熱絲TIG焊在管道焊接中的應用*

唐 麗，李 東，劉 成，王金釗，王學軍，尹立孟

（1.重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，成都610041）

熱絲TIG焊在管道焊接中的應用*

唐 麗1，李 東1，劉 成1，王金釗1，王學軍2，尹立孟1

（1.重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶401331；2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，成都610041）

為了提高鎢極氣體保護焊的的焊接效率，擴大應用范圍，介紹了熱絲TIG焊的特點和分類，重點闡述了單絲熱絲TIG焊、窄間隙熱絲TIG焊和熱絲TIG復合焊在石油化工、核電以及海洋工程等管道應用行業(yè)的現(xiàn)狀，提出了熱絲TIG焊存在的主要問題。分析認為，熱絲TIG焊雖然具有優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)能等系列優(yōu)點，但在焊接效率、磁偏吹等方面仍需進行改進。最后，指出了熱絲TIG焊的發(fā)展趨勢及未來的應用領域。

焊接；熱絲TIG焊；管道；應用

Abstract:In order to enhance the welding efficiency of TIG welding,expand application range,in this article,it introduced the characteristics and classification of TIG welding,expounded the application of several kinds of hot silk TIG welding(single hot wire TIG welding,narrow clearance hot wire TIG welding,composite hot wire TIG welding)in petrochemical,nuclear power,marine engineering and other pipeline application industries,put forward main problems existed in hot wire TIG welding.It considered that although it possesses the above mentioned advantages,but in some aspects still has much room for improvement,such as welding efficiency and magnetic blow.Finally,it outlooked the development trend of the hot wire TIG welding and its application field in the future will be wider and wider.

Key words:welding;hot wire TIG welding;pipeline;application

目前，焊接鋼管已經(jīng)廣泛應用于核電、壓力容器、石油化工以及海洋工程建設中，因此，其焊接質(zhì)量的好壞直接關系到管道的服役可靠性與安全性。管道施工過程中，常用的焊接方法包括焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、熔化極氣體保護焊（GMAW）、藥芯焊絲電弧焊（FCAW）和鎢極氣體保護焊（GTAW）等。其中，鎢極氣體保護焊的焊絲通常是在冷態(tài)（不加熱）下送入焊接熔池前沿，部分電弧的能量要用來熔化焊絲，導致電極的載流能力和電弧功率受限，焊接效率低，通常只適用于薄壁工件焊接和厚件打底焊接。

1 熱絲TIG焊工作原理及種類

熱絲TIG焊（hot-wire welding）是在鎢極氣體保護焊的基礎上發(fā)展起來的一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的新型焊接方法，其與傳統(tǒng)GMAW/TIG焊的區(qū)別是在焊絲送到焊接熔池前，獨立于焊接電源的另外一個電源（熱絲電源）將焊絲加熱到接近熔化的溫度。因此，熱絲TIG焊不僅具備傳統(tǒng)TIG焊采用惰性氣體（Ar、He等）保護、電弧燃燒穩(wěn)定、焊縫質(zhì)量優(yōu)異等優(yōu)點，還在很大程度上使焊絲的熔化速度加快，熔敷率提高，同時也使焊接過程中熔池的熱輸入量得以調(diào)整，使得母材的稀釋率降低，焊接效率提高，更容易實現(xiàn)厚壁零部件的焊接[1]，其工作原理如圖1所示。

圖1 熱絲TIG焊工作原理

當前工業(yè)生產(chǎn)中應用的熱絲TIG焊種類較多，主要包括單絲熱絲TIG焊、雙絲熱絲TIG焊、窄間隙熱絲TIG焊、新型熱絲TIG焊（TOP-TIG）以及超高速熱絲TIG焊等[2]。由于雙絲熱絲TIG焊適于大型零部件大面積堆焊，新型熱絲TIG焊（TOP-TIG）及超高速熱絲TIG焊多用于表面熔敷和薄板堆焊，在管道焊接中應用較少，管道焊接實際以單絲熱絲TIG焊和窄間隙熱絲TIG焊為主。鑒于此，本研究重點闡述單絲熱絲TIG焊與窄間隙熱絲TIG焊兩種焊接方法，同時對其他幾種熱絲TIG焊進行了敘述，提出了熱絲TIG焊當前存在的主要問題并展望了熱絲TIG焊今后一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢。

2 單絲熱絲TIG焊

單絲熱絲TIG焊是只有一根焊絲的熱絲TIG焊，其按照加熱方法的不同又可分為電阻加熱、高頻感應加熱、電弧加熱3種，主要應用于電站、閥門、石油管道等的焊接。

2.1 電站管道焊接

電站管道焊接是管道焊接中的一個重要組成部分，其焊接質(zhì)量對電站行業(yè)的穩(wěn)定運行至關重要?？到〉萚3]指出熱絲TIG焊在通電焊絲周圍產(chǎn)生磁場作用于電弧中的帶電粒子，進而對電弧產(chǎn)生一些不利的影響，但是利用偏擺電弧仍然可以獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。吳紹炳等[4]進一步對AP1000核電蒸汽發(fā)生器管、封頭接管等的熱絲TIG焊進行了研究，有力證實了熱絲TIG焊的優(yōu)越性。湯建鋒等[5]對比了熱絲與冷絲TIG焊接，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，熱絲TIG焊所需焊道層數(shù)、焊接時間以及總輸入能量明顯減少；他們還發(fā)現(xiàn)熱絲TIG焊與MIG焊的熔敷系數(shù)和焊接速度比較接近，但遠遠高于冷絲TIG焊，同時熱絲和冷絲TIG焊具有相近的力學性能。

2.2 閥門內(nèi)壁管焊接

對于海上和陸地的石油天然氣鉆采及生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其中使用的石油鉆采閥門非常重要，要求具有耐強腐蝕性，生產(chǎn)時通常在內(nèi)壁表層堆焊耐腐蝕材料。李磊等[6-7]將先進的專機制造技術與熱絲TIG焊工藝結(jié)合，開發(fā)出Fronius ETR-S熱絲TIG焊系統(tǒng)，為高質(zhì)量高性能閥門堆焊提供了一個很好的解決方案。另外，以石油鉆采閥門內(nèi)壁堆焊為基礎，借助Dieter Schnee實現(xiàn)了對焊件材料從X60、X65延伸到X70管線鋼，AISI 4150、4140、8630到低碳鋼F22，焊接長度1 000～1 500 mm、直徑150～1 000 mm管道元件的焊接。許小波等[8]利用閥門內(nèi)壁熱絲電源自動堆焊機對X70管道內(nèi)壁雙相不銹鋼熱絲TIG堆焊工藝進行了研究，得出了管道內(nèi)壁堆焊過程的影響因素，并指出只有在最優(yōu)參數(shù)條件下的堆敷層金屬才具有良好的抗點蝕性能。

2.3 其他管道焊接

海底管道及運輸管道的焊接材料通常為低合金、高合金、雙相不銹鋼或者鎳基合金鋼，受環(huán)境限制，這類管道焊接后不能進行熱處理，易導致裂紋等問題?；诠艿澜M件加工技術，熱絲TIG焊為高壓力下的管道系統(tǒng)提供了一種相對更為可靠的焊接方法。研究表明[9]，無論是按照DNV（Det Norske Veritas，世界領先的海上設施技術監(jiān)測所）、IPE（生產(chǎn)和安裝設計相關要求），還是ASME（美國機械工程師協(xié)會）的標準和規(guī)范，熱絲TIG焊都能滿足管道焊接實際需要，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

3 窄間隙熱絲TIG焊

1963年美國Battelle結(jié)合熱絲TIG焊和窄間隙焊接兩者的優(yōu)勢開發(fā)了窄間隙熱絲TIG焊。與窄間隙埋弧焊等一般窄間隙焊接方法相比，窄間隙熱絲TIG焊除了熔敷效率相對較低外，在側(cè)壁熔合和焊接接頭的抗裂性等方面具有較明顯的優(yōu)勢，同時材料的適應性更廣，不僅適合碳鋼，還特別適合于合金鋼、不銹鋼、雙相鋼等材料的焊接。因此，在電站、閥門、轉(zhuǎn)子、海洋結(jié)構(gòu)物及海底管道等重要構(gòu)件的焊接中，窄間隙熱絲TIG焊得到越來越廣泛的應用[10]。目前，窄間隙熱絲TIG焊已逐漸成為國內(nèi)外管道連接的主要技術手段。

3.1 核電管道焊接

國外早在20世紀90年代就提出了將窄間隙熱絲TIG焊接用于核電管道連接的方案，但受當時設備和技術的限制，并沒有達到預期的生產(chǎn)效率和焊接接頭質(zhì)量。易耀勇等[11-13]也指出了窄間隙熱絲TIG焊用于國內(nèi)核電管道連接的可行性，并提出了該方法尚存在較大改進空間。

隨著核電設備不斷升級，無論是主管道、核級管道，還是CPR1000反應堆壓力容器管，其焊接難度也不斷增加，因此，窄間隙熱絲TIG焊占據(jù)了越來越重要的地位。王嵐等[14-16]采用窄間隙熱絲TIG焊接技術，研究了CPR1000反應堆壓力容器進出口接管與接管安全端的焊接，分析了焊接缺陷產(chǎn)生的原因，優(yōu)化了焊接質(zhì)量，解決了系列質(zhì)量不合格問題，為我國窄間隙熱絲TIG焊接技術在核電設備中的推廣應用提供了重要參考。

3.2 閥門接管焊接

與核電管道一樣，石油天然氣、海洋管道的焊接質(zhì)量要求也非?？量?，高質(zhì)量、高效率的窄間隙焊接方法成為其連接首選工藝技術。楊仁杰等[17]研究了常用的 T91/P91（X10 CrMoVNb9-1）高合金耐熱鋼的窄間隙熱絲TIG焊工藝對其焊接接頭組織和力學性能的影響，這種鋼常用于閥門進氣接管。朱旻等[18]對Φ406 mm×60 mm的TP347不銹鋼管進行了全位置高頻窄間隙熱絲TIG焊工藝研究，通過設計窄間隙坡口尺寸和控制焊接工藝參數(shù)來確定焊縫的成形，得到了最佳的坡口角度和焊接參數(shù)，并檢測了伸長率、低溫沖擊功、低溫CTOD值以及橫向膨脹量，研究結(jié)果均滿足標準要求。

3.3 其他管道焊接

隨著窄間隙熱絲TIG焊研究的日益深入，除了核電、石油管道等領域的廣泛應用，在鍋爐、交通運輸、化工等領域的管道設備也不斷引入窄間隙熱絲TIG焊接。徐祥久等[19]采用法國Polysoude公司的窄間隙熱絲TIG焊接系統(tǒng)，設計僅2°±0.2°的窄間隙坡口，對鍋爐SA-335P12低合金大直徑Φ356 mm×60 mm無縫鋼管對接工藝進行了研究，焊縫成形美觀且內(nèi)部無缺陷。另外，Kusano等[20]指出窄間隙熱絲TIG焊也可以用于中厚容器焊接。

4 熱絲TIG復合焊

管道焊接中除了大量使用單絲熱絲TIG焊和窄間隙熱絲TIG焊，還少量采用窄間隙雙弧雙絲熱絲TIG復合焊、窄間隙TIG-激光電弧復合焊、激光-熱絲TIG電弧復合焊等焊接方法。研究[21-22]發(fā)現(xiàn)，利用窄間隙雙弧雙絲熱絲TIG復合焊能很好地解決管道熔合、接頭成形和焊接裂紋等問題；為了控制質(zhì)量和提高焊接效率，在大型核電管道的焊接中采用窄間隙TIG-激光電弧復合焊；而激光-熱絲TIG電弧復合焊工藝在復合管焊接時則具有絕對的優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

目前，在石油天然氣、壓力容器、海洋工程等領域的管道焊接中熱絲TIG焊應用越來越多，雖然其具有優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)能等優(yōu)點，但是在焊接效率、磁偏吹等方面還有很大改進空間。隨著微型機、數(shù)字化控制理論、質(zhì)量控制等科學技術的發(fā)展，熱絲TIG焊在高強高韌管道焊接，以及高鐵、航空、航天等高端工業(yè)領域的應用將逐漸擴大，集合低的熱輸入、窄的焊接熱影響寬度、優(yōu)質(zhì)的焊接接頭等優(yōu)點，熱絲TIG焊焊接技術將快速發(fā)展并應用于工業(yè)生產(chǎn)。

[1]HORI K,WATANABE H,MYOGA T,et al.Development of hot wire TIG welding methods using pulsed current to heat filler wire-research on pulse heated hot wire TIG welding processes[J].Welding International,2004,18（6）:456-468.

[2]趙福海,華學明,葉欣,等.熱絲 TIG焊方法最新研究進展[J].熱加工工藝,2011,40（3）:151-155.

[3]康健,董元愚,潘穎.電站鍋爐管—管對接熱絲 TIG焊工藝的研究[J].電焊機,1992（2）:16-18.

[4]吳紹炳,張其先,曹海兵.AP1000核電蒸汽發(fā)生器管板熱絲TIG焊工藝研究與應用[J].金屬加工:熱加工,2014（24）:44-46.

[5]湯建鋒.熱絲 TIG焊在轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道制造中的應用[J].電焊機,2009,39（4）:141-143.

[6]李磊.石油鉆采閥門內(nèi)壁熱絲TIG堆焊[J].電焊機,2005,35（12）:49-51.

[7]GOLDSBERRY C.Hot-wire TIG:not new but gaining appeal[J].Pentons Welding Magazine,2007,80（9）:24-24.

[8]許小波,肖德明,張念濤,等.X70管道內(nèi)壁雙相不銹鋼熱絲 TIG 堆焊工藝[J].焊接,2015（12）:39-42.

[9]DI X,ZHONG Z,DENG C,et al.Microstructural evolution of transition zone of clad X70 with duplex stainless steel[J].Materials and Design,2016（95）:231-236.

[10]SUN Q J,HU H F,YUAN X,et al.Research status and development trend of narrow-gap TIG welding[J].Advanced Materials Research， 2011（308）:1170-1176.

[11]CLAUSMEYER H,HANTSCH H.Manufacture of thickwalled pressure vessels in particular consideration of advanced welding processes and measures for quality assurance[J].Nuclear Engineering and Design,1991,129（3）:255-276.

[12]MANZOLI T,CACCIA E.Narrow gap welding of heavy gauge steel nuclear components[J].Welding International,1989,3（5）:417-423.

[13]易耀勇,劉觀輝,劉美華,等.窄間隙 TIG焊技術在核電設備制造中的應用[J].熱加工工藝,2013,42（11）:13-16.

[14]王嵐,王偉波,孫福成,等.CPR1000反應堆壓力容器安全端焊接缺陷原因分析與質(zhì)量優(yōu)化[J].焊接技術,2016,45（5）:179-181.

[15]左波,余燕.熱絲TIG窄間隙焊在 AP1000主管道焊接中的應用[C]//中國核學會2011年學術年會.[s.l.]:中國核學會,2011.

[16]劉國徽,李進.第三代核電 AP1000反應堆壓力容器焊接技術解析[J].焊接技術,2015（6）:66-68.

[17]楊仁杰,沈?qū)W峰,劉霞,等.閥門進汽接管窄間隙熱絲TIG焊接接頭組織與性能相關性研究[J].熱加工工藝,2012,41（19）:142-144.

[18]朱旻,羅曉軍.TP347不銹鋼管的全位置高頻窄間隙熱絲 TIG焊工藝[J].電焊機,2016,46（2）:90-93.

[19]徐祥久,李宜男.窄間隙熱絲 TIG焊接工藝研究及缺陷分析[J].電焊機,2010,40（2）:27-29,151.

[20]KUSANO K,WATANABE H.Recent trends in development of high-efficiency TIG welding;high-deposition TIG welding and ultranarrow-gap TIG welding[J].Welding International,2002,16（12）:986-991.

[21]馮英超,張偉棟,李曉延.核電站主管道窄間隙 TIG-激光電弧復合焊工藝探討[J].電焊機,2010,40（11）:91-93.

[22]PHAONIAM R,SHINOZAKI K,YAMAMOTO M,et al.Development of a highly efficient hot-wire laser hybrid process for narrow-gap welding—welding phenomena and their adequate conditions[J].Welding in the World,2013,57（5）:607-613.

編輯：張 歌

中俄原油管道二線嫩江盾構(gòu)工程貫通

2017年6月8日，中俄原油管道二線嫩江盾構(gòu)工程貫通。

中俄原油管道二線工程起自黑龍江省興安鎮(zhèn)漠河首站，途經(jīng)黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)，止于黑龍江省大慶市林源輸油站。線路全長941.8 km，管徑813 mm，設計年輸油量1 500萬t。嫩江盾構(gòu)工程是中俄原油管道二線工程的關鍵控制性工程之一，位于松嫩平原黑龍江省黑河市嫩江縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達瓦達斡爾族自治旗交界處，它是中俄原油管道二線工程最長盾構(gòu)穿越工程，它的順利貫通，對工程建設進展具有重大意義。

嫩江盾構(gòu)工程2016年7月27日進場，11月13日開始掘進，采用泥水平衡式盾構(gòu)機由北向南穿越嫩江。嫩江盾構(gòu)工程的順利貫通，標志著中俄二線兩條盾構(gòu)主體工程全部完工，為國內(nèi)盾構(gòu)行業(yè)在高寒地區(qū)施工積累了經(jīng)驗。

（李 超摘自中國鋼管網(wǎng)）

Application of Hot Wire TIG Welding in Pipeline Welding

TANG Li1， LI Dong1， LIU Cheng1， WANG Jinzhao1， WANG Xuejun2， YIN Limeng1
（1.School of Metallurgy and Materials Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China;2.Sichuan Petroleum Construction Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610041,China）

TG444.9

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.005

2017-03-16

國家自然科學基金“基于多次熱循環(huán)的高級別管線鋼焊接粗晶區(qū)的組織演變規(guī)律及增韌機理”（項目號51674056）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項目“熱絲TIG焊接油氣輸送碳鋼不銹鋼雙金屬復合管的元素擴散規(guī)律”（項目號CYS16227）；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新項目“基于多次熱循環(huán)的X80管線鋼焊接CGHAZ的顯微組織演化規(guī)律及性能研究”（項目號YKJCX1620213）；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新項目“熱絲TIG焊接油氣輸送碳鋼不銹鋼雙金屬復合管的元素擴散規(guī)律”（項目號YKJCX1620201）。

唐 麗（1993—），女，重慶人，碩士研究生，目前主要從事油氣輸送管道焊接研究。