弯曲照片，可以看出，拉伸试样断裂于母材，证明 了焊缝强度及韧性良好，面弯及背弯后焊缝表面均无 缺陷出现，证明焊缝韧性良好。 表2 焊接接头力学性能 一剥 图2 试样拉伸及弯曲照片 图3 为拉伸试验应力一位移曲线，从图中可以看 出当位移为0 1 5 4m m 时，材料处于弹性状态，此时 应力与位移呈现正比关系；位移大于1 5 4m m 时，材料 开始出现屈服，屈服强度约为3 8 lM P a ；位移继续增加 后，材料进入强化阶段，此时应力与位移呈现出不成比 例增加；位移至2 0m m 时，应力达到最大值，此时应力 点即为抗拉强度；位移继续增加后，