不銹鋼管自動(dòng)TIG封根焊研究

李玉波

1.中國一重核電石化事業(yè)部石化制造分廠助理工程師，遼寧 大連 116113

我公司厚壁不銹鋼管以往采用手工TIG焊封根，焊縫根部質(zhì)量易出現(xiàn)未焊透、鎢極夾渣及氣孔等缺陷。而采用管對接自動(dòng)焊機(jī)施焊得到的焊縫金屬組織細(xì)密，缺欠少，質(zhì)量好。因此，研究管對接自動(dòng)焊最佳工藝參數(shù)并應(yīng)用于生產(chǎn)中，可大大提高工作效率，保證焊縫一致性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

（1）焊機(jī) 管對接自動(dòng)焊設(shè)備由焊接電源和焊接機(jī)頭（見圖1）兩部分組成，具有自動(dòng)生成焊接程序、焊接過程及參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示、交互式人機(jī)界面、一站式焊接質(zhì)量控制指導(dǎo)等先進(jìn)功能，大大降低了對焊接人員技術(shù)水平的要求。焊接電源具有脈沖電流和程序控制功能，可以控制調(diào)節(jié)焊接速度、電流、時(shí)間、保護(hù)氣體、提前送氣和滯后停氣等參數(shù)；焊接機(jī)頭通循環(huán)水冷卻，具有負(fù)載持續(xù)率高的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備能夠存儲(chǔ)50組焊接參數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)所焊工件尺寸、材料類別，選擇已有的對應(yīng)程序。電源為晶體管數(shù)字式逆變電源，其陡降外特性使焊接電流不易受鎢極與工件間距離變化影響。機(jī)頭具有自動(dòng)弧長控制功能，通過信號(hào)反饋?zhàn)詣?dòng)校正電弧電壓，調(diào)節(jié)弧長。直流伺服電機(jī)減速器帶動(dòng)一對齒輪使焊炬旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)全位置焊接。焊接結(jié)束前電流自動(dòng)衰減，以消除弧坑和防止弧坑開裂。為穩(wěn)定電弧，該焊接電源具有迅速從峰值變?yōu)榛惦娏鞯哪芰?，既降低了對母材的熱輸入，又提高焊接速度，適合全位置焊接，背面無需墊板即可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。

（2）保護(hù)氣體 為防止熔池與空氣接觸氧化，管內(nèi)外表面均需要惰性氣體保護(hù)。采用鋼管兩端貼膠帶的方式密封填充氬氣，保護(hù)焊縫背部不受空氣污染。

（3）鎢極尺寸及端頭形式 鎢極氬弧焊電極的作用是導(dǎo)通電極、引燃電弧并維持電弧穩(wěn)定燃燒。鎢極直徑選取需綜合考慮電流種類和極性，脈沖焊時(shí)由于在基值電流期間鎢極受到冷卻，許用電流可適當(dāng)提高。鎢極伸出長度過長易過熱且保護(hù)效果差；反之噴嘴易過熱。因鈰鎢極比純鎢極工藝性好得多，且對人體無損害，本試驗(yàn)采用直徑為?2.4 mm的鈰鎢極，端頭用專用磨削機(jī)磨成尖角。

圖1 焊接機(jī)頭及試件示意圖

（4）試樣準(zhǔn)備 鋼管材質(zhì)0Cr18Ni10Ti，屬于耐腐蝕型奧氏體不銹鋼，焊前不需要加熱，具有較好的加工性和焊接性。制備時(shí)應(yīng)確保接頭根部厚度在公差范圍內(nèi)，切口要與管壁垂直，不允許有毛刺，根部直邊不允許有倒角。坡口的形狀和尺寸是焊接的基礎(chǔ)，尤其是對于不銹鋼管對接自動(dòng)焊，坡口形狀和尺寸對焊接質(zhì)量和焊接效率均有關(guān)鍵性的影響。經(jīng)試驗(yàn)對比分析，對于不銹鋼管對接焊縫而言，采用V型坡口不但加工方便，易于施焊，而且適用于各種厚度的對接接頭。

坡口角度的作用在于保證焊透和焊接的可行性，其選取的一般原則是在滿足工藝條件下，選擇盡可能小的坡口角度。但管對接自動(dòng)TIG焊如果角度過小，則電弧穩(wěn)定性變差，電弧易向坡口兩側(cè)飄移而導(dǎo)致電弧熱和電弧不能集中在坡口底部，造成未焊透。當(dāng)坡口根部厚度過大時(shí)，電弧吹力和熔化金屬受重力作用，易形成根部內(nèi)凸和焊瘤；而根部厚度過小時(shí)，焊接電流小，能承受的工藝范圍窄，控制難度大，易產(chǎn)生燒穿等缺陷。本次試驗(yàn)為便于操作，將坡口角度放大，根部厚度選擇1.3mm。

2 試驗(yàn)過程

（1）裝配 因氬氣為惰性氣體，焊接過程中不與液態(tài)金屬發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，無去氫、脫氧作用，所以試件待焊處裝配前必須清理干凈。用砂布打磨去除工件坡口及坡口兩側(cè)表面至少50 mm范圍內(nèi)的油污、雜物和水分；兩試件的中心應(yīng)在一條直線上，偏差量需嚴(yán)格控制，盡量消除圓周方向錯(cuò)邊，否則將直接影響焊縫成形；嚴(yán)格控制裝配間隙小于0.1 mm（見圖2）。

圖2 坡口尺寸與裝配示意圖

（2）焊前準(zhǔn)備 施焊前將試件固定在焊接機(jī)頭中，用專用輔具為管內(nèi)壁充入氬氣；應(yīng)注意將保護(hù)氣流量調(diào)整到合適的范圍，否則流量太小時(shí)挺度差，流量太大時(shí)氣流層中會(huì)出現(xiàn)紊流，空氣易進(jìn)入，降低保護(hù)效果；檢查焊接設(shè)備是否連接正確，包括電源極性的正確選擇和連接、網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)是否正常、保護(hù)氣體及循環(huán)水路是否正常、鎢極伸出長度及其尖端角度是否合適、機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常；調(diào)試焊機(jī)并設(shè)定脈沖電流、旋轉(zhuǎn)速度、起弧收弧位置等焊接參數(shù)（見圖3）。采用直流正接（DCSP）法將工件接正極，鎢極接負(fù)極；檢查電源水箱冷卻液量，注入去離子純凈水，確保不少于水箱容積的3/4；為檢驗(yàn)設(shè)定程序是否適用，應(yīng)先進(jìn)行模擬焊接。模擬除有關(guān)電流和弧長自控功能外的其它程序設(shè)定模擬功能，在模擬過程中將保護(hù)氣流量調(diào)至最佳范圍。

圖3 焊接脈沖電流示意圖

（3）焊接 用焊接回路中串接的高壓脈沖發(fā)生器引弧，鋼管固定不動(dòng)，由焊接機(jī)頭自動(dòng)圍繞待焊處做圓周旋轉(zhuǎn)進(jìn)行全位置焊接。當(dāng)電流達(dá)到峰值時(shí)母材融化形成點(diǎn)狀熔池，待回落至基值電流后熔池凝固形成一個(gè)焊點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)焊速和脈沖電流，由多個(gè)焊點(diǎn)相互搭接最終形成連續(xù)的焊縫。

針對全位置脈沖TIG焊工藝參數(shù)較多的情況，本試驗(yàn)先確定其它參數(shù)，最后調(diào)節(jié)脈沖電流，即先根據(jù)焊點(diǎn)重疊搭接量確定機(jī)頭旋轉(zhuǎn)速度和脈沖峰值時(shí)間，再確定脈寬比，控制總的熱輸入量，最后調(diào)節(jié)峰值電流和基值電流。調(diào)節(jié)脈沖電流時(shí)設(shè)定峰值電流、基值電流、峰值時(shí)間及脈沖寬度。試驗(yàn)中根據(jù)表面成形及焊縫背面熔合情況調(diào)整焊接速度、脈沖電弧等相關(guān)焊接參數(shù)。

焊接時(shí)具體程序如下：①保護(hù)氣體提前供氣；②接通主電源和高壓脈沖電源實(shí)現(xiàn)引?。虎劢油}沖電源，對焊縫起始點(diǎn)進(jìn)行預(yù)熱；④焊槍旋轉(zhuǎn)，焊接開始；⑤整圈焊接及起點(diǎn)處必要的覆蓋；⑥衰減脈沖并熄??；⑦焊槍停止轉(zhuǎn)動(dòng)并停止送氣，完成焊接。

經(jīng)多次試驗(yàn)，根據(jù)試件外觀成形最好且目視背面根部基本焊透，不銹鋼管無剝層裂紋、壓痕夾雜、焊接引弧燒傷，焊縫表面飽滿、均勻，焊接花紋細(xì)膩致密，焊縫寬窄一致，無氣孔、咬邊、弧坑及發(fā)黑等缺陷（見圖4）確定出最佳參數(shù)組合（見表1）。將該批試樣進(jìn)行無損探傷和解剖試驗(yàn)。

圖4 焊縫表面

表1 焊接參數(shù)

3 試件檢驗(yàn)與結(jié)果分析

（1）首先對接頭進(jìn)行著色探傷，檢測標(biāo)準(zhǔn)按JB4730-2005Ⅰ級(jí)執(zhí)行。確認(rèn)焊接接頭無微小裂紋存在；

（2）焊接經(jīng)X光射線探傷，根部充分焊透，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透等缺陷。X光底片按JB4730-2005Ⅱ級(jí)評定合格，技術(shù)等級(jí)按AB級(jí)（見圖 5）；

（3）滲漏試驗(yàn)：試件在自由狀態(tài)下，經(jīng)受0.4 MPa的氣壓，保壓3 min無泄漏現(xiàn)象；

（4）晶間腐蝕試驗(yàn)：對焊接接頭按《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》 （GB/T4334-2008）考核合格；

（5）試件解剖后管內(nèi)焊縫呈銀白色，說明管內(nèi)充氬氣保護(hù)效果良好。

圖5 焊縫X光射線底片

4 脈沖電流影響分析

脈沖電流是獲得全焊透焊縫最關(guān)鍵參數(shù)，可降低對母材的熱輸入，提高焊縫冷卻速度、減少高溫滯留時(shí)間，提高不銹鋼接頭耐腐蝕性；同時(shí)防止因熔敷金屬表面張力不足以支持熔池而造成焊縫的下榻，提高焊縫抗燒穿能力；在焊道最小寬度情況下提高焊縫熔深，保證根部焊透。具體確定時(shí)需綜合考慮母材、根部厚度、焊接速度、保護(hù)氣體等因素的影響。

（1）在全位置管焊接過程中，必須通過對電流的有效控制降低重力對熔池的影響，防止焊縫金屬失控流淌，保證焊縫外觀及一致性。具體在仰焊位置，熔池液態(tài)金屬將向下流動(dòng)，此時(shí)如果采用較大的電流，熔池容易接觸鎢極導(dǎo)致短路；在上坡焊位置，熔池液態(tài)金屬將向后流動(dòng)，如果電流過高就可能出現(xiàn)“垂瘤”，而如果電流過低又可能造成未焊透；在平焊和下坡焊位置，由于熔池液態(tài)金屬將向前下方流動(dòng)并填入焊縫，會(huì)使電弧熔化根部變得困難，造成根部焊透性差。對小直徑不銹鋼管由于熱量積累效應(yīng)十分明顯，應(yīng)適當(dāng)逐漸減小焊接電流。在焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，為保證焊縫性能，應(yīng)嚴(yán)格控制對母材的熱輸入，在保證根部焊透和熔合的條件下，應(yīng)盡可能選擇小的線能量；

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明為保證焊縫成形，峰值電流與基值電流的比例以3∶1較為適宜，而且應(yīng)在保證電弧穩(wěn)定性前提下，盡量選擇較低的基值電流；由于脈沖頻率對焊接花紋具有決定性影響，為便于起弧，應(yīng)將熔池重疊量設(shè)定為75%；母材的熱敏感性和焊接電源的許用電流決定了峰值寬度，對焊熱敏感性高的材料時(shí)，峰值寬度相應(yīng)降低。為保證焊縫表面成形，峰值寬度通常應(yīng)為總脈沖寬度的25%；峰值電流與峰值寬度之積為電通量，它決定焊縫的形狀尺寸，特別是熔深。當(dāng)鋼管根部較薄時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低峰值電流并相應(yīng)地延長峰值寬度；對全位置焊接來說，起焊點(diǎn)的選擇將決定收弧質(zhì)量。因此，在焊小管時(shí)要特別注意設(shè)定好起焊點(diǎn)和收弧角度。另外，適度提高焊接速度可降低焊接接頭在危險(xiǎn)溫度（400℃～800℃）區(qū)間的停留時(shí)間，有利于提高不銹鋼接頭耐腐蝕性能。

5 結(jié)語

（1）經(jīng)過試驗(yàn)，確定了合理的焊接參數(shù)，焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定、效率高，各項(xiàng)理化指標(biāo)滿足既定要求，對接封根焊接質(zhì)量能夠滿足不銹鋼管實(shí)際生產(chǎn)需要；

（2）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊接過程中，脈沖電流直接影響焊縫成形、根部熔深，是決定焊縫質(zhì)量的最關(guān)鍵的因素；

（3）試驗(yàn)證明，先確定其它參數(shù)，最后調(diào)節(jié)脈沖電流的方法可大大簡化工藝試驗(yàn)過程。