0 前言
高氮奥氏体不锈钢是含氮量在0.4%以上，用氮元素代替昂贵的镍元素作为奥氏体化元素的新型钢种[1]，由于其特有的成本优势，近些年许多学者对高氮钢研制及应用进行了进一步深入研究，发现其具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，在生物医药、海洋平台、大型设备等各个领域得到推广和应用[2]。尤其值得一提的是，由于这种材料在高应变冲击下强度及韧性较常规材料有明显提高，这为重载及承受冲击载荷的设备开发提供了新型材料。
高氮钢的比强度、比刚度随着含氮量的提高也有明显提升，高的比强度和比刚度能明显减轻结构重量，因此市场对高含氮量的材料需求更为迫切，目前含氮量在0.6%以上的高氮钢逐渐占据主流。高氮钢的实际应用在很大程度上受限于它的焊接性能，在焊接过程中，氮元素易在熔池中聚集成逸出，导致焊接接头部位含氮量显著降低，力学性能急剧下降[3]。如何降低焊接过程中的氮损失，或者在焊接过程中通过人为干预，向熔池中增氮，成为解决高氮钢焊接的技术关键，这对高氮钢的焊接材料提出了很高的要求。
目前的高氮焊丝开发，一般都是基于成分匹配及焊接接头组织匹配原则开发的[4]，因而需要深入考察焊丝的焊接工艺性。若焊接工艺性不好，一方面氮的聚集和逸出容易导致氮气孔和过大的焊接飞溅，另一方面氮元素逸出到电弧空间，会导致焊接电弧不稳定进而影响焊缝成形。作者前期通过大量的计算仿真和试验研究，研制出了E2507N高氮钢专用焊丝，焊接试验结果表明焊缝区和母材都是奥氏体[5]，实现了焊接接头组织的一致性。文中主要通过弧焊质量分析仪、高速摄像等分析手段对该焊丝焊接过程的电流、电压信号、电弧稳定性、焊接飞溅以及烟尘排放率等工艺性因素进行考察和分析，为这种材料的工程应用奠定基础。
安全联锁逻辑功能可根据工艺过程需求确定，加氢裂化装置安全联锁逻辑的特殊性主要在反应部分，该部分具有高压特点，联锁逻辑主要有：反应器紧急泄压联锁逻辑、进料泵联锁逻辑、进料加热炉或氢气加热炉联锁逻辑、循环氢压缩机联锁逻辑、新氢压缩机联锁逻辑、贫液泵和注水泵联锁逻辑、防止高压串低压联锁逻辑等。加氢裂化装置主要联锁逻辑如图1所示。
管道是由各种管件组装成一条满足某一特定介质输送要求的管子，并固定在一特定位置，根据BIM模型，考滤实际安装条件，即将管道按一定的长度(一般为3～8m)分节，每一节采用一个框架进行固定，该框架内组合管道即构成一节管。施工时只需将每一节管运至现场定位安装，即可一次性完成一个3～8m管道的安装。这种施工方式可以大大减少现场作业人员数量，提高管道的安装效率与质量，更有效降低施工危险性[5]。
1 焊接材料和试验方法
焊接材料为最新自主研制的E2507N高氮钢专用特种药芯焊丝，焊丝的化学成分和力学性能见表1和表2。
表1 E2507N焊丝化学成分(质量分数，%)
CSiMnCrNNiMo0.030.41.6250.2971.9
表2 高氮钢不锈钢药芯焊丝E2507N力学性能
抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)冲击吸收能量KV/J7703041
试验采用ZB-500型GMAW焊机，考察焊接过程稳定性采用的焊接保护气为80%Ar+20%CO2，考察焊接飞溅采用的保护气为100%CO2，气体流量都为18 L/min，焊丝伸出长度为18 mm。利用AH型汉诺威弧焊质量分析仪对焊接过程进行电信号采集及分析。用Pentanzent16型高速摄像机对熔滴过渡过程进行拍摄，采样频率为1 200 fps/s。采用专业焊接烟尘测试装置采集分析焊接烟尘排放率，烟尘采集装置符合ISO15011—1—2000《烟尘分析的采样和发尘量的测定》标准。
2 试验过程及分析
2.1 焊接过程质量分析
图1所示为试验过程中采集到的焊接电流和电压信号，其中图1a～1f对应的焊接预设电压分别为20 V,21 V,22 V,24 V,26 V,30 V，采集时间为20 s。由图可以看出，当焊接电压在21～26 V之间时，随着焊接电压的降低，短路过渡逐渐增多,当焊接电压为21 V时出现密集短路现象，如图1a所示，当焊接电压继续下降到20 V时，则焊接电流波形出现异常，如图1b所示，表示焊接过程中出现固态短路现象。而当焊接电压达到30 V时，如图1f所示，弧长过长，短路频率为0，不再出现短路现象。
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从图1可知，E2507N高氮钢焊丝短路过渡焊接电压区间为21～26 V，为说明焊接过程以及短路过程的稳定性，计算所采数据点的变异系数，变异系数是标准差与平均值的比值，可以用来表示数据的离散程度，变异系数小说明该组数据更加稳定。
图2所示为E2507N焊丝短路过渡过程的短路周期及短路周期变异系数ε(Tc)，可以发现在电弧电压为21～26 V范围内，基本上随着焊接电压的增大，其短路周期的变异系数也在增大，说明该种焊丝随着焊接电压的增大，焊接过程的稳定性变差，据此可以认为当焊接电压为21 V时，焊接过程最为稳定。
进而在21 V/190 A焊接条件下，对高氮钢药芯焊丝进行进一步的工艺评价。在焊接参数适当的情况下，E2507N焊丝短路周期变异系数比较小，工艺稳定性较好,见表3。
图1 不同焊接电压下的焊接电流电压信号波形图
图2 短路周期及其变异系数随焊接电压变化规律
2.2 焊接飞溅分析
为考察E2507N焊接飞溅情况，特意选取飞溅率更大的焊接规范，焊接电压和电流分别是28 V/220 A，在100%CO2保护气氛下进行试验。
图3为熔滴过渡过程的高速摄像照片，可以看出E2507N焊丝即使在纯CO2气体保护下，熔滴过渡频率仍然很高，到120 滴/秒，飞溅颗粒细小、频率较低，说明这种焊丝工艺性优良。分析飞溅出现的原因，是由于CO2在电弧作用下分解产生氧原子[6]，具有较强氧化性，焊接时液体金属和氧原子作用极为强烈产生FeO，FeO进一步和熔滴及熔池中的C原子反应，产生CO，电弧高温使得熔滴和熔池表面CO气体体积急剧膨胀而发生剧烈爆炸而导致飞溅产生。
对该焊丝的飞溅率进行测量，飞溅率检测严格按照GB/T 25776—《焊接材料焊接工艺性能评定方法》中有关焊接飞溅率测定方法进行。将尺寸为300 mm×50 mm×20 mm的试板立放在厚度为5 mm的紫铜板上，在紫铜板上放置一个用约1 mm厚紫铜薄板围成的高400 mm的圆筒，其周长为1 500～2 000 mm，焊接试验在圆筒中进行，以防止飞溅物散失。每组试验分别在三块试板上施焊，焊后称量焊材和飞溅物的质量，称量精度精确至0.01 g，按照公式(1)计算飞溅率。
表3 E2507N焊丝电弧物理参数
试样编号电弧电压测量值U/V焊接电流测量值I/A平均短路频率fsc/(滴·秒-1)短路周期变异系数ε(Tc)(%)变异系数平均值ε(Tc)(%)119.40195.152.045.11219.45194.651.042.7942.88319.41193.949.440.74
图3 焊接过程高速摄像照片
(1)
式中：S为飞溅率；m为飞溅物总质量；m1为焊材总质量；m2为剩余焊材总质量。
计算得到E2507N焊丝的飞溅率为1.9%，低于3%的使用标准，从焊接飞溅的角度也说明该焊丝的工艺性良好。
ηljkmin、ηljkmax——分别表示两个地区之间的下限系数和上限系数，可结合区域社会综合发展规划，通过专家咨询予以确定，本文取ηljkmin=0.8；ηljkmax=1.2;
2.3 焊接烟尘排放率
对E2507N焊丝焊接烟尘进行收集试验，焊接参数为28 V/245 A，焊接速度为255 mm/min。试验时，用测试设备内的滤膜对烟尘进行层层过滤，用过滤前后滤膜的质量增量与电弧作用时间的比值来表示该种焊丝的烟尘排放率。为了准确评定焊接过程烟尘排放率，做了三次测试，并计算平均值，如果平均值的结果离散度超过平均值的10%，则增加两次测试，并计算五次结果的平均值，测试结果见表4。
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表4 焊接烟尘排放率测试结果
试样编号烟尘排放率 r/(mg·min-1)165126153597平均值621
试验结果说明其焊接烟尘排放率小于常规药芯焊丝平均焊接烟尘排放率(790 mg/min)，可见E2507N高氮钢不锈钢药芯焊丝的焊接烟尘发尘率较小，对环境的影响较小，属于环境友好型焊接材料。
3 结论
(1) 熔滴短路周期变异系数ε(Tc)能够准确反映高氮不锈钢焊丝的焊接工艺性，当焊接参数为21 V/A时，E2507N焊丝焊接过程最为稳定。
(2) 在纯CO2保护下，E2507N高氮钢不锈钢药芯焊丝熔滴过渡频率较高，达到120 滴/秒，飞溅较少。
(3) E2507N药芯焊丝烟尘排放率为621 mg/min，烟尘发尘率较小，对环境影响较小，属于环境友好型焊接材料。
参考文献
[1] 崔大伟, 曲选辉, 李科. 高氮低镍奥氏体不锈钢的研究进展[J]. 材料导报, , 19(12): 64-67.
[2] 李光强,董廷亮.高氮钢的基础研究及应用进展[J].中国冶金,(7):5-11.
[3] 荆皓,王克鸿,强伟,等.氮含量对高氮钢PMIG焊接头组织和性能的影响[J].焊接学报,,38(4):95-98
[4] 付洪亮,毛雅丽.奥氏体不锈钢的焊接特点及焊条选用[J].石油和化工设备,,12(6):56-57.
[5] 杨春利, 林三宝. 电弧焊基础[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, :128-132.
