大口徑厚壁鋼管全位置窄間隙熱絲TIG焊技術

徐祥久+張宇+黃超+陳怡

摘要： 針對鋼管環(huán)縫全位置焊接的特點，分析了厚壁大口徑鋼管環(huán)縫焊接的工藝難點，討論了首層焊接時熔池金屬的受力狀態(tài)。采用專用全位置窄間隙熱絲TIG焊接設備，利用鎢極運動和分區(qū)段工藝參數的設定，克服了厚壁大口徑管全位置焊的難點，獲得了無缺陷的優(yōu)良全位置焊接接頭。

關鍵詞： 大口徑管；全位置；窄間隙；熱絲TIG焊

中圖分類號： TG444+.74

Abstract： According to the peculiarity of all position welding， the difficulties in circular seam welding of large diameter heavy wall steel pipe were analyzed. The force on weld pool of first layer was discussed. Weld joint without defects were gained by useing special all position narrow gap hot wire TIG welding equipment， which conquered the difficulties by employing the movement of tungsten electrode and setting processing parameters.

Key words： large diameter pipe； allposition； narrow gap； hot wire TIG welding

0前言

由于15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-335P91等低合金鋼大口徑管具有優(yōu)良的高溫使用性能，被廣泛應用于火力發(fā)電站鍋爐的高溫壓力結構中[1-3]，如鍋爐集箱筒體、主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等重要部件。在這些部件的制造與安裝過程中，會產生大量的環(huán)形對接焊縫，以滿足電站鍋爐產品的結構要求。對于這些部件在鍋爐制造廠內的直管拼接，一般可采用焊接滾輪架配合，在平焊位置實現焊接。然而對于彎管的環(huán)縫，或者直管現場安裝時的環(huán)縫，焊接時工件無法轉動而不能實現平焊，因此有大量的環(huán)縫是在全位置進行焊接。目前對于這些環(huán)縫的全位置焊接采用的主要是手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充并蓋面焊的工藝方法[4， 5]。這種焊接生產方式效率低，工人勞動強度高，焊縫質量受焊工操作水平影響大，焊接材料消耗量大。大口徑管全位置窄間隙熱絲TIG焊接技術正是為改變這種落后的生產方式而開發(fā)出來的一種新技術。

1焊接結構分析

對于位置固定的大口徑管環(huán)縫，在同一條焊縫焊接過程中會同時存在平焊、立焊和仰焊等位置的焊接操作，而且同時存在立向下焊和立向上焊情況（圖1）。由于重力的作用，焊接過程中熔池形態(tài)隨著焊接位置的變化會產生較大的變化，這種重力的作用將直接影響著焊縫的最終成形與內在品質。因此在焊接過程中需在不同的位置采用不同的工藝參數，以保證在整個圓周方向上均獲得優(yōu)良的焊縫。

1.1首層焊接要求

由于空間小而無法在大口徑管內部進行焊接操作，為了保證環(huán)縫的全焊透，在外部進行環(huán)縫的首層焊接時，要求實現單面焊雙面成形。而這種單面焊雙面成形為無背面襯墊的自由成形，焊接時主要依靠液態(tài)金屬的表面張力來實現，使之在自由狀態(tài)實現焊縫的背面成形。這種自由成形的難度在于對熔池溫度、體積及電弧停留時間的要求較高，否則極易產生燒穿或未焊透缺陷，對于全位置焊則更加難以控制。圖2為首層焊接時熔池金屬的受力情況示意圖（僅示出平焊和仰焊位置）。

2a的熔池金屬受力可以表示為：σ=F+G，其中σ為熔池金屬的表面張力在豎直方向的分量，F為電弧對熔池的作用力，G為熔池金屬所受的重力。當熔池尺寸增加時，表面張力增加，同時熔池體積增加，而且這種熔池體積增加帶來的重力增量遠大于表面張力增量，當熔池體積增加到表面張力小于電弧作用力與熔池重力之和時，熔池將會下沉，導致焊縫背面余高過大或熔池金屬突然墜落產生焊穿現象。圖2b可表示為：F=σ+G，當熔池尺寸增加時，表面張力和熔池體積均增加，若電弧對熔池的作用力小于表面張力與熔池重力的和，則熔池中液態(tài)會出現下沉，焊縫背面出現凹坑、咬邊等缺陷或熔池流淌散落損壞鎢極。

全位置焊接時，在整個圓周方向重力、表面張力、電弧力對熔池的作用是連續(xù)變化的，而且這些力均與焊接參數有關，當焊接電流、電壓發(fā)生變化時，這些力的大小會隨之變化。因此焊接過程中需根據熔池所在位置的不同設定不同的焊接參數，既要保證焊縫根部全焊透，又要保證熔池的穩(wěn)定和焊縫的成形。

1.2窄間隙坡口

對于厚壁管，特別是壁厚大于30 mm的大口徑管，為了減少焊縫金屬的填充量，提高生產效率、降低生產成本，需要加工窄間隙焊接坡口，焊接時每層只需焊接一道。這種窄間隙焊接坡口寬度一般為10～15 mm，坡口面角度一般為0.5°～2.0°，隨著坡口的填充焊接，坡口寬度會不斷收縮，坡口面與工件表面接近垂直。因此就要求所采用的焊接工藝及設備能保證坡口側壁的完全熔合。

大口徑鋼管外徑會存在一定的橢圓度，且管徑越大橢圓度越大，也就是說焊接過程中，不同位置的坡口深度是不同的。另外焊接坡口機械加工和裝配的尺寸會存在一定的誤差。這就需要在焊接過程中，焊接機頭能自動識別焊接坡口深度，保證電弧長度始終在合理的范圍內，同時還能自動識別坡口中心位置，以保證獲得坡口兩側均熔合良好的優(yōu)良焊縫。

2原理與設備

2.1全位置焊原理

對于位置固定的大口徑無縫鋼管環(huán)縫焊接，所采用的全位置窄間隙熱絲TIG焊接設備，是通過行走小車沿固定在鋼管上的軌道轉動，窄間隙熱絲TIG焊槍在行走小車的帶動下對焊縫進行全位置焊接。與常規(guī)熱絲TIG焊相同，通過熱絲電源對焊絲進行預熱，提高焊接過程中焊絲的熔化速度，增加單位時間內焊縫金屬的熔敷量[6]。

2.2設備組成

采用大口徑管全位置窄間隙熱絲TIG焊接設備進行焊接，該成套設備主要由焊接電源（含熱絲電源）、過程控制器、水冷系統(tǒng)、焊接機頭、行走小車以及行走軌道等部分組成（圖3）。

采用直流窄間隙熱絲TIG焊接技術，焊接過程中，管件固定不動，行走小車搭載窄間隙焊接機頭沿軌道方向行走，實現大口徑厚壁管的全位置窄間隙熱絲TIG焊接。

2.3設備功能與特點

全位置窄間隙熱絲TIG焊接設備行走小車可沿軌道進行±360°旋轉運動，焊接時可在正、反兩個方向進行切換，由于每個方向均有一個送絲系統(tǒng)，這樣便免除了單一方向焊接電纜纏繞后反向空轉的過程，且正、反兩個方向交替進行焊接，可有效減小焊接應力。

為了更好的保證深坡口側壁的熔合，焊接過程中鎢極可進行左右搖動，并可在極限位置駐留一定的時間。實際焊接時鎢極的位置是不斷變化的，圖4a為焊接時鎢極位置示意圖，圖4b為鎢極安裝照片。這種連續(xù)搖動可有效保證坡口側壁熔合，每層均能獲得圓滑的凹狀“笑臉形”焊縫成形。更為重要的是在不斷的搖動過程中，控制系統(tǒng)可根據電弧電壓對鎢極位置進行跟蹤，即可同時捕捉坡口左、右側壁和高度三個方向的電弧壓力反饋，通過這些反饋信號，焊槍可不受加工和裝配精度的影響而自動保持在坡口中心位置。

焊接機頭除可進行鎢極搖動外，還可進行水平擺動，以滿足焊縫寬度要求。例如蓋面焊接時，同時開啟設備的搖動和擺動功能，便可一次完成蓋面寬焊道的焊接。同時在鎢極搖動、擺動焊接時，焊絲也隨之運動，使焊絲始終能送入到熔池最佳位置，增大了電弧熱的利用率。

設備配有離線編程功能，可通過計算機編制焊接控制程序，然后導入焊接過程控制器進行應用。為了更好的控制全位置焊接過程中的焊縫成形，可根據不同位置熔池的受力情況分區(qū)段進行焊接參數設定，克服重力等因素對焊接過程帶來的不利影響。

3焊接工藝

根據上述設備的能力與特點采用圖5所示的焊接坡口形式進行焊接。焊接時首先采用全位置焊設備將組對好的工件進行點焊，根據工件直徑和重量確定點焊的數量，一般為3～5點，每點長度約10 mm。然后進行全位置打底焊，從工件最高點（平焊位置）引弧，焊接口機頭沿同一方向進行運動，經360°旋轉后返回至引弧點，為了更好的搭接，一般再焊接3°～5°后熄弧。然后再反向焊接下一層，這樣正向、反向交替進行焊接，直至填滿整個焊接坡口，最后進行蓋面焊接。焊接過程中根據坡口寬度和鎢極長度調整搖動角度，以保證坡口兩側均熔合良好，蓋面焊接時同時開啟搖動和擺動功能，保證最終焊縫的成形飽滿、平滑。

在進行分區(qū)段焊接工藝參數設定時，應根據不同的焊接位置對焊接參數進行修正，下坡焊位置最容易控制焊縫成形，可適當增加焊接電流和送絲速度。而在上坡焊位置對焊縫成形的控制最為困難，應將焊接電流減小10～20 A，同時將電弧電壓和送絲速度適當減小，使焊絲準確送入熔池，且熔池中液態(tài)金屬不倒流，從而保證上坡焊時的焊縫成形。焊接工藝參數的修正應連續(xù)平緩過渡，以免引起焊縫形貌的突變。

對于不同的焊接材料的大口徑管焊接參數會有較大的差異。例如，碳鋼材料液態(tài)金屬流動性好，焊接時應采用較小的熱輸入和較低的送絲速度，防止焊接過程中熔池金屬流淌。而對于不銹鋼材料，可適當采用稍大些的焊接參數，但應嚴格控制層間溫度在合理的范圍內。對于要求焊前預熱溫度較高的低合金鋼，焊接時還應考慮預熱溫度對熔池的影響。實踐表明，采用大口徑管全位置窄間隙熱絲TIG焊接技術，應控制單層焊縫厚度在1.5～2.5 mm范圍內，才能保證所獲得的焊縫成形美觀、性能優(yōu)良。

采用全位置窄間隙熱絲TIG焊工藝，分別焊接了20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-335P91共4種電站鍋爐常用材料厚壁（壁厚范圍為40～70 mm）大口徑管環(huán)縫，焊縫經UT和RT檢測均合格。圖6為焊縫表面形貌照片。

相對于可轉動的工件采用埋弧焊方法在平焊位置進行焊接，這種全位置窄間隙熱絲TIG焊接的效率明顯偏低，但與采用焊條電弧焊方法的全位置焊接效率一致。

采用窄間隙全位置熱絲TIG焊接方法，可彌補埋弧焊無法全位置焊接的缺點，并可克服焊條電弧焊手工操作質量不穩(wěn)定的問題，并且可極大地降低工人勞動強度。同時，對于全位置焊接，這種正、反兩個方向交替焊接的窄間隙焊接方式，更有利于減小焊接接頭的應力。

4結論

根據大口徑鋼管環(huán)縫全位置焊接結構，討論了首層焊接時熔池金屬的受力狀態(tài)，分析了厚壁鋼管環(huán)縫全位置焊接的難點。

采用專用的全位置熱絲TIG焊接設備，通過鎢極運動和分區(qū)段工藝參數設定，克服了厚壁大口徑管全位置焊的困難，對不同材料厚壁大口徑管環(huán)縫進行焊接，獲得了無缺陷的優(yōu)良全位置焊接接頭。

參考文獻

[1]袁超， 胡正飛， 吳細毛. 熱電廠15CrMo鋼管高溫蒸汽氧化腐蝕機理研究[J].材料熱處理學報， 2012 （增刊）： 90-95.

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[3]張緩， 張宏偉， 王世強， 等. 超臨界機組T/P91集箱管座焊接工藝研究[J].熱加工工藝， 2012， 41（21）： 210-212.

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[5]呂宏斌， 李漢清. SA-335-P92鋼焊接技術試驗研究[J]. 廣東電力， 2012， 25（3）： 48-51.

[6]楊春利， 林三寶. 電弧焊基礎[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2003.