超低温管系MIG焊接工艺技术研究

吴妍

中国焊接协会 黑龙江哈尔滨 150028

1 序言

LNG-FSRU船的主要特点之一是大量应用了超低温液货及控制管系。超低温管系设计温度为－196℃，材质为奥氏体不锈钢（304L和316L），大部分管材为大口径薄壁管（最大φ600～φ700mm），管子制作对接焊精度要求高、难度大，焊接过程的任何缺陷及焊接应力都很可能造成管系制作的质量问题，制作过程中必须通过100%射线检测。超低温管系传统的焊接方法均采用手工TIG焊，效率低、质量难保证。为适应当前的造船形势，应用高效率的MIG焊接方法及焊接材料，开展相关的焊接试验及力学性能、化学成分分析，以满足超低温管系焊接技术要求，对于LNGFSRU船的建造十分关键。

2 MIG焊接工艺研究

（1）MIG焊接设备及工艺特点

1）焊接设备：选用瑞典ESAB的MIG焊接设备，型号为MIG 4004i pulse（见图1），焊接设备由焊接电源、送丝机构、供气系统和焊枪构成。

图1 MIG焊接设备

2）工艺特点：熔化极惰性气体保护焊熔敷效率高，熔深较大，焊缝成形较好，焊接电弧稳定、飞溅小、速度快、变形小，是一种高效的焊接方法，可应用于全位置焊接。

（2）焊接材料的选择 由于超低温不锈钢管在低温条件下工作，具有耐低温等特点，因此在焊接材料的选择匹配上要保证焊接接头的低温冲击韧度（试验温度为－196℃）。

（3）保护气体的选用 MIG焊焊接不锈钢管时，采用不锈钢实芯焊丝，常规以惰性气体保护或富氩气体保护的弧焊方法。而CO2保护焊却具有强烈的氧化性。如果采用纯氩气体保护，熔池表面张力大，焊缝成形不良。如果采用弱活性混合气体（富氩），则有如下焊接特点：①稳定阴极斑点，提高焊接电弧稳定性，减小飞溅。②提高熔滴过渡均匀性和稳定性，改善焊缝熔深形状及焊缝成形。③控制焊缝的冶金质量，减少焊接缺陷。④大大提高了焊接工艺性和焊接效率。因此，通常选用弱氧化性气体保护，如Ar+(1%～2%)O2或Ar+(2%～5%)CO2。

（4）焊接参数及层间温度 焊接参数主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度等[1]。奥氏体不锈钢的突出特点是对过热敏感，为防止碳化物析出及晶间腐蚀，提高力学性能，应控制焊接热输入，故采用小电流、快焊速，多层多道焊接时严格控制层间温度。正常情况下层间温度控制在120℃以下为宜。

3 焊接工艺试验

根据不同焊接参数进行模拟试验（包括力学性能、化学成分分析等），优化确定合适的参数，依据ABS船级社规范的要求，进行了工艺评定试验。

（1）母材的化学成分及力学性能 试验管材料为A312 TP316L，其化学成分和力学性能分别见表1、表2。

表1 超低温管的化学成分（质量分数） （%）

表2 超低温管的力学性能

（2）焊接材料选配 根据母材与焊材选配原则，焊接材料选用ESAB公司Weld M 316LSi焊丝，φ1.2mm，其化学成分和力学性能分别见表3和表4。

表3 焊材的化学成分（质量分数） (%)

表4 焊材的力学性能

（3）坡口形式 坡口形式如图2所示。

图2 坡口形式

（4）焊接参数 焊接参数见表5。

表5 焊接参数

（5）焊后无损检测结果

1）焊缝外观检测：正反面焊缝边缘整齐，表面光顺，背面成形良好，无任何表面缺陷，如图3、图4所示。

图3 MIG焊缝外观检测

图4 管内焊缝外观检测

2）射线检测：所有焊缝经X射线检测全部合格（满足ISO 5817—2014 B级）。

3）着色检测：正面焊缝着色检测后，无表面焊接缺陷。

（6）焊接接头力学性能试验结果 按照标准要求对试验板进行焊接接头力学性能试验，结果见表6、表7。拉力、弯曲及宏观典型试样如图5～图7所示。

表6 焊接接头的拉伸、弯曲试验结果

表7 －196°C冲击吸收能量试验结果（V型缺口）（J）

图5 拉伸试验

图6 弯曲试验

图7 宏金相试验

4 结束语

通过焊接工艺分析，掌握了超低温不锈钢管MIG焊接工艺关键技术，解决了超低温不锈钢管焊接技术难、焊接效率底的问题（通常情况下，MIG焊接效率是手工TIG焊的5倍），并有力地保证了焊接质量的稳定，促进了焊接技术创新和进步。