李亮，王濤，楊丙旭，王旭

(1.沈陽晨光弗泰波紋管有限公司，沈陽 110141；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

0 前言

波紋管作為儀器儀表的彈性敏感元件、各種管道的連接元件和金屬管道中常用的柔性補(bǔ)償元件，可將軸向力、橫向力或彎矩的作用轉(zhuǎn)換成位移。廣泛應(yīng)用于石油化工、能源動(dòng)力、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。波紋管種類眾多，按波紋管的層數(shù)分類，可分為單層和多層波紋管；按照波的形狀分類，可分為U形、C形、矩形、S形等[1]。其中：U形波紋管膨脹節(jié)應(yīng)用最為廣泛，然而U形波紋管在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，優(yōu)良的焊接工藝是產(chǎn)品滿足工作要求的重要因素，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[2-3]。

國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)波紋管的成形工藝、焊接工藝、缺陷分析、腐蝕行為、疲勞壽命等諸多方面進(jìn)行大量的研究[4-10]，其中在U形波紋管成形設(shè)計(jì)中，研究普遍局限于低層數(shù)，并且對(duì)于多層波紋管的焊接參數(shù)優(yōu)化研究較少[11-12]。在動(dòng)力設(shè)備的本體或進(jìn)出口，由于減隔振需求及管口許用載荷限制，需要布置用來吸收熱位移與振動(dòng)的膨脹節(jié)。尤其是一些高端的敏感動(dòng)力設(shè)備本體與進(jìn)出口，一般多為強(qiáng)振、高溫高壓工況，為了保護(hù)高端敏感設(shè)備安全，需要配置特殊的超多層高柔性薄壁波紋管膨脹節(jié)。

文中對(duì)12層316Ti不銹鋼多層波紋管與16Mo3耐熱鋼接管的焊接工藝進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)多種不同的焊接工藝參數(shù)，通過組織分析得出較優(yōu)異的焊接工藝參數(shù)，可為以后的實(shí)際生產(chǎn)提供有效數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用U形12層波紋管，材質(zhì)為316Ti不銹鋼，接管為16Mo3耐熱鋼，鋼材成分見表1。12層波紋管首先采用電阻縫焊將直邊段端頭縫焊成一體，再用多道氬弧焊焊接波紋管、接管和加強(qiáng)套環(huán)，焊接材料為ERNiCrMo3的焊絲。查找相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和焊接手冊(cè)，設(shè)計(jì)相關(guān)的一系列焊接試驗(yàn)并在線切割后進(jìn)行分析，找出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。具體焊接工藝參數(shù)見表2。由于試驗(yàn)試件較多且工藝復(fù)雜，在圖1a左側(cè)為焊后的三維示意圖，圖1a右側(cè)為焊后采用線切割制備的分析試件三維示意圖，圖1b為14種工藝下的分析試樣實(shí)物圖。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 波紋管環(huán)焊縫焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接試樣示意圖及實(shí)物圖

2 焊縫宏觀組織

圖2可以觀察到在無背面氬氣保護(hù)2.5 mm焊絲直徑低加強(qiáng)套環(huán)位置和有背面氬氣保護(hù)高加強(qiáng)套環(huán)位置條件下(9號(hào)和11號(hào))波紋管縫焊焊縫中均出現(xiàn)了約1 mm的空洞，這可能是由于焊前表面處理不當(dāng)而引起的，可以通過減緩焊接速度，嚴(yán)格仔細(xì)清理表面臟物或焊前預(yù)熱等手段防止空洞產(chǎn)生。無背面氬氣保護(hù)2.5 mm焊絲直徑高加強(qiáng)套環(huán)位置(11號(hào))在多道氬弧焊焊縫中心區(qū)域表面出現(xiàn)了氣孔，其余試件均未出現(xiàn)。對(duì)于多道氬弧焊波紋管與接管之間的焊縫而言，14個(gè)試件熔焊的熔合質(zhì)量都很好，然而有背面氬氣保護(hù)、2.5 mm焊絲直徑、高加強(qiáng)套環(huán)位置條件下(14號(hào))焊縫靠波紋管一側(cè)出現(xiàn)了未熔合缺陷，其余試件均無明顯缺陷。未熔合缺陷的微觀形貌如圖2d所示。

圖2 焊接工藝中的部分焊接缺陷

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氬氣保護(hù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

熔深作為表征焊接質(zhì)量的重要因素在一些條件下難以直接精確測(cè)量和直觀的展示優(yōu)劣差別，文中工藝中采用金相顯微鏡在低倍下對(duì)試件焊縫不同部位進(jìn)行有序拍照，然后拼接到一個(gè)整體圖片，這樣可以直觀展現(xiàn)測(cè)量方法和不同工藝下的熔深差別，最后應(yīng)用image軟件測(cè)量熔深。圖3為2個(gè)焊縫熔深及微觀組織。

圖3 焊縫熔深及微觀組織

焊接過程中保護(hù)氣體是影響焊縫成形質(zhì)量的重要因素。圖4為加強(qiáng)套環(huán)相對(duì)波紋管為較低位置時(shí)，對(duì)比2種不同焊絲直徑下，有無背面氬氣保護(hù)對(duì)于焊接熔深的影響。熔深測(cè)量結(jié)果為1號(hào)熔深為1.9 mm，4號(hào)熔深為2.3 mm；9號(hào)熔深為1.8 mm，12號(hào)熔深為2.0 mm。結(jié)果表明：1.6 mm焊絲通過背面氬氣保護(hù)措施焊縫熔深提升了21%，而2.5 mm焊絲則提升了13%。

圖4 氬氣條件作用下焊縫熔深

圖5為氬氣保護(hù)對(duì)焊縫熔合區(qū)微觀組織的影響。圖5a在熔合線附近明顯的出現(xiàn)了微觀缺陷數(shù)目多且密集，并且出現(xiàn)了碳遷移。圖5c通了20 L/min的氬氣，在熔合線附近未見明顯微觀缺陷，成形質(zhì)量良好，這是由于氬氣的流入避免了合金元素的燒損[13]。圖5b中同樣清晰地看出，在沒有氬氣保護(hù)下焊縫熔合區(qū)出現(xiàn)了焊接缺陷，緊貼焊縫分布，而圖5d有氬氣保護(hù)下焊縫熔合區(qū)成形質(zhì)量良好。綜上所述，氬氣保護(hù)會(huì)提升焊接質(zhì)量，增加焊縫熔深。

圖5 氬氣條件下焊縫的微觀組織

3.2 焊絲直徑對(duì)焊接質(zhì)量的影響

圖6為在有氬氣保護(hù)的條件下，對(duì)比3種不同加強(qiáng)套環(huán)位置及不同焊絲直徑對(duì)于焊縫熔深的影響。結(jié)果表明：1.6 mm焊絲直徑在不同加強(qiáng)套環(huán)位置(低、齊、高)條件下焊縫熔深分別為2.3 mm，2.7 mm，2.5 mm；2.5 mm焊絲直徑下焊縫熔深分別為2.0 mm，2.4 mm，2.1 mm。并且圖6研究結(jié)果中也表明低加強(qiáng)套環(huán)位置無氬氣保護(hù)下，1.6 mm焊絲比2.5 mm焊絲的焊接質(zhì)量更好。

圖6 焊絲直徑變化對(duì)熔深的影響

圖7展現(xiàn)了不同焊絲直徑對(duì)接頭中熔合區(qū)微觀組織圖。結(jié)果表明：圖7c的焊接質(zhì)量最好，熔合區(qū)無明顯顯微缺陷；圖7d的同樣條件下的2.5 mm焊絲工藝下圖的左上角熔合區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的焊接缺陷，這是由于2.5 mm焊絲直徑下的大焊接電流增加了焊接熱輸入，熔合區(qū)附近出現(xiàn)了合金元素的燒損。并且在圖7a、圖7b、圖7e和圖7f中可以清楚的看出，1.6 mm焊絲直徑下的焊縫成形質(zhì)量均好于2.5 mm焊絲直徑下的焊縫成形質(zhì)量。因此，縱觀熔深數(shù)據(jù)和熔合區(qū)微觀組織形貌，相比于2.5mm焊絲直徑，1.6mm焊絲直徑下的焊接質(zhì)量更好。

圖7 不同焊絲直徑下熔合區(qū)的微觀組織

3.3 加強(qiáng)套環(huán)位置對(duì)于環(huán)焊縫的影響規(guī)律

圖8為無氬氣保護(hù)的條件下，對(duì)比2種不同焊絲直徑，加強(qiáng)套環(huán)位置不同對(duì)于焊縫熔深的影響。結(jié)果表明：1.6 mm焊絲直徑在不同加強(qiáng)套環(huán)位置(低、齊、高)條件下焊縫熔深分別為：1.9 mm，2.2 mm，2.1 mm；2.5 mm焊絲直徑下分別為：1.8 mm，2.1 mm，1.9 mm。在1.6 mm的焊絲中齊加強(qiáng)套環(huán)的熔深高于高加強(qiáng)套環(huán)0.8 mm、高于低加強(qiáng)套環(huán)2.8 mm，2.5 mm焊絲下高出1.7 mm和2.8 mm。

圖8 不同焊絲直徑下加強(qiáng)套環(huán)位置對(duì)焊縫熔影響

圖9為不同加強(qiáng)套環(huán)條件下焊縫熔合區(qū)微觀組織圖?？梢钥闯觯瑘D9c的整體焊接質(zhì)量最好，熔合區(qū)顯微焊接缺陷數(shù)量最少缺陷最小。同樣條件下圖9a、圖9e(低、高加強(qiáng)套環(huán)位置工藝下)沿著焊縫則存在較多的缺陷。這是因?yàn)辇R加強(qiáng)位置對(duì)比低、高位置下，焊接時(shí)緊固力均勻，并且高度平齊情況下更加有利于焊縫成形。并且圖9中2.5 mm焊絲情況下：齊加強(qiáng)套環(huán)位置條件下的焊接質(zhì)量均優(yōu)于其它位置。因此，縱觀2種條件下的數(shù)據(jù)加強(qiáng)套環(huán)相對(duì)波紋管端頭平齊時(shí)焊接質(zhì)量最好。

圖9 不同加強(qiáng)套環(huán)位置顯微組織圖

3.4 波紋管與接管間隙對(duì)焊接質(zhì)量的影響

根據(jù)上述研究結(jié)果，確定氬氣保護(hù)下1.6 mm焊絲直徑齊加強(qiáng)套環(huán)位置為最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，但是在生產(chǎn)實(shí)際中，波紋管與接管間隙由于一些情況會(huì)較難準(zhǔn)確把握。而不同的間隙對(duì)焊接質(zhì)量也會(huì)存在影響。所以在1.6 mm焊絲直徑、齊加強(qiáng)環(huán)位置、不同波紋管與接管間隙條件下，綜合分析了焊接質(zhì)量及焊縫力學(xué)性能。

圖10為最優(yōu)焊接工藝下不同波紋管與接管間隙(0.5 mm，1 mm，2 mm)下的熔深測(cè)量結(jié)果。結(jié)果表明：3種工藝下的熔深分別為3.2 mm，2.7 mm，2.9 mm。0.5 mm間隙下熔深最大，這是由于小間隙會(huì)使波紋管與接管的焊接熔合更加容易。圖11為0.5 mm，1 mm，2 mm波紋管與接管間隙下的焊縫金相組織?？梢郧逦目闯?，3種條件下的熔合區(qū)都未見明顯焊接顯微缺陷，成形質(zhì)量均良好。綜合以上有氬氣保護(hù)下、1.6 mm焊絲直徑、105 A焊接電流、齊加強(qiáng)套環(huán)位置、0.5 mm波紋管與接管間隙條件下獲得最優(yōu)的焊接質(zhì)量。

圖10 波紋管與接管間隙條件下焊縫熔深

圖11 波紋管與接管間隙條件下顯微組織圖

對(duì)最佳工藝進(jìn)行異種材料的焊接工藝的力學(xué)性能分析，采用美國 INSTRON 5500 萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)異種材料焊接后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為，抗拉強(qiáng)度551 MPa±10 MPa、屈服強(qiáng)度為240 MPa±5 MPa、斷后伸長(zhǎng)率≥43.2%。對(duì)異種鋼焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，儀器為顯微維氏硬度計(jì)HVS-1000Z，測(cè)量結(jié)果為：316Ti母材處：176 HV±8 HV；焊縫處：185 HV±2 HV；16Mo3接管處：179 HV±2 HV。符合EN ISO 17639標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)在波紋管與接管的多道氬弧焊焊接工藝設(shè)計(jì)中，氬氣保護(hù)、焊絲直徑、加強(qiáng)套環(huán)的位置、波紋管與接管間隙均會(huì)影響焊縫成形質(zhì)量，尤其是熔深的大小。

(2)文中12層薄壁波紋管環(huán)焊縫最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為有氬氣保護(hù)下、1.6 mm焊絲直徑、105 A焊接電流、齊加強(qiáng)套環(huán)位置、0.5 mm波紋管與接管間隙。