碳鋼管氬弧焊夾鎢問題分析及工藝改進(jìn)

劉秋亮，黃愛龍，曹 力

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰214433)

0 引言

鎢極氬弧焊(下文簡稱“氬弧焊”)是一種用氬氣保護(hù)、用鎢棒作電極且焊接時(shí)鎢極不熔化的焊接方法，焊接時(shí)根據(jù)待焊工件實(shí)際情況來選擇是否需要添加焊絲。目前該焊接方法特別適于薄板的焊接，多用于焊接不銹鋼、鋁、銅等有色金屬及其合金。氬弧焊廣泛應(yīng)用于船舶建造中，尤其是在碳鋼管系的制作過程中，企業(yè)為充分保證焊縫根部的質(zhì)量，通常采用氬弧焊打底+藥芯焊絲氣保焊填充蓋面的焊接方法。

在瀝青船和化學(xué)品船管加工預(yù)制過程中，生產(chǎn)車間為了提高工作效率，在氬弧焊打底焊接時(shí)采用大參數(shù)(大電流)焊接，大批碳鋼管對(duì)接焊縫經(jīng)X射線檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)夾鎢的質(zhì)量缺陷，焊后大量返工，生產(chǎn)計(jì)劃也受到影響。為此，本文在分析產(chǎn)生夾鎢問題的具體原因基礎(chǔ)上，從工藝方面入手解決質(zhì)量難題。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況排查和原因分析

1.1 焊接電流

氬弧焊產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象的原因見表1[1]。本文根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)排查出現(xiàn)場(chǎng)問題的最大可能性就是表1中第(1)條所描述的焊接電流的影響。

為此，焊接技術(shù)人員重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施焊電流進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)車間焊工為了提高工作效率，確實(shí)存在采用大參數(shù)進(jìn)行氬弧焊打底焊的問題：把焊接工藝規(guī)范中規(guī)定使用焊接電流110～120 A提高到160 A以上，最大甚至提高到180 A。

表1 夾鎢產(chǎn)生原因和防止措施

1.2 鎢極

1.2.1 鎢極生產(chǎn)廠商及牌號(hào)

鎢極直徑和端部形狀是影響氬弧焊焊接質(zhì)量的重要因素。船廠目前使用的是WC-20鈰鎢電極，鎢極直徑Ф2.4 mm。這種電極在低電流下有優(yōu)良的起弧性能，維弧電流較小，常用于管道、不銹鋼制品和細(xì)小精致部件的焊接，且使用至今沒有發(fā)現(xiàn)夾鎢問題。

1.2.2 鎢極直徑

鎢極直徑?jīng)Q定了焊槍的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量和冷卻方式，影響到焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度和焊接質(zhì)量，因此本文重點(diǎn)研究了鎢極直徑和焊接電流的匹配關(guān)系。鎢極直徑一般根據(jù)焊件厚度、焊接電流大小和電源極性選擇。每一直徑的鎢極都有一個(gè)許用電流，超過許用電流時(shí)，鎢極就會(huì)因過熱而熔化和揮發(fā)，引起電弧不穩(wěn)定且焊縫中產(chǎn)生夾鎢缺陷。脈沖氬弧焊推薦用鎢極端部形狀及尺寸見表2[2]。

表2 脈沖氬弧焊推薦用鎢極端部形狀及尺寸

如果鎢極直徑過大，則會(huì)導(dǎo)致電流密度小，鎢極端頭溫度不夠，電弧會(huì)在鎢極端部無規(guī)則地漂移，即電弧處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，氬氣失去了保護(hù)電弧的功能，熔池被氧化；如果鎢極直徑過小，則會(huì)導(dǎo)致電流密度太大，鎢極端部溫度達(dá)到或超過鎢極的熔點(diǎn)，熔化了的鎢形成熔滴落入熔池而引起夾鎢缺陷，電弧也隨熔滴飄動(dòng)而不穩(wěn)定，破壞了氬氣保護(hù)區(qū)，使熔池被氧化，焊縫成型變差。

1.2.3 鎢極端頭形狀

現(xiàn)場(chǎng)磨制的鎢極尖端角度在30°以下，端頭極為尖細(xì)，因此在大電流的情況下極易碎裂。查看現(xiàn)場(chǎng)已使用過的鎢極，發(fā)現(xiàn)部分已明顯碎裂且表面發(fā)黑。這種現(xiàn)象表明在焊接過程中鎢極已發(fā)生碎裂且碎片已落入焊縫，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題則會(huì)造成夾鎢的現(xiàn)象。

相關(guān)資料中提到鎢極錐頂可磨成1 mm左右的平臺(tái)，使得焊接電流穩(wěn)定集中，鎢極端頭不易熔化燒損。同時(shí)要注意引弧方法，不能采用接觸短路引弧方法，否則鎢極損耗大，端頭易破壞。

2 施工整改情況

通過焊接技術(shù)人員和車間及質(zhì)量部探傷人員緊密協(xié)作和分析研究，最終認(rèn)定焊縫夾鎢根本原因是焊接電流過大，現(xiàn)場(chǎng)使用的Ф2.4 mm的鎢極承受不了160 A以上的大電流，連續(xù)長時(shí)間焊接導(dǎo)致鎢棒端部過熱熔化；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)磨制的鎢極不規(guī)范，鎢極端頭直徑和形狀不符合技術(shù)要求。由于現(xiàn)場(chǎng)違反工藝要求施工，根據(jù)公司管理規(guī)定技術(shù)部門對(duì)車間開具《焊接工藝驗(yàn)證及糾偏行動(dòng)整改單》，要其限期整改到位。車間采取的整改措施主要如下：

(1)開展氬弧焊避免夾鎢質(zhì)量提升專題培訓(xùn)，使焊工了解氬弧焊操作中鎢棒磨削、直徑選擇和適用電流方面技術(shù)要求。

(2)購買自動(dòng)磨鎢極專用設(shè)備以代替手工操作不規(guī)范情況。

但是，整改時(shí)面臨管加工生產(chǎn)任務(wù)面廣量大問題，工人只能加班加點(diǎn)施工，強(qiáng)制限制電流的實(shí)施效果并不理想，焊縫質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞。在9月份X射線檢測(cè)中仍有24張片子有夾鎢缺陷，拍片合格率低于月度目標(biāo)值。

3 氬弧焊焊接工藝改進(jìn)

為了能夠徹底解決管加工焊接夾鎢問題，技術(shù)人員反復(fù)研究后決定進(jìn)行工藝改進(jìn)，將鎢極直徑由Ф2.4 mm換成Ф3.2 mm。選定不同規(guī)格尺寸的管徑進(jìn)行大參數(shù)產(chǎn)品焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)，母材級(jí)別為Grade 410，焊接方法為氬弧焊+CO2氣體保護(hù)焊，接頭形式包括管對(duì)接焊縫和管法蘭角焊縫。管對(duì)接焊評(píng)試驗(yàn)項(xiàng)目見表3，焊接工藝參數(shù)見表4。

表3 管對(duì)接焊評(píng)試驗(yàn)項(xiàng)目

注：1#～5#為焊道序號(hào)。

表4 焊接工藝參數(shù)

3塊試板按中國船級(jí)社(CCS)《材料與焊接規(guī)范》中規(guī)定的要求進(jìn)行焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格，取得CCS驗(yàn)船師簽字認(rèn)可，最終完成工藝改進(jìn)。

4 結(jié)語

船廠實(shí)施方案將鎢極直徑由Ф2.4 mm改成Ф3.2 mm、選用大參數(shù)(大電流)施焊工藝，徹底解決了車間碳鋼管子對(duì)接打底焊縫中頻繁出現(xiàn)的夾鎢問題。該工藝優(yōu)化方案在保證產(chǎn)品施工質(zhì)量和進(jìn)度的同時(shí)，焊接效率提高30%左右，有效保證了后續(xù)船舶管系焊縫質(zhì)量。

這項(xiàng)工藝改進(jìn)提高了技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)意識(shí)，加強(qiáng)了技術(shù)部門和施工車間的協(xié)作交流。焊接技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到在制定產(chǎn)品工藝時(shí)要充分考慮和貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；在進(jìn)行焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)過程中不僅需要開展常規(guī)條件下試驗(yàn)，同時(shí)也要研究特殊和復(fù)雜作業(yè)條件下焊接規(guī)則，有針對(duì)性地開展產(chǎn)品焊接試驗(yàn)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)焊接工藝。