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摘要：本文主要针对不锈钢管道焊接过程的质量控制进行简要分析，并重点解决在超大不锈钢管焊接过程中的背面充氩保护及现场焊接超大管道过程中的变形控制措施。通过分析不锈钢超大管焊接中常见的缺陷氧化和焊接变形，并提出使用适当的焊接工艺，结合焊接施工顺序，最终不锈钢超大管的焊接施工质量控制满足施工要求。
关键词：304L不锈钢大管；氧化；焊接变形；焊接质量控制
引言
随着科技的不断发展，不锈钢在航空、石油化工，和原子能等工业中得到越来越广泛的应用。不锈钢具有较好的稳定性。但在石油化工管道的安装，检修中、所遇到不锈钢的焊接性问题也是层出不穷，我们往往由于不锈钢管焊接性缺乏了解，造成一些不必要的焊接缺陷导致设备利用率，焊接合格率降低，及达不到原有设计所需要的使用性能等缺陷。
304L不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，具有良好的性能使其成为应用量最大、使用范围最广的不锈钢牌号，适用于制造深冲成型的部件以及输送腐蚀介质管道、容器，结构件等；亦可用于制造无磁、低温设备和部件。
1.304L不锈钢材料的化学成分及焊接性
1.1 304L不锈钢材料的化学成分
奥氏体不锈钢304L对应为：00Cr19Ni10，其主要化学成分和主要力学性能见表1。
表1 304L不锈钢化学成分和力学性能
1.2 304L不锈钢管的焊接性
30L是超低碳纯奥氏体不锈钢，焊接性较好。但由于不锈钢的导热系数小，线膨胀系数大，接头在冷却过程中形成较大的拉应力。304L不锈钢热导率较低，线膨胀系数大。因此在局部加热和冷却条件下，容易产生氧化和焊接变形。
2.304L不锈钢超大管径根部焊背面氧化控制
2.1大管径根部充氩保护装置必要性
不锈钢管焊接时背面焊缝充氩保护，可以让根部打底焊成形更美观，金属表面不会氧化；当管径较大、管线较长、焊接时，如果直接向管内充氩，将会需要大量氩气，同时增加施工工程成本。根据施工中的不同管道规格尺寸、管道工况、环境等因素，可考虑具体情况使用下述方法选择不同充氩保护装置。
2.2 常用充氩保护装置
图2 水溶纸封堵充当氩气室
氩气室的种类及制备：海绵氩气室（图1）、水溶纸封堵充当氩气室（图2）、拖罩氩气室；
2.3 盒罩型不锈钢大管径的背面氩气保护装置
选择氩气作为不锈钢大管的背面保护气体，以防止氧化和发渣，采用盒子在管道内部进行充氩保护（图3.图4）。
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2.4安装方法
（1）将气盒用胶带密封粘贴在待焊管道坡口的内部，一端接入氩气管，另一端留一个约为3-10mm 直径的排气口。
（2）若有需求测量氩气的纯度，则将氧气表安装的盒子里面的排气口附近。
（3）氩气要求一直保持充氩至焊缝金属厚度大于或等于寸（6mm）厚度。
2.5盒罩型氩气室优越性
采用盒罩型装置作是一种比较轻巧金属铝，做成长弯型盒状紧贴在管道内壁，成形氩气室保护密闭空间，使得气体用量少，节省氩气；固定方法是采用高温胶带固定，相比之下拖罩氩气室，不需要人员跟踪在管道内拖动罩充氩。氩气是一种惰性气体，从而使得降低安全风险。既能有效地防止背面氧化既经济又安全的一种背面氩气保护装置。
3.304L不锈钢大管径变形控制
3.1 不锈钢管道焊接变形原因
不锈钢管道焊接变形有两方面原因：
（1）不锈钢焊接产生的热量不对称，导致的膨胀不一而发生的变形。
（2）在实际焊接过中，组装点固焊的长度和数量不够，焊接的顺序不合理等也易引起变形。
3.2 焊接变形控制措施
不锈钢管道焊接主要工作流程如下：坡口打磨→焊缝对口→坡口角度自检→固定装配→焊口点焊→组装焊缝间隙自检和监理检查→焊接开始→间清理继续填充→焊接完成→外观目检→液体渗透→射线探伤
不锈钢管道焊接变形产生的主要原因：采取焊前装卡、焊接过程中采用合理的焊接顺序以及焊后矫正等措施，较好地控制了焊接变形，保证了不锈钢管道的焊接质量。因此，本文将着重从焊接顺序控制焊接变形。
3.3焊接顺序
3.3．1水平固定位置的焊接（图5.）
分四个步骤的焊接，如下所述：
步骤1。在底部或6点钟位置开始，向上焊接到3点钟的位置。
焊工焊接由1（W1）
步骤2。在同一时间，在9点钟开始，向上焊接到12点的位置。
焊工焊接由2（W2）
步骤3。从六点开始，向上九点向上焊接。
焊工焊接由1（W1）
步骤4。从三点开始，焊接向上的顶部重叠。
焊工焊接由2（W2）
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图5
3.3.2垂直固定位置的焊接
同上分四个步骤的焊接，采用焊工（W1、W2）对称焊接法，在增加焊工多达4焊工情况下，该序列将（W1、W2、W3、W4）焊工依次进行排列。
4.304L不锈钢超大管径焊接工艺
4.1 焊接方法的选择
通过焊接性分析和上游文件技术要求，发现材料在焊接过程中出现的问题与焊接方法中热量的输入量关系最为密切，当热输入量在，冷却较慢时，易产生氧化和焊接变形。在常用的焊接方法中TIG+SMAW焊的热输入量适中。因此，304L不锈钢超大管径采用钨极氩弧焊（TIG焊）焊接根部双面成形和采用手工电弧焊（SMAW）填充和盖面焊接是可行的，但一些细节方面还要引起注意。焊接此类材料选用ER308L焊丝（化学成份见表2）、E308L-15焊条（化学成份见表3），氩气纯度不应低于99.9%。
4.2 坡口形式的选择
为了保证焊缝焊透，减少母材的稀释作用，同时有利于保护气体全面覆盖和减少热输入量，减少焊缝填充量加工管道宜采用带钝边的V形坡口，见图7.
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图7 坡口示意图
备注：a=60°±5 t=0~3mm j=0~4mm
4.3焊接工艺参数
正确选用焊材直径。焊材直径关系到焊接热输入量的多少，因此氩弧焊焊丝选用直径为Ф2.4mm打底焊和第一层填充，手工电弧焊第一层填充采用直径为Ф3.2，中间数层采用4.0mm的焊条有利于填充量增加。在保证完全焊透、完全熔合的情况下，采用小电流、低电压（短弧焊）快速焊接，以减少热输入量、改善接头性能、减少焊接应力。焊接工艺参数见表4.
4.4焊接操作要点
（1）坡口组装时。坡口组装前应将坡口周围20mm左右范围打磨出金属光泽表面。焊接前坡口检查，确保坡口角度符合工艺要求。错边量≤壁厚的10％，且≤2mm.
（2）打底焊接前，把先焊接的一段尾端接头打磨成斜坡，便于接头更好快速熔合，避免长时间焊接产生过烧或接头未熔合等缺陷。
（3）打底焊接时背面充氩气保护，并保持到焊缝厚度大于4-6 mm左右时方可停止背面保护气体。观察内部打底情况，特别注意检查根部未熔合、凹陷、过烧或氧化等可观测到缺陷，以验证充氩效果。
（5）采用直线运条方法，不作横向摆动以免热输入量过大，采用2人对称焊法，层间温度控制不得超过150℃，使用红外线测温仪或蜡笔随时检查层间温度。待冷却至60℃以下，层间清理完成后再进行下一道焊接，层间接头要错开50mm左右，收弧时应填满熔池。
（6）每道焊缝厚度不要超过焊条直径，宽度不要超过焊条直径的3倍。
4.5 检验结果
（1）焊接完成，焊工应认真进行焊缝表面清理和外观检查，确认表面无缺陷。焊接且除了焊工严格自检之外，质检员要对焊缝做100％的外观检查，并填写焊缝外观检查记录表，发现缺陷立刻进行返修。
（2）经过无损检测，先进行表面液体渗透（PT）、再射线探伤（RT）。
（3）不合格焊缝的返修，应严格按照规程规范要求进行返修处理。
4.6 施工注意事项
（1）焊接时，必须保证焊接场所不受恶劣气候的影响（如风、雨、雪及潮气），无可靠的防护措施，不得施焊。
（2）不得在焊接坡口以外的管材上引弧、熄弧及随意的焊接临时附件，一旦出现这种情况，必须及时磨除弧斑，并经PT或MT检验。
（3）焊接过程中，应妥善保护管道中的阀门、法兰密封面、相邻管道及设备表面不被电弧、飞溅擦伤灼伤，尤其是在碳钢设备、管道附近进行不锈钢焊接作业时，必须对碳钢加以隔开或遮盖，以防止碳元素对不锈钢的污染。焊接地线夹的位置应保证焊接电流不通过阀门，做到一机一线，以保护阀门的密封面不被破坏。
（4）焊接施工过程中各道工序要求必须遵循，只有本道工序完成合格后，方可进入下一道工序。
5.结论
不锈钢大管采用TIG+SMAW焊接方法，并且在焊接过程中采用盒罩型氩气室充氩保护，减少氩气浪费、并且能够在无须配合人员跟踪，有效的防止了TIG焊单面焊双面形型根部氧化和惰性气体存在安全风险。焊接过程中，采用双人对称焊是大管焊接过程中要严格遵守顺序，能有效控制焊接变形。在以后施工生产中不锈钢大管焊接时应把这些经验方法加以推广、强化。
参考文献：
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