一种碳钢管道和容器的大间隙多层步进式氩弧焊封底修复方法与流程

本发明涉及管道容器焊接的技术领域，尤其涉及一种碳钢管道和容器的大间隙多层步进式氩弧焊封底修复方法。

背景技术：

碳钢管道、容器在建设安装时，为保证板材在厚度方向上焊透，往往设计有不同角度的坡口，并预留有2～5mm的间隙，使电弧能深入到焊缝的根部，保证焊缝截面的完全熔合。由于装配误差，有时出现间隙超宽现象，导致根部间隙加大；碳钢管道、容器焊缝经焊后检测根部有超标缺陷，进行返修时，去除根部的缺陷后，间隙大于初始间隙，根部清理后的坡口往往较宽，有时出现上述异常情况的坡口根部间隙达到10～20mm，甚至更大，与设计值悬殊。

碳钢、容器管道穿透缺陷的大间隙氩弧焊封底焊时，一般采用以坡口根部两侧为基点，进行锯齿或月牙形摆动焊接，前进速度较慢，焊接热源给单位长度上的热能较大，熔池宽而厚，体积大，高温时间长，对焊接接头的使用非常不利：（1）.焊缝金属的力学性能与其组织形态是密切相关的，常规方法焊接的焊缝及热影响区晶粒粗大，塑性、韧性较差；（2）.焊接时，焊缝局部加热膨胀，受到离焊缝较远部分的约束不能自由伸长，使焊区受压产生塑性变形;在随后的冷却中，焊接区域缩得比其他部分短，又受到离焊接区较远部分的约束不能自由缩短，因而受拉产生残余拉应力；（3）.焊缝上部背面易形成焊瘤，下部背面易形成内凹，几何形状的急剧变化，使局部应力增高，形成应力集中，易产生疲劳裂纹；（4）.对内部介质的流动，造成阻力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碳钢管道和容器的大间隙多层步进式氩弧焊封底修复方法，能有效克服现有技术的缺陷，能对碳钢管道和容器进行优良的弧焊填充盖面修复方法，还能够在保证焊缝内部无焊接缺陷的前提下，同时获得优良的力学性能，提高设备的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：

一种碳钢管道和容器的大间隙多层步进式氩弧焊封底修复方法，包括如下步骤：

步骤1：焊接缺陷定位步骤，通过无损检测的方式，确定管道和容器中缺陷的性质，以及缺陷所处的深度、长度、宽度、走向，并进行外观的定位、标识和记录；

步骤2：焊接缺陷清理步骤，针对缺陷的位置、性质、大小用碳弧气刨或切割打磨的方式进行缺陷清理；

步骤3：焊前预处理步骤，提供氩弧焊前的焊接位置预处理；

步骤4：多层步进式氩弧焊封底步骤，其包含如下子步骤；

步骤4.1：以坡口根部为基点、以根部边缘焊缝金属为基点进行从外向内的悬空堆焊，其先以坡口根部金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，接着以根部边缘焊缝金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊；

步骤4.2：在步骤4.1的堆焊金属为基点进行中间焊接，首先以堆焊金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，接着通过氩弧焊进行填充焊接；

步骤4.3：合拢焊缝的焊接，首先以两侧根部边缘的焊缝金属为基点，沿坡口长度立向上进行焊接，接着以合拢焊缝和两侧焊缝为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊；

步骤5：焊条电弧焊进行填充和盖面；

步骤6：无损检测步骤，对焊缝进行无损探伤，确保无超标缺陷。

其中：步骤2中，在缺陷体积较大时选用碳弧气刨的方式，缺陷体积较小时用角磨机打磨，从管道外表面，由外及里进行掏挖。

其中：步骤3包含如下子步骤：

步骤3.1：坡口修磨，对缺陷位置进行掏挖，并在缺陷位置修磨坡口形状，使缺陷位置的坡口面更为平直，避免出现较大的棱角；

步骤3.2：坡口渗透探伤，参照记录，对坡口表面进行渗透探伤；

步骤3.3：焊前预热，采用红外加热或气体火焰，焊缝进行焊前预热，温度100～150℃，加热宽度不小于三倍管壁厚度，且不小于100mm。

其中：步骤4.1中，上半周焊接时采用小的焊接电流、小摆幅，减小熔池体积，缩短熔池存在时间；下半周时，采用内送丝的继丝方法，使焊丝在根部偏上位置熔化，抵消重力的不利影响。

其中：步骤4.2中，焊枪做锯齿形横向摆动，每道焊完后将焊道表面清理干净，层间温度不高于200度。

其中：步骤4.3中，采用单面焊双面成型手法合拢焊缝。

其中：步骤5中填充时采用多层多道焊，施焊顺序及方向同打底焊，在距焊缝始焊端前方10mm处引弧后，将电弧迅速移至始焊端施焊，将焊道的熔渣清理干净，填充焊层高度比母材表面低1~1.5mm，保留坡口棱边，以利盖面。

其中：步骤5中，盖面时采用多层多道焊，熔化坡口棱边1~2mm，盖面时要保证焊缝边缘和下层熔合良好，焊缝边缘与母材圆滑过渡。

本发明的碳钢管道和容器的大间隙多层步进式氩弧焊封底修复方法能提供如下有益效果：

（1）通过特别设计的氩弧焊封底方式，配合手工电弧焊填充、盖面，即使面对焊接修复中极难处理的管道、容器根部大间隙焊缝，也能得到优质的焊缝，避免焊缝根部产生焊瘤，减小应力集中。

（2）通过本发明的方法对碳钢管道的大间隙进行多层步进式氩弧焊封底焊时，焊接热输入降低70%～80%，被熔化的母材在焊道金属中所占的体积百分比（熔合比），降低到大间隙单道封底焊的30%～40%，晶粒度由4～8级降低到8～9级，避免单道焊由于焊缝及热影响区长时间处于1200摄氏度左右的粗晶易发区间、冷却速度慢、熔池过热产生脆性大韧性低的魏氏组织。

（3）由于熔池体积小，在焊接时，金属熔池液态冷凝成固体，因其体积发生收缩而形成的凝缩应力大幅减小，焊接变形随之减小40%～50%；多步进式焊接法金相组织细，焊缝、熔合区、热影响区的冲击韧性比单道焊高40%～70%，裂纹倾向小，力学性能好，根部过渡平缓，焊接接头的使用寿命提高2～3倍。

附图说明

图1为本发明的焊接工艺坡口图。

图2为本发明采用的水平固定管坡口焊接顺序图。

图3为本发明采用的垂直固定管坡口焊接顺序图。

图4为常规大间隙氩弧焊单道封底焊缝金属显微镜下100倍金相图。

图5为常规大间隙氩弧焊封底焊缝金属显微镜下500倍金相图。

图6为本发明的焊缝金属显微镜下100倍金相图。

图7是为本发明的焊缝金属显微镜下500倍金相图。

具体实施方式

下面结合附图，以gb5310-95的20g管、规格219mm*25mm为实施例进一步说明。

如图1～3所示，一种碳钢管道和容器的大间隙多层步进式氩弧焊封底修复方法，包括如下步骤：

步骤一：焊接缺陷定位步骤，可通过无损检测的方式，确定管道和容器中缺陷的性质，以及缺陷所处的深度、长度、宽度、走向，并进行外观的定位、标识和记录；

步骤二：焊接缺陷清理步骤，可针对缺陷的位置、性质、大小，选择用碳弧气刨或切割打磨的方式，在缺陷体积较大时，可选用碳弧气刨的方式，缺陷体积较小时，可用角磨机打磨，从管道外表面，由外及里进行掏挖，随着掏挖厚度的增加，及时观察、测量，直到找到缺陷位置，对焊接缺陷进行清理，以将焊接缺陷进行露出。当钢中的碳、铬、镍、锰、钼、钒、铜、硅元素增加时，焊接接头的热影响区在焊接过程中产生硬化的倾向也加大，易产生高硬度的贝氏体组织，裂纹倾向加大，焊接性变差，在进行碳弧气刨时，碳棒与工件间的强电流将缺陷处的金属熔化，并用压缩空气将其吹掉，刨槽表面的急剧升温和快速冷却，易产生贝氏体组织，需进行预热，以防止产生新的缺陷；

步骤三：焊前预处理步骤，通过焊前处理，提供氩弧焊前的焊接位置预处理，其中可包含如下子步骤；

步骤3.1：坡口修磨，对缺陷位置进行掏挖，并在缺陷位置修磨坡口形状，使缺陷位置的坡口面更为平直，避免出现较大的棱角；如果缺陷穿透管壁，两侧坡口角度修磨成12°~15°，钝边0.5~1mm，并将内表面的毛剌和氧化物清理干净；

步骤3.2：坡口渗透探伤：参照记录，对坡口表面进行渗透探伤，如穿透性缺陷体积较大，用内窥镜进行管道内表面观察，确保缺陷清理完毕；

步骤3.3：焊前预热：采用红外加热或气体火焰，焊缝进行焊前预热，温度100～150℃，加热宽度不小于三倍管壁厚度，且不小于100mm；

步骤四：多层步进式氩弧焊封底步骤，该步骤为本发明的主要发明点，其可包含如下子步骤；

步骤4.1：以坡口根部为基点、以根部边缘焊缝金属为基点进行从外向内的悬空堆焊，具体而言，其先以坡口根部金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，接着以根部边缘焊缝金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，根部焊接时，焊缝背面处于悬空状态，由于重力的作用，液态的熔池金属易下垂，下半周焊接时，形成内凹，上半周焊接时，形成焊瘤。上半周焊接时采用小的焊接电流、小摆幅，减小熔池体积，缩短熔池存在时间；下半周时，采用内送丝的继丝方法，使焊丝在根部偏上位置熔化，抵消重力的不利影响；

步骤4.2：在步骤4.1的堆焊金属为基点进行中间焊接，首先以堆焊金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，接着通过氩弧焊进行填充焊接，填充焊接时焊缝金属有下层支撑，电流可比悬空焊大，焊枪可做锯齿形横向摆动，其幅度稍大，焊接时注意层间熔合，每道焊完后将焊道表面清理干净，还可采用分段交错焊接的方法，控制局部温度，层间温度不高于200度；

步骤4.3：合拢焊缝的焊接，首先以两侧根部边缘的焊缝金属为基点，沿坡口长度立向上进行焊接，优选采用单面焊双面成型手法，合拢焊缝，接着以合拢焊缝和两侧焊缝为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，在焊接时，焊缝根部引弧并预热引弧处，当形成熔池并出现熔孔后再送丝，焊接速度和送丝速度过快，易使焊缝下凹或烧穿，因此焊丝送入要均匀，焊枪移动要平稳，焊接时，要密切注意熔池变化，随时调节角度、速度，保证背面焊缝成型良好，有效完成水平固定管的超大根部间隙的氩弧焊封底；

其中，所述合拢焊缝需进行加厚焊接，以免手工电弧焊填充时烧穿，焊接时加大焊枪的摆动幅度，保证熔池盖住两侧焊缝中点。

在具体应用中，对于超大根部间隙的管水平固定焊接，其应用的多层步进式氩弧焊封底步骤如下：

步骤4.1：以坡口根部为基点、以根部边缘焊缝金属为基点的悬空堆焊，以坡口根部金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流100～120a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道1、4，以根部边缘焊缝金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流100～120a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道3、6、7、10、13、15，根部焊接时，焊缝背面处于悬空状态，由于重力的作用，液态的熔池金属易下垂，下半周焊接时，形成内凹，上半周焊接时，形成焊瘤。必需采用小的焊接电流、小摆幅，减小熔池体积，缩短熔池存在时间；下半周时，采用内送丝的继丝方法，使焊丝在根部偏上位置熔化，抵消重力的不利影响。

步骤4.2：在步骤4.1的堆焊金属为基点进行中间焊接，以堆焊金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流110～130a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道2、5、8、9、11、12、14、16、17、18；氩弧焊填充焊接时，焊缝金属有下层支撑，电流可比悬空焊大，焊枪可做锯齿形横向摆动，其幅度稍大，焊接时注意层间熔合，每道焊完后将焊道表面清理干净；采用分段交错焊接的方法，控制局部温度，层间温度不高于200度。

步骤4.3：合拢焊缝的焊接，以两侧根部边缘焊缝金属为基点，沿坡口长度立向上进行焊接，采用单面焊双面成型手法，合拢焊缝，焊丝直径为ø2.4mm，电流100～120a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道19；以合拢焊缝和两侧焊缝为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流110～130a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道20；合拢焊接时，焊缝根部引弧并预热引弧处，当形成熔池并出现熔孔后再送丝，焊接速度和送丝速度过快，易使焊缝下凹或烧穿，因此焊丝送入要均匀，焊枪移动要平稳，焊接时，要密切注意熔池变化，随时调节角度、速度，保证背面焊缝成型良好；合拢焊缝需进行加厚焊接，以免手工电弧焊填充时烧穿，焊接时加大焊枪的摆动幅度，保证熔池盖住两侧焊缝中点，如焊道20与焊道14、16之间的结合。

对于超大根部间隙的管垂直固定焊接，其应用的多层步进式氩弧焊封底步骤如下：

步骤4.1：以坡口根部为基点、以根部边缘焊缝金属为基点的悬空堆焊，以坡口根部金属为基点，沿坡口长度立向上进行堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流100～120a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道1；以根部边缘焊缝金属为基点，沿坡口长度方向进行横堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流100～120a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道4、7、10、13、16；根部焊接时，焊缝背面处于悬空状态，由于重力的作用，液态的熔池金属易下垂，形成焊瘤。必需采用小的焊接电流、小摆幅，减小熔池体积，缩短熔池存在时间。

步骤4.2：在步骤4.1的堆焊金属为基点进行中间焊接，以堆焊金属为基点，沿坡口长度方向进行横堆焊，焊丝直径为ø2.4mm，电流110～130a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道2、3、5、6、8、9、11、12、14、15、17；氩弧焊填充焊接时，焊缝金属有下层支撑，电流可比悬空焊大，焊枪可做锯齿形横向摆动，其幅度稍大，焊接时注意层间熔合，每道焊完后将焊道表面清理干净；采用分段交错焊接的方法，控制局部温度，层间温度不高于200度。

步骤4.3：合拢焊缝的焊接，以下侧根部边缘焊缝金属为基点，沿坡口长度进行横焊，采用单面焊双面成型手法，合拢焊缝，焊丝直径为ø2.4mm，电流100～120a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道18；以合拢焊缝、下侧焊缝和上侧坡口为基点，沿坡口长度方向进行焊接，焊丝直径为ø2.4mm，电流110～130a，电压12～14v，钨极直径ø2.5mm，氩气流量8～12l/min，焊接速度为10～12cm/min，如焊道19；合拢焊接时，焊缝根部引弧并预热引弧处，当形成熔池并出现熔孔后再送丝，焊接速度和送丝速度过快，易使焊缝下凹或烧穿，因此焊丝送入要均匀，焊枪移动要平稳，焊接时，要密切注意熔池变化，随时调节角度、速度，保证背面焊缝成型良好；合拢焊缝需进行加厚焊接，以免手工电弧焊填充时烧穿，焊接时加大焊枪的摆动幅度，保证熔池与上部坡口的熔合，如焊道19与焊道18、上坡口之间的结合。

步骤五：焊条电弧焊进行填充和盖面，填充时采用多层多道焊，施焊顺序及方向同打底焊，在距焊缝始焊端前方10mm处引弧后，将电弧迅速移至始焊端施焊，将焊道的熔渣清理干净，填充焊层高度比母材表面低1~1.5mm，保留坡口棱边，以利盖面，盖面时采用多层多道焊，引弧方法与填充层相同，熔化坡口棱边1~2mm，盖面时要保证焊缝边缘和下层熔合良好，焊缝边缘与母材圆滑过渡；

步骤六：无损检测步骤，对焊缝进行无损探伤，确保无超标缺陷。

由于焊缝金属的力学性能与其组织状态密切相关，通过对单道焊氩弧焊焊缝和多层多道氩弧焊焊缝进行金相组织观察，从图4（放大100倍）、图5（放大500倍）可以看出，常规的大间隙氩弧焊封底时高温时间长，冷却速度慢，焊缝组织为粗大的先共析铁素体+针状铁素体，且伴生魏氏组织，组织粗细不均匀，晶粒度在4~8级。

而采用本发明的方法，单条焊缝横截面小，厚度小于5mm，后层焊缝有效地对前层焊缝进行加热，此处热的传递充分，类似于对前层焊缝进行正火处理，从图6（放大100倍）、图7（放大500倍）可以看出，焊缝组织为铁素体+针状铁素体+少量珠光体，整体组织较均匀，平均晶粒度在8~9级。焊缝金属的整体组织明显得到细化，可以从表1中得到对比结果。

表1不同焊接工艺焊缝组织的组成与晶粒度

由此可见，本发明的优点在于：采用特别设计的氩弧焊封底方式，配合手工电弧焊填充、盖面，即使面对焊接修复中根部大间隙焊缝的管道、容器焊接，也能避免焊缝根部产生焊瘤，得到优质的焊缝，减小应力集中，而且金相组织细小均匀，焊缝、熔合区、热影响区的冲击韧性高，裂纹倾向小，力学性能好。