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(【摘要】本文主要研究了M16 304L不锈钢螺柱与16mm厚S355J碳板预埋板间的电弧螺柱焊工艺,简要介绍了螺柱焊焊接工艺,螺柱焊分类,螺柱焊设备,以及不锈钢-碳钢异种金属电弧螺柱焊工艺评定准备工作、焊接工艺参数和试验结果。针对螺柱焊工艺评定过程中问题进行分析,制定了解决措施。通过现场实际的成功应用,为后续不锈钢-碳钢异种金属电弧螺柱焊积累了成熟经验。
【关键词】异种金属;电弧螺柱焊;工艺评定;应用
1 引言
国际热核聚变实验堆(ITER)计划,简称“(ITER)计划”,其中主要装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”。在中子能量管基板安装过程中,需要采用电弧螺柱焊焊接工艺,将M16 304L不锈钢螺柱焊接到S355J碳钢预埋板上。本文描述了不锈钢-碳钢异种金属电弧螺柱焊工艺评定和现场实际应用,为今后在其他项目上应用奠定了基础。
2 螺柱焊简介
螺柱焊是将螺柱一端与板件(或管件)表面接触,通电引弧,待接触面熔化后,给螺柱一定压力完成焊接的方法。
按操作过程不同分为电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊。电弧螺柱焊特点是电弧由具有下降特性的直流弧焊电源供电,焊接时两工件之间均有先短接后拉起的引燃电弧的过程。电弧式螺柱焊接如图1所示。电容放电螺柱焊由电容器供电,焊接时带电的焊件在相互接触(或接近)的瞬间放电燃弧,完成焊接。电容放电式螺柱焊接如图2所示。
图1 拉弧式螺柱焊接示意图
图2 电容放电式螺柱焊接示意图
3 螺柱焊设备
3.1 电弧式螺柱焊设备
电弧式螺柱焊设备主要由焊接电源、控制系统和焊枪三大部分组成。焊接电源是通过变压器/整流器降压后直接放电,其工作原理与普通电焊焊接类似。由于不需要预充电,电能可以源源不断地释放,所以焊接时间长短可以控制,根据设备功率不同,可焊螺柱直径范围为3-25mm。
3.2 电容放电式螺柱焊设备
电容放电螺柱焊设备主要由焊接电源、控制器和焊枪三部分组成。电容放电螺柱焊,设备首先将预先设置好的能量额度充入电容中,随后焊接时,能量从电容中一次性全部释放出来,用于焊接,焊接时间为1-3毫秒。由于能量并不能源源不断地提供,所以电容放电螺柱焊的焊接能力有限,一般用于焊接直径为3-10毫米的螺柱。
4 不锈钢-碳钢螺柱焊工艺评定
4.1 焊前准备
焊接材料:M16 304L不锈钢焊接螺柱(如图3所示),16mm S355JR碳钢板,螺柱焊瓷环(如图3所示)。
焊接位置:2S(横焊)
焊接设备:泰勒螺柱焊机
图3 M16不锈钢螺柱和螺柱焊瓷环
4.2 焊接工艺参数
根据螺柱焊接工艺参数选择的原则,电弧螺柱焊横焊焊接工艺参数见表1。
表1 电弧螺柱焊横焊焊接工艺参数
焊接工艺 | 焊枪型号 | 电源极性 | 焊接电流/A | 提升高度/㎜ | 电弧时间/ms |
电弧螺柱焊 | DA2-A | 直流正接 | 1251~1551 | 3.5~4 | 612~748 |
4.3 试验结果
对工艺评定试件进行外观质量检查,焊缝成形较好,无表面缺陷。经外观检查后,对工艺评定试件进行拉伸和弯曲试验。拉伸试验结果(见表2)中的抗拉强度试验数值,均大于304L不锈钢抗拉强度数值,符合要求。弯曲试验结果(见表3)均符合ASME标准要求。
通过上述试验结果,可以看出不锈钢-碳钢螺柱焊的工艺评定符合焊接工艺和性能要求。
表2 拉伸试验结果
试样编号 | 试样尺寸/㎜ | 面积/㎜2 | 最大力/KN | 抗拉强度/MPa | 304L抗拉强度/MPa |
TA1-003-LS-01 | Ø14.35 | 161.73 | 90.23 | 558 | 485 |
TA1-003-LS-02 | Ø14.35 | 161.73 | 91.85 | 568 | 485 |
TA1-003-LS-03 | Ø14.35 | 161.73 | 89.22 | 552 | 485 |
TA1-003-LS-04 | Ø14.35 | 161.73 | 95.56 | 590 | 485 |
TA1-003-LS-05 | Ø14.35 | 161.73 | 108.87 | 673 | 485 |
表3 弯曲试验结果
试样编号 | 弯曲角度 | 结果 |
TA1-003-WQ-01 | 使螺柱从原轴线弯曲150后恢复原状 | 未见缺陷 |
TA1-003-WQ-02 | 未见缺陷 | |
TA1-003-WQ-03 | 未见缺陷 | |
TA1-003-WQ-04 | 未见缺陷 | |
TA1-003-WQ-05 | 未见缺陷 |
5 不锈钢-碳钢螺柱焊问题分析及解决措施
5.1 问题分析
在不锈钢-碳钢螺柱焊工艺评定过程中,出现的缺陷主要有螺柱焊接强度不够、螺柱根部成型差等。相关缺陷见图4。
通过对各个影响因素的分析,螺柱焊接强度不够的主要原因是焊接电流小,焊接时间短,导致不锈钢螺柱未能与碳钢基板很好地熔合在一起。螺柱根部成型差的主要原因是螺柱瓷环匹配性,未能正确使用配套瓷环。
图4 不锈钢-碳钢螺柱焊缺陷
5.2 解决措施
针对问题产生原因,制定如下解决措施:
(1)合理优化电参数,适当调整电流、电压配比,施焊前清除坡口表面浮锈露出金属光泽,发现杂质及时清除。
(2)采取专用横焊位置瓷环。在焊接过程中,瓷环起到收聚能量,限制外观形状,防止飞溅等作用。
通过上述措施的应用,解决了在不锈钢-碳钢螺柱焊工艺评定中相应问题。经对工艺评定试件目视、拉伸、弯曲试验后,符合相应标准要求。
6 不锈钢-碳钢电弧螺柱焊现场应用
在中子通量管基板安装过程中,根据现场实际情况,结合焊接工艺评定获得的焊接参数,制定了焊接工艺卡。按照焊接工艺卡,采用不锈钢-碳钢螺柱焊接工艺焊接相应螺柱,在对产品螺柱无损检查后,一次合格率100%。焊接质量稳定,符合相应要求。焊接后的产品螺柱如图5所示。
图5 产品螺柱
7 结语
螺柱焊在安装螺柱或类似紧固件时,可取代铆接、钻孔、焊条电弧焊、电阻焊等。在船舶、锅炉、压力容器、车辆、航空、石油、建筑等领域应用广泛。
通过对不锈钢-碳钢电弧螺柱焊工艺的研究和现场实际应用,在不锈钢-碳钢异种钢电弧螺柱焊焊接工艺、现场操作和质量管理等方面积累了经验,为今后在其他项目应用中奠定了基础。
【参考文献】
【1】ISO 3506-1:2009, 耐腐蚀不锈钢紧固件的机械性能.第 1 部分:螺栓螺钉和螺柱.
【2】ISO 13918-2007, 焊接电弧螺栓焊用螺栓和陶瓷箍套.
【3】陈祝年. 焊接工程师手册. 机械工业出版社. 2010.
【4】ASME. Boiler & Pressure Vessel Code Section Ⅸ. 2013.
作者简介:马晓锋(1984.05~),汉族,男,河北邢台人,大学本科,工程师,从事焊接管理方向。