KTIG焊接單面焊雙面成型工藝及其在海洋工程裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用

肖明穎 王琪晨 陳增鐸 范振紅 孔神慶 白健 姜風(fēng)春

摘要：為探索匙孔型鎢極氣保焊（keyhole gas tungsten arc welding，KTIG）技術(shù)在海洋工程裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，采用KTIG打底+埋弧焊填充蓋面的工藝方法完成了海洋工程用A36、E36等級(jí)鋼板焊接，對(duì)KTIG焊接技術(shù)的雙面成型能力、深熔能力、焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了研究和測(cè)試，驗(yàn)證了KTIG焊接技術(shù)的良好的單面焊雙面成型能力、深熔能力及對(duì)裝配間隙的良好容忍度。結(jié)果表明，KTIG焊接滿足通用鋼結(jié)構(gòu)焊接標(biāo)準(zhǔn)及海洋工程裝備制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，在海洋工程裝備制造領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：海洋工程;KTIG;單面焊雙面成型;深熔焊

中圖分類號(hào)：TG457.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0022-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.04

0 前言

焊接不僅是海工裝備制造的關(guān)鍵工藝，也是改造及維修的常用方法，焊接工作量約占海洋工程裝備制造工作量的30%～40%[1]。近年來(lái)，我國(guó)的海洋工程裝備制造取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，海工裝備設(shè)計(jì)制造水平達(dá)到了全球領(lǐng)先，但在海工裝備實(shí)際生產(chǎn)建造中仍使用焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊等手工和半自動(dòng)等焊接方法，這些焊接方法雖然能滿足海工裝備制造的基本要求，但存在自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、對(duì)焊工技術(shù)水平要求較高等問題。匙孔型鎢極氣保焊（keyhole gas tungsten arc welding，KTIG）技術(shù)[2]是一種新型的鎖孔深熔焊接工藝，它是利用較大直流電（>300 A）所產(chǎn)生的高能量電弧來(lái)實(shí)現(xiàn)深熔焊接，并且在KTIG焊接過程中還會(huì)產(chǎn)生類似穿孔型等離子焊所產(chǎn)生的小孔，可實(shí)現(xiàn)單面焊接雙面成型。與激光電弧復(fù)合焊接[3]和等離子焊接[4]相比，KTIG單面焊雙面成型的裝配容忍量更高，而且能夠大大降低設(shè)備投資成本和運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)成本。目前，KTIG深熔焊接在石油化工、航空航天、鍋爐及壓力容器等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用，但是在海洋工程裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用并不多。文中以標(biāo)準(zhǔn)AWSD1.1[5]和DNV-OS-C401[6]為指導(dǎo)，采用KTIG打底焊接、埋弧焊填充蓋面的工藝方法完成了A36、E36等級(jí)鋼板焊接，對(duì)KTIG的單面焊雙面成型能力、深熔能力、焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行研究和測(cè)試，探索KTIG焊接技術(shù)在海洋工裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

試驗(yàn)設(shè)備是由某公司研發(fā)的HTIG-1000焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一體化焊機(jī)、專用焊槍、弧長(zhǎng)控制裝置、冷卻水箱和相應(yīng)的連接電纜及管配件組成，電流調(diào)節(jié)范圍50～1 000 A。試驗(yàn)選用船舶與海洋工程用A36和E36等級(jí)鋼板，尺寸分別為1 000 mm×200 mm×12 mm和1 000 mm×200 mm×32 mm。A36試板單面開60°坡口，留8 mm鈍邊進(jìn)行裝配;E36試板雙面開60°坡口，留4 mm鈍邊裝配;裝配間隙為0～2 mm;采用TIG焊接進(jìn)行定位焊，長(zhǎng)度10 mm，間距200 mm。試驗(yàn)采用KTIG完成根部焊道焊接，埋弧焊完成填充蓋面焊接，試板編號(hào)及焊接工藝參數(shù)如表1所示。

KTIG焊接不填充焊絲;A36試板埋弧焊接選用四川大西洋焊接材料股份有限公司生產(chǎn)的CHW-S3焊絲和CHF101焊劑;E36試板埋弧焊接選用韓國(guó)現(xiàn)代焊接材料株式會(huì)社生產(chǎn)的H14焊絲和S460Y焊劑。焊接完畢后，試板焊道根部和表面進(jìn)行100%外觀檢測(cè)和100%磁粉檢測(cè);試板A-1和A-2進(jìn)行100%的射線檢測(cè);試板E進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)。檢測(cè)焊接接頭的力學(xué)性能，取樣及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照美國(guó)焊接協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范AWS D1.1和挪威船級(jí)社DNVGL-OS-C401執(zhí)行，具體檢測(cè)內(nèi)容如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 KTIG單面焊雙面成型及深熔效果驗(yàn)證

裝配間隙、坡口形式和背部保護(hù)氣[7]均會(huì)對(duì)KTIG焊接單面焊雙面成型效果產(chǎn)生重要影響，分別在不同條件下進(jìn)行KTIG根部焊道焊接，其典型根部焊道背部成型效果如圖1所示。由圖1a、1e可知，在裝配間隙0～1 mm、有背部保護(hù)氣的狀態(tài)下，Y型坡口和X型坡口均可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，且成型效果良好，磁粉檢測(cè)無(wú)裂紋、未熔合缺陷;對(duì)比圖1a、圖1b可知，當(dāng)裝配間隙在0～1 mm范圍內(nèi)，去除背部保護(hù)氣后，仍能夠?qū)崿F(xiàn)單面焊雙面成型，但是根部焊道失去金屬光澤，呈暗灰色氧化顏色，磁粉檢測(cè)無(wú)裂紋、未熔合缺陷;由圖1c可知，當(dāng)裝配間隙增加到1～2 mm，仍可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，磁粉檢測(cè)合格;由圖1d可知，當(dāng)裝配間隙增加到2 mm以上，不能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型。

典型的焊縫橫截面宏觀形貌如圖2所示。由圖2a可知，對(duì)于Y型坡口，當(dāng)裝配間隙在0～1 mm、鈍邊8 mm，有背部保護(hù)氣的狀態(tài)下，焊縫截面形貌為“釘子形狀”，根部焊道成形良好，射線探傷焊縫，無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷，KTIG焊接表現(xiàn)出良好的深熔和單面焊雙面成型能力。由圖2b可知，對(duì)于Y型坡口，在裝配間隙在0～1 mm、鈍邊8 mm、無(wú)背部保護(hù)氣的狀態(tài)下，焊縫截面形貌與圖2b相似，但根部焊道明顯突起，射線探傷焊縫，無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷。由圖2c可知，對(duì)于X型坡口，在裝配間隙在0～1 mm、鈍邊3 mm、無(wú)背部保護(hù)氣的狀態(tài)下，焊縫截面形貌未呈現(xiàn)出典型“釘子形狀”，在沒有清根狀態(tài)下完成填充蓋面焊接，根部熔合良好，射線探傷焊縫金屬，無(wú)氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷。在KTIG焊接過程中，液態(tài)金屬必須在其凝固時(shí)通過表面張力的作用保持在適當(dāng)位置，才能保證雙面成型和熔深，其理論公式[8]為

h<（1）

式中 w為根部焊縫的寬度;h為試板厚度;γ為液體金屬表面張力的系數(shù);ρ為液體金屬密度;g為重力加速度。因此，理論上碳鋼和低合金鋼板不開坡口，KTIG可以一次性焊透的最大厚度是12 mm。由式（1）可知，KTIG的熔深能力與裝配間隙密切相關(guān)，當(dāng)裝配間隙增大時(shí)，根部焊縫的寬度增加，KTIG的熔深能力會(huì)下降，因此試板開成X型坡口時(shí)，根部焊道變寬進(jìn)而影響熔深。

2.2 KTIG焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試

KTIG焊接可以在不填加焊絲的情況下，完成根部焊道的深熔單面焊雙面成型，但電弧熔化焊接會(huì)造成母材的合金元素?zé)龘p，進(jìn)而可能造成根部焊道的力學(xué)性能下降。為驗(yàn)證KTIG焊接接頭能否滿足使用要求，根據(jù)美國(guó)焊接協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范AWS D1.1和挪威船級(jí)社焊接規(guī)范DNVGL-OS-C401進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊、宏觀硬度等力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如表3～表6所示。由表3可知，所有焊接接頭拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果均滿足規(guī)范要求，2/3的焊接接頭斷裂位置均位于母材，表明焊縫位置抗拉強(qiáng)度略優(yōu)于母材。由表4可知，所有焊接接頭彎曲力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果符合規(guī)范要求，表明整個(gè)焊接接頭（包括KTIG焊接的根部焊道）焊縫金屬、熔合區(qū)域無(wú)氣孔、夾渣、未熔合和裂紋等焊接缺陷。由表5可知，所有焊接接頭沖擊性能測(cè)試結(jié)果滿足規(guī)范要求;對(duì)于所有焊接接頭，焊縫中心位置的沖擊值低于母材熱影響區(qū)的沖擊值，分析認(rèn)為是KTIG焊接的高熱輸入和無(wú)焊絲添加造成的母材晶粒尺寸增大和合金元素?zé)龘p所致。由表6可知，焊接接頭區(qū)域（焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)）的宏觀硬度高于母材金屬硬度，滿足規(guī)范要求;焊縫表面（圖3中線1）和根部（圖3中線2）宏觀硬度無(wú)明顯差異。對(duì)于A36材料，有無(wú)背部保護(hù)氣對(duì)焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊、宏觀硬度等力學(xué)性能沒有明顯影響。

3 結(jié)論及建議

（1）無(wú)論Y型還是X型坡口，KTIG焊接均具備良好的單面焊雙面成型效果;建議實(shí)際生產(chǎn)中裝配間隙控制在0～1.5 mm，局部最大間隙不超過2 mm。

（2）KTIG焊接具有良好的深熔效果，但由于裝配間隙會(huì)造成熔深能力下降，建議實(shí)際生產(chǎn)中Y型坡口鈍邊保留6～10 mm，X型坡口鈍邊保留3～5 mm。

（3）KTIG焊接接頭的力學(xué)性能（拉伸、側(cè)向彎曲、沖擊韌性、宏觀硬度）均合格，滿足美國(guó)焊接協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范AWS D1.1和挪威船級(jí)社焊接規(guī)范DNVGL-OS-C401中的焊接工藝評(píng)定要求，但是接頭的沖擊韌性因熱輸入量過高和不添加焊絲的原因有所降低。

（4）去掉背部保護(hù)氣后，對(duì)A36進(jìn)行KTIG焊接，仍能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，背部成型形狀良好，與有背部保護(hù)氣的焊道相比，有明顯的氧化現(xiàn)象;經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)后，焊接接頭力學(xué)性能都合格，且與有背部保護(hù)氣的焊接接頭相比，無(wú)明顯差異。

（5）KTIG焊接技術(shù)的單面焊雙面成型能力和深熔能力可得到充分保留，同時(shí)焊接接頭的力學(xué)性能滿足通用焊接標(biāo)準(zhǔn)和船級(jí)社的規(guī)范要求，因此可用于海洋工程裝備制造;為保證KTIG焊接技術(shù)實(shí)施落地，還應(yīng)繼續(xù)開展如下工作：低溫沖擊韌性驗(yàn)證;薄板焊接變形量驗(yàn)證;保護(hù)氣對(duì)雙面成型和高等級(jí)鋼板性能影響驗(yàn)證;實(shí)際生產(chǎn)工藝和裝備開發(fā)。

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收稿日期：2020-05-06

基金項(xiàng)目：煙臺(tái)市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019ZDCX006）

作者簡(jiǎn)介：肖明穎（1980— ），男，在讀博士，主要從事先進(jìn)焊接技術(shù)的研究工作。E-mail：axiao176@163.com。