针对304不锈钢管的焊接研制出了一种可用于TIG焊的背面保护剂,主要由MgOAl2O3TiO2MnOCaO等组成。采用定性打分法分析了单一保护剂对焊缝背面抗氧化性、成形性的影响,在此基础上结合304不锈钢管合金系统的特点,确定了保护剂的组成成分。利用正交试验得出了各组元含量的变化对焊缝背面抗氧化性、成形性的影响规律,所得到的配方可以有效防止焊缝背面氧化,促使背面成形良好。对简化不锈钢管焊接时的背面保护工艺具有重要意义。

1前言

不锈钢管具有优良的耐蚀性、耐热性、抗氧化性及良好的机械和加工性能,被广泛的应用在医疗器械、石油化工和原子能等行业。随着不锈钢管材消费量的强劲增长,带动了不锈钢管焊接市场的快速增长。不锈钢管焊接过程中的背面保护问题日益突出,目前采用的保护方法主要有:背面充氩保护、自保护药芯焊丝保护、陶瓷衬垫保护、混合气体保护等,以上方法都存在各自的缺点,如无法对高空焊接的焊缝背面进行保护,在长管道焊接时,也无法对焊缝背面进行有效的保护等。近年来,一种新型的保护方法引起了人们的关注,采用焊缝背面保护剂来防止焊缝背面氧化,国外已经有类似的保护剂出售,但国内还未见研究报道。本文对用于不锈钢管焊缝的背面保护剂配方进行研究。

2试验方法

根据化学物质的性质,选定保护剂材料,主要为MgOAl2O3TiO2CaONaClMnO等。用电子天平(精度为0.01mg)进行称量,将称量的组分放入研钵中充分研磨均匀。采用自制的粘结剂与保护剂按1:5的比例混合,搅拌均匀后加入丙酮调制成糊状以备涂刷。涂刷前将焊道背面清理干净,用毛刷将糊状的保护剂涂刷在待焊焊道背面,厚度约为3-4mm,待丙酮挥发后即可焊接。

不锈钢管试样尺寸为200mm×80mm×1mm,使用苏州华焊科技有限葡萄浏览器官方下载 - 新萄京娱乐网址9生产的DIGITAL305全中文自动TIG焊机进行焊接。焊接参数为:电流75A,电压10-11V,焊速65mm/min,钨极直径3mm,电极锥角60°,弧长3mm。采用定性打分法考察单一保护剂对焊缝背面抗氧化性和成形性的影响,根据结果确定保护剂的成分,利用正交试验研究多组元配方。

3实验结果及分析

3.1单组元对焊缝背面抗氧化性和成形性的影响

各单组元对焊缝背面抗氧化性和成形性的得分从高分到低分依次为:TiO2Al2O3MgOMnOCaONaClNaFV2O5Fe2O3SiO2,如图1所示。TiO2Al2O3对焊缝背面抗氧化性和成形性影响较大,MgOMnO次之。考虑到氟化物可以降低焊缝中氢的含量,但氟化物毒性较大,在保护剂的配方设计中尽量控制氟化物的含量。最终挑选了TiO2Al2O3MgOMnOCaO为保护剂的基本成分,进行4水平,5因素的正交试验。

3.2配方中各成分含量变化对焊缝背面抗氧化性、成形性的影响

TiO2CaO小于10%时,随着两组元含量的增加,焊缝背面被氧化的程度逐渐减弱,焊缝背面上的麻点逐渐减少。随着Al2O3含量增加,焊缝背面鱼鳞纹变得细小,但对焊缝背面的抗氧化能力影响不大。MgO的含量小于4%时,随其含量的增加焊缝背面变得光滑,焊缝背面的抗氧化能力变化不大。MnO含量为52%时,得到具有金属光泽、表面光滑的焊缝。

3.3最佳配方

根据各组元对焊缝背面抗氧化性和成形性的影响规律,调整各组元的含量,得到比较满意的2组配方,采用此配方进行焊接,所得到的焊缝背面无氧化、呈现银白色的金属光泽,余高适中,成形良好。

4保护剂的作用机理

保护剂对焊缝背面的保护作用为物理保护和化学保护。(1)物理保护:保护剂涂刷在焊缝背面,在焊接的过程中,保护剂使熔池底部与空气隔离起到保护作用。(2)化学保护:在保护剂中加脱氧剂,如果焊缝背面被氧化,则可使被氧化的铁还原,主要化学反应方程式如下:

[FeO]+Mn=[Fe]+(MnO)1

3[FeO]+2Al=3[Fe]+(Al2O3)2

2[FeO]+Ti=2[Fe]+(TiO2)3

保护剂中的MgOCaOAl2O3是高熔点、稳定的氧化物,不易分解,在保护剂中与粘结剂一起起到物理保护作用。MnO可以提高保护剂的碱度,降低保护剂的熔点,有利于焊缝背面成形,但是它具有氧化性,含量高焊缝背面易被氧化。TiO2可以降低焊缝背面FeO的含量,从而避免了FeO与α-Fe结合覆盖在焊缝的背面使其氧化,起到化学保护的作用。保护剂对焊缝性能的影响将另文讨论。

5结论

(1)试验中所涉及的各组元,在单组元实验时,对焊缝背面的抗氧化性、成形性都有不同程度的影响,TiO2Al2O3对焊缝背面抗氧化性和成形性影响较大,MgOMnO次之。

(2)在多组元配方中,增加TiO2的含量,焊缝背面的抗氧化能力提高、焊缝背面成形变好,当含量为8%时,可使焊缝背面变的平滑。Al2O3的含量在10~25%时,随着Al2O3的含量的增加,焊缝背面鱼鳞波纹变得细小。当Al2O3含量达到20%时,可以得到光滑的焊缝背面。MnO含量为52%时,得到具有金属光泽的焊缝背面。CaO的含量在2%~10%时,随着CaO的含量的增加,焊缝背面的抗氧化能力提高、焊缝背面上的麻点逐渐减少,焊缝背面成形变好。

(3)利用正交试验法所得的背面保护剂配方,可以使焊缝背面无氧化、成形良好,满足相关使用要求。