薄壁不锈钢管件加工惰性气体保护焊接应用

引言

随着现代工业对管件材料耐腐蚀性、轻量化、结构稳定性等方面的要求越来越高，薄壁不锈钢管因其具有良好的力学性能、较好的耐候性以及容易实现成型等特点被广泛用于建筑给排水、石油化工、食品医药等领域。由于薄壁不锈钢管件的壁厚一般都在 0.8～3mm 范围内，焊接过程中容易出现烧穿、变形和氧化等问题，利用传统的焊接工艺无法达到相应的质量要求。惰性气体保护焊接(如 TIG 焊、MIG 焊)具有电弧稳定、保护效果好以及焊缝成形美观的特点，是解决薄壁不锈钢管件焊接的有效途径。

1 薄壁不锈钢管件焊接的技术难点

1.1 材料特性带来的挑战

薄壁不锈钢管件壁厚偏薄，热传导系数小，焊接时局部温度容易骤然升高，导致管件出现过热变形；不锈钢中有铬、镍等合金元素，在高温条件下会与空气中的氧、氮反应形成氧化铬、氮化铬等脆性化合物，降低焊缝的力学性能和耐蚀性；另外，因为薄壁管件的刚度比较差，焊接应力集中更加明显，焊缝处有产生裂纹或者管件整个变形，造成后续装配不良。

1.2 传统焊接工艺的局限性

传统电弧焊焊接薄壁不锈钢管件时，电弧能量无法准确控制，极易导致管件烧穿或焊透不良。气焊的温度较低，加热速度慢，工作效率低下，且保护效果差，容易出现因管件冷却不均导致的焊缝凹陷及凹坑等问题。采用惰性气体保护焊焊接则可通过控制惰性气体（氩气、氦气等）使焊接区形成封闭的保护层，隔绝空气与熔池的直接接触，减少氧化。

2 惰性气体保护焊接在薄壁不锈钢管件加工中的应用

2.1 常用惰性气体保护焊接方法

2.1.1 钨极惰性气体保护焊（TIG 焊）

TIG 焊是以钨极做电极，将钨极与工件之间产生的电弧熔化金属，并由喷嘴喷出惰性气体保护熔池及钨极。它电弧稳定，能量集中，能准确地控制热量输入，适用于薄壁不锈钢管件对接焊、角接焊等工作场景。在薄壁不锈钢管件焊接过程中，TIG 焊接采用直流正接方式，钨极的选择为：根据管径大小的不同选择不同直径的钨极,惰性气体一般选择纯度 ⩾99.99 % 的氩气；气体流量需要控制在 8～12L/min 范围内，以保证保护效果且免使熔池产生波动。

2.1.2 熔化极惰性气体保护焊（MIG 焊）

MIG 焊接使用熔化后的焊丝为电极，在焊丝和工件间产生电弧加热并熔化工件，利用从喷嘴喷出的惰性气体来保护熔池。相对于 TIG 焊接方式而言，其焊接速度更快，适用于批量生产的薄壁不锈钢管件焊接。选用焊丝直径时需要依据管件厚度，如： 0.8～1.2mm 焊丝用于焊接管件 1.0～2.0m m；选择合适的焊接电流，控制在 50~120A 之间；调节适当的焊接电压，一般在 18～24V 内，电弧稳定不烧穿。MIG 焊接不仅可以向熔池添加焊丝补充熔池金属，而且可以使焊缝成形更好、焊缝强度高。

2.2 焊接工艺参数的优化

2.2.1 热输入参数的控制

热输入量是影响薄壁不锈钢管件焊接的主要因素之一。热输入过大将造成管件的严重变形甚至烧穿；而热输入过小又容易产生未焊透等缺陷。以厚度 1.5mm 的 304 不锈钢管件对接焊为例，TIG 焊接时，焊接电流控制在 60～80 A 范围，焊接速度为 80～100mm/min ,电弧电压维持在 10～12 V,此时热输入可控制在 0.5～0.8kJ/mm ,既可以保证熔透，又能减小焊接变形。MIG 焊接时可适当提高焊接电流到 80～100 A,将焊接速度提高到 100～120mm/min ,保持热输入量在 0.6～0.9kJ/mm 即可达到高效且保质的效果。

2.2.2 惰性气体保护参数的设定

惰性气体的纯度、流量及喷嘴距工件的距离，都会直接影响到保护效果。其中，惰性气体纯度越高越好，例如可达 99.999% 。当焊接件对气密性要求较高时，如食品级管件等，也可使用 99.999% 纯度的氩气。至于气体流动量，需根据喷嘴大小调节：常用 8～10mm 喷嘴的流量约为 8～12L/min， 12～14mm 喷嘴的流量则为 12～15L/min 。另外，喷嘴与工件的距离要适中，太远无法保证焊接保护范围，太近则容易撞上工件。

2.3 焊接操作要点

1）薄壁不锈钢管件焊接必须严格按照以下步骤和要求进行：焊接前要对管件表面先预处理，用 120⋅180 目砂纸打磨管件表面，清除焊接区表面的氧化皮、油污、杂物等，直到露出了金属光泽，仔细检查焊丝表面是否有锈蚀或油污情况，若有长时期放置后的焊丝，先烘干再使用。

2）焊接时一定要控制好电弧的长度，TIG 焊时电弧的长度要与钨极的直径相适应，一般在钨极直径的 0.5～1 倍左右；MIG 焊时电弧长度稍长一些，在 1～2mm 之间。还要控制好电弧的稳定性，防止因电弧过长而使保护范围发生变化。不同的焊接接头形式，需要采取不同的操作方法，如对接焊时，需要先调好管子的位置，使轴线对上，坡口贴紧；角接焊时要将两管子夹角调准，避免偏焊。

3）装配间隙应控制在 0.5～1mm 之间，如果间隙大于最大值，则通过补焊或移动管子固定点的方式进行调节，避免在焊接时出现烧穿现象。焊接顺序可以选择按管件结构特点分别采用分段退焊法和对称焊接法进行操作。使用分段退焊法时应将焊接区域分成 3～5 段，由中间逐步向两端焊接；对称焊接法则要从管件对称位置同时施焊，利用其对称性以抵消焊接应力。

4）焊后要立即采取措施及时降温，然后用压缩空气吹焊缝区域至常温。再用专用钝化剂均匀涂在焊缝上和周围区域，静置 15~20 分钟后再用水清洗干净，最后用干棉布擦干表面水分。务必保证焊缝上不能有残留钝化剂，以免影响到焊缝使用后的成型性以及后期使用性能。

3 焊接缺陷的防控与性能检测

3.1 常见焊接缺陷及防控措施

3.1.1 氧化与气孔

氧化缺陷主要是由于惰性气体保护不完善造成，主要措施是保证气体的纯度，检查气体管路是否漏气，调整好气体流量和喷嘴距离等；而气孔则大都由于工件表面油污、水份没除干净或者焊丝潮湿造成，焊接之前要把管件表面打磨干净，脱脂处理，焊丝要经过 200～300^∘C 烘烤并要保存在干净的容器里面。

3.1.2 变形与烧穿

变形可采用焊接顺序改变、用工装夹持管件或控制热输入等措施防止；烧穿要限制焊接电流、电压和速度，降低热输入，保证装配间隙合适，并根据需要使用背衬（如铜背衬）消散多余的热量。

3.2 焊缝性能检测

为检测焊接质量，要对薄壁不锈钢管件的焊缝进行力学性能和耐腐蚀性能检测。力学性能检测有拉伸试验、弯曲试验，要求焊缝抗拉强度不低于母材 90% ；弯曲试验后无裂纹。耐腐蚀性能检测可使用盐雾试验或者晶间腐蚀试验，确保焊缝在恶劣环境中达到耐腐蚀要求。此外，还要从外观检测，无损检测等方法中检测焊缝中存在的缺陷是否在相关的标准范围内，如 GB/T 12459-2017《钢制对焊管件类型与参数》。

4 结语

惰性气体保护焊接技术能有效防止被焊物氧化、烧穿及减少变形，提高热输入的精准度。但对薄壁不锈钢管件，不管用什么方法（MIG 焊或 TIG 焊）都会引起一定的开裂和过烧现象，难以避免，这是由其特性决定，这些都对焊接时产生不利的影响。由于热影响范围比较大，判断其质量问题时往往比较困难。因此，应高度重视焊接工艺参数的设置，严格控制技术流程，把质量放到首位，根据实际情况进行合理的安排与科学的应用。在未来，惰性气体保护焊接的应用范围将变得更加广泛，可为其它行业提供一定的辅助性帮助。

参考文献：

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