K-TIG焊接技術研究進展及在核電中的應用前景

曾凡勇，肖志威，柯聯(lián)邦，朱稱生，方一

中國核工業(yè)第二二建設有限公司 湖北武漢 430051

1 序言

焊接作為制造技術的重要支撐，一直以來起到了舉足輕重的作用。受到國內制造業(yè)精細化發(fā)展、自動化水平提升、高技能焊工資源稀缺等多方面影響，高效自動焊接技術已成為新的發(fā)展趨勢及急迫需求。其不僅可降低對焊工的依賴，而且在提升焊接質量和焊接效率、降低焊接成本及提升公司綜合競爭力方面具有明顯優(yōu)勢。

核電中厚板的焊接主要采用焊條電弧焊、埋弧焊、手工T I G焊等，為了提高焊接效率，熱絲TIG焊、等離子弧焊等也開始逐步被應用，尤其是不銹鋼覆面車間拼板的焊接。本文介紹了K-T I G（Keyhole-TIG）焊接技術的原理、特點及關鍵技術，不同材料的K-TIG焊接研究成果及最新研究動態(tài)，并概括了K-TIG技術在核電行業(yè)的應用前景，為各位學者和應用單位提供一定的借鑒。

2 K-TIG焊接原理及特點

K-TIG焊接技術于1997年由澳大利亞聯(lián)邦科學與工藝研究組織（CSRIO）提出并發(fā)明。它是在傳統(tǒng)TIG焊的基礎上，將焊接電流提高到300A甚至更高并配合槍身冷卻加強的焊槍來形成小孔效應，最終實現(xiàn)大熔深的焊接工藝方法，其原理如圖1所示[1]。K-TIG焊接時，因為大電流的存在，電弧對工件不斷進行熔化與深挖，形成凹陷，并將熔融金屬不斷排擠到熔池周圍，直到小孔的形成。小孔周圍的熔融金屬受到電弧壓力、表面張力及自身重力作用并保持動態(tài)平衡。焊槍在向前移動過程中，小孔也隨之移動，直到小孔后方的熔融金屬冷卻形成焊縫。

圖1 K-TIG焊接原理[1]

與K-TIG焊接原理不同，等離子弧焊接采用的是壓縮電弧，通過機械壓縮和氣流壓縮提升電弧密度和弧柱區(qū)溫度，一般當電流為100A時即可實現(xiàn)小孔法焊接。隨著板厚的增加，需更大的電弧吹力將試板穿透，一般最佳板厚為3～8mm。在最佳板厚范圍內，可通過調整電弧吹力（氣體流量）來保證小孔焊接的穩(wěn)定性，而保護氣流量對K-TIG焊接電弧壓力幾乎沒有影響[2]。

K-TIG主要依靠自身電弧大電流密度產生的電磁場自我約束，壓縮程度不及等離子弧，基本形狀仍為錐形。而等離子弧焊因為噴嘴和氣流的雙重約束，一般電弧張角不超過5°[3]。因此，等離子弧對組對間隙和最大錯邊量有嚴格的要求，一般而言，等離子弧焊接最大錯邊量一般控制在1mm以內。而K-TIG可容許的最大組對間隙為2mm，最大錯邊量可控制在2mm以內。接頭性能上，采用K-TIG焊接碳素鋼時，接頭沖擊性能較差，甚至在－20℃時沖擊性能不合格，見表1。這是由于K-TIG焊接熱輸入較大，導致焊縫和熱影響區(qū)晶粒粗化，性能較低[4]。

表1 Q345R碳素鋼接頭的力學性能[4]

3 K-TIG關鍵技術

K-TIG焊接可以在不開坡口情況下一次熔透一定厚度的板材，實現(xiàn)單面焊雙面成形。但針對不同的材料，能夠一次焊透的厚度也不相同，這與材料本身的物理性質相關。由K-TIG焊接技術的原理可知，要想實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接，其關鍵技術在于保證小孔的穩(wěn)定性，即保證焊接過程電弧壓力、熔池重力及表面張力的動態(tài)平衡。根據研究，穩(wěn)定性的影響因素包括物理性能、試件厚度、鎢極尺寸、保護氣成分及焊接參數（焊接電流、電弧電壓、焊接速度）等。

LATHABAI等[5]提出實現(xiàn)穩(wěn)定焊接需滿足公式：

式中λ——表面張力系數；

ρ——熔融金屬的密度（kg/m3）；

g——重力常數；

w—— 焊接過程背面焊縫小孔的寬度（mm）；

h——焊件的厚度（mm）。

一般而言，材料表面張力隨著溫度升高而降低，且碳素鋼的表面張力系數約為不銹鋼的1/3，因此使用K-TIG焊接碳素鋼時需注意小孔的穩(wěn)定性問題。焊接過程中熔融金屬表面形成的表面張力越小，能夠托住焊縫金屬使其不下墜的能力就越弱。小孔的寬度越小，焊件的厚度越小，則形成的熔融金屬相對就少。另外有學者認為，表面張力與液態(tài)金屬化學成分有關，特別是S、O含量，在鐵基體金屬中，高S、O含量會降低表面張力，并降低焊接穩(wěn)定性。

國內天津大學、華南理工大學等在研究K-TIG焊接穩(wěn)定性方面做了很多研究，比如觀察分析小孔的特征，研究成形規(guī)律，通過工裝、工藝甚至復合焊接的方式增大工藝窗口和穩(wěn)定性等，取得了一定的進展。

4 國內外研究現(xiàn)狀

4.1 不銹鋼K-TIG焊接

多項研究表明，K-TIG焊可以在不開坡口的情況下，對一定厚度的金屬板材一道焊透，實現(xiàn)單面焊雙面成形。針對不同的金屬板材，K-TIG焊能夠一道焊透的最大板厚也不相同，這主要是因為不同金屬材料的液態(tài)金屬導熱系數也不相同。如早期ROSELLINI等[6]進行了可焊材料K-TIG全熔透焊接試驗，結果表明，K-TIG適合于焊接奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦合金、奧氏體-鐵素體雙相鋼等材料。

熊劍[1]研究了6mm厚304不銹鋼K-TIG焊接，熔深隨著焊接電流增加而增加，當電流達到380A時，可實現(xiàn)熔透焊接，且當電流超過300A時存在Mn元素燒蝕情況。另外，對比了K-TIG與等離子弧焊接頭的差異，K-TIG焊接電流幾乎是等離子弧焊的2倍，焊接接頭熔寬和余高稍大，接頭力學性能均與母材相當。

LIU Zuming等[7]采用自制的K-TIG焊槍對8mm厚不銹鋼進行焊接，并采用CCD高速相機對小孔的特征進行觀察分析（見圖2），且對背部小孔特征參數化。研究結果表明，穩(wěn)定焊接過程小孔呈橢圓形，且處于焊槍軸線后方。同時觀察到焊接過程中小孔呈現(xiàn)穩(wěn)定的開孔特征，小孔的尺寸與焊接電流有關。

CUI Shuwan 等[8]采用K-TIG實現(xiàn)了10.8mm厚S32101雙相不銹鋼焊接，接頭抗拉強度和硬度高于母材，焊縫沖擊性能達到了母材的83.4%。

馮悅嶠[9]研究了10mm厚316L不銹鋼K-TIG焊接，實現(xiàn)了不開坡口自熔焊接，發(fā)現(xiàn)焊接電流、焊接速度、鎢極間距及保護氣流量對焊縫形狀有較重要影響。焊接接頭射線檢測合格，接頭抗拉強度達到母材的96.64%，焊縫沖擊性能達到母材的92.2%。通過電化學腐蝕試驗，焊縫的抗腐蝕性能優(yōu)于母材。因此證明K-TIG焊接非常適于中厚板不銹鋼的單面焊雙面成形，目前等離子弧焊還無法做到。

圖2 試驗系統(tǒng)及K-TIG焊接過程[7]

XIE Yan等[10]采用K-TIG焊接了8mm厚430鐵素體不銹鋼，接頭優(yōu)良，抗拉強度為母材的59.2%，達到了傳統(tǒng)氣體保護焊、G TAW的強度，但焊縫區(qū)的抗腐蝕性能降低。另外，還采用了高頻脈沖K-TIG焊接，與常規(guī)K-TIG相比，可降低焊接熱輸入，接頭強度增加35.6MPa。

從以上研究可以看出，K-TIG非常適合不銹鋼中厚板焊接，最大厚度可達到10mm，接頭強度優(yōu)于母材。

除了不銹鋼外，LATHABAI等[5]還采用K-TIG焊接12.7mm厚商業(yè)純鈦，并與傳統(tǒng)的TIG焊接技術進行了對比（見圖3）。結果表明：采用K-TIG焊接的熱輸入更大，加熱速率和冷卻速率也更大，因此熱影響區(qū)寬度更廣，晶粒大小差異更大。但接頭橫向拉伸性能差異不大（K-TIG：538MPa，TIG：542MPa）。K-TIG焊接在生產效率上更具有發(fā)展前景，相比于傳統(tǒng)TIG的多層多道焊（6層），K-TIG焊接實現(xiàn)了單面焊雙面成形。

4.2 碳素鋼K-TIG焊接

盡管K-TIG焊接在中厚板一次焊透方面具有明顯的優(yōu)勢，但隨著學者的研究發(fā)現(xiàn)，對于碳素鋼類材料的焊接存在一定的局限性。其主要原因在于焊接過程不穩(wěn)定，因此國內外學者對此進行了分析，并從焊接工藝、工裝及其他方面采取措施進行研究，一定程度上拓寬了K-TIG焊接技術的材料適用性。

K-TIG焊接過程小孔的穩(wěn)定性是保證焊接質量的前提，小孔的穩(wěn)定性與電弧壓力、熔池重力和熔池表面張力有關。諸多學者發(fā)現(xiàn)，采用K-TIG焊接碳素鋼時穩(wěn)定性不夠，分析認為主要與材料的導熱系數、表面張力有關，通過采取各種措施進行改善，取得了一定的進展。

樊文飛等[11]通過對8mm厚Q355鋼進行焊接試驗，結果表明，焊接過程不穩(wěn)定，且工藝窗口較窄。認為主要是材料本身熱導率較高[碳素鋼約為0.59W/（m·K），奧氏體不銹鋼約為0.14W/（m·K）]，電弧熔化金屬增多，熔池體積增大，而碳素鋼熔融金屬表面張力?。s為不銹鋼的1/3），因此容易打破三力平衡，導致小孔失穩(wěn)。

王泰等[12]采用在待焊工件背后鋪加保護焊劑（SJ101），對8mm厚Q235低碳鋼進行K-TIG焊接，焊接過程如圖4所示。焊劑的加入有效增大了焊接窗口（430～480A），提高了焊接過程的穩(wěn)定性。因此可以認為焊劑的加入在熔化過程因吸熱而減少了熱積累，同時在焊接過程中起到了托舉背部熔池的作用。但此種方法有一定的局限性，原因之一在于焊劑的鋪設與回收可能成為另一個問題，但這也從側面證明了使小孔穩(wěn)定存在的可行性。此外，焊劑對焊縫化學成分的影響研究也并未考慮。保護焊劑的添加在對熔融金屬起到托舉作用的同時，可能也改善了表面張力，這給熔融金屬表面張力較小類的金屬帶來一定的改善方向。

圖4 焊接過程[12]

Fan Weifei等[13]采用水冷方式對8mm厚Q355鋼進行焊接（見圖5），并采用有限元方法模擬了焊接過程的溫度場。結果表明：采用水冷方式成功實現(xiàn)了K-TIG焊接，其減小了焊縫根部熔寬，且因為水冷的原因增大了熔池的托舉力。焊縫底部溫度場較常規(guī)K-TIG焊接差異較大，焊縫冷卻速度增大，且峰值溫度相差600℃左右。焊縫表面組織和底部組織差異較大，HAZ組織在厚度方面比較均勻，因為K-TIG較大的熱輸入，焊縫并未出現(xiàn)馬氏體組織。焊縫、熱影響區(qū)、母材的沖擊吸收能量分別為126J、130J、140J。文中并未研究水冷對焊縫化學成分的影響，尤其是H元素，盡管文中解釋了因為試件上表面的干燥避免了電弧中H的引入。

圖5 水冷焊接原理[13]

國內學者徐良等[14]分析了10mm厚Q235鋼的焊接難度問題，認為主要與焊接過程的大熱輸入和熱積累有關，導致在開始出現(xiàn)焊透，焊縫背面的金屬由固態(tài)瞬間變成液態(tài)的過程中，液態(tài)熔池的重力、表面張力失衡，焊縫成形出現(xiàn)坍塌失穩(wěn)。為此有針對性地設計了焊接/工裝平臺（見圖6），開槽寬度小于熱影響區(qū)寬度，通過改變散熱條件維持熔池的體積在一定范圍之內，同時在焊接時設置一定的裝配間隙，減小所需電弧壓力，使電弧更易穿透。結果表明，焊接穩(wěn)定性增加，工藝窗口能有效拓寬，且接頭室溫沖擊吸收能量達到132J，遠大于母材的65J。

圖6 K-TIG 焊接平臺截面[14]

天津大學LIU Zuming等[15]采用背面充Ar氣體保護方式焊接16Mn低合金鋼（見圖7）。研究表明，若背面沒有氣體保護，則很難進行穩(wěn)定焊接；當背面充滿靜態(tài)Ar后，在焊接電流為410～450A時可實現(xiàn)穩(wěn)定焊接。當保護氣體為射流時，因為附加壓力的存在，所以焊接過程的穩(wěn)定性增加，電流范圍擴大到420～560A。同時大電流的增加對接頭的質量沒有明顯影響。另外，理論分析了氣體的引入對穩(wěn)定小孔的機理，基本原則還是力的動態(tài)平衡。

除了采用背面氣體保護方法之外，F(xiàn) A N G Yuexiao等[16]首次采用高頻電流（見圖8），以提高5.5mm厚Q355鋼K-TIG焊接接頭的組織及力學性能。試驗采用38.6kHz的高頻電流，與常規(guī)K-TIG焊接技術相比，高頻K-TIG穩(wěn)定焊接時焊接電流從430A降低到340A，實現(xiàn)穩(wěn)定焊接的電流值得到降低（430～460A降低到340～420A）；采用高頻電流后，焊縫區(qū)晶粒組織更加細化，且針狀鐵素體含量增多，接頭力學性能高于母材。通過電弧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，采用高頻電流焊接電弧寬度受到一定的壓縮。

4.3 復合K-TIG焊接技術

為了彌補K-T I G焊接的缺點，隨著研究的深入，有學者開始引入復合焊接技術，主要包括磁場復合、激光復合。磁場在焊接中的應用可追溯到1962年，Brown發(fā)現(xiàn)在焊縫中引入磁場后，電磁攪拌效應可對焊接組織起到明顯的晶粒細化作用。此后磁場復合焊接技術引起了國內外學者的重視。各項研究表明，在電弧焊過程中外加磁場，不僅可改變電弧形態(tài)、影響母材熔化及焊縫成形，還可細化晶粒組織、降低成分偏析，減少熔合區(qū)氣孔、裂紋缺陷，顯著提高了焊縫的力學性能[17]。

圖7 K-TIG背面保護模式焊接原理[15]

圖8 高頻K-TIG焊接[16]

鐘少濤等[18]設計了一種旋轉電弧磁場控制器，并用于機器人自動焊接，如圖9所示。針對Q345R鋼在不同旋轉磁場（不同勵磁頻率和勵磁電流）下進行了焊接。結果表明，電弧掃描半徑隨著磁場頻率的增加而增加，焊縫組織中的鐵素體含量優(yōu)于旋轉磁場的作用明顯提高。

圖9 旋轉電弧磁場控制器[18]

LIU Zuming等[19]采用電磁增強K-T I G焊接SUS304不銹鋼，通過在焊槍周圍施加尖角磁場（見圖10），磁場強度為175mT。通過試驗發(fā)現(xiàn)，電弧形態(tài)由圓錐形變成橢圓形，穩(wěn)定焊接時的閾值電流降低了近30A。焊縫組織和尺寸沒有明顯發(fā)生改變。但文中并未對磁場強度的影響進行研究，因為此種施加方式對焊縫的電磁攪拌作用較弱，電流降低不大，因此組織變化不明顯。

圖10 尖角磁場增強電弧原理[19]

華南理工大學石永華等[20]在10m m厚Q355鋼K-TIG焊接過程中施加縱向磁場（與鎢極平行），并設計了相應的系統(tǒng)和裝置，如圖11所示。勵磁波形分別采用了半波波形、全波波形、正弦波形等。試驗結果表明，縱向磁場作用下，當勵磁波形為半波時，焊縫組織中鐵素體含量最高，沖擊吸收能量也較高，達53.6J（與表1相比，已達到PAW水平）。縱向磁場作用Q355鋼K-TIG焊縫組織中鐵素體含量依半波、全波、正弦波、勵磁波形依次遞減，分析認為是電磁對熔池的攪拌效果隨著電磁頻率的增大而減小。但文章中缺乏與無施加磁場時的組織及性能對比結果，同時磁場輔助下的穩(wěn)定焊接效果也不得而知。

圖11 外加縱向磁場輔助K-TIG焊接試驗系統(tǒng)和裝置[20]

除符合磁場外，還有學者將激光引入到K-TIG焊接中。李京洋等[21]研究了光纖激光+K-TIG復合焊接的電弧特性與穩(wěn)定性，如圖12所示。結果表明，激光功率與焊接電流存在最佳搭配范圍，超過此范圍電弧穩(wěn)定性下降。同時激光的聚焦方式和離焦量也影響電弧的整體穩(wěn)定性，通過試驗得出最佳離焦量為0mm。證明了復合焊接對工藝窗口的擴展有一定的積極作用，但針對碳素鋼類材料的焊接并未開展相關研究。

圖12 激光-K-TIG復合焊接原理[21]

李京洋等[22]對10m m厚度Q355B鋼進行激光+K-TIG復合焊接，結果表明，激光能量的引入使得焊縫更加光滑平整，如圖13所示。分析認為是激光對熔池起到了沖擊和攪拌的作用，且激光功率主要對焊縫熔深起作用。另外，還對比了激光的離焦量、熱源間距的試驗。

圖13 不同激光功率下的焊縫表面形貌[22]

可以看出外加能量場（激光、磁場）的引入可改變電弧的形態(tài)、能量的分布，但目前研究體現(xiàn)在試驗效果上，對于理論方面的研究和復合能場下的定量對應關系還需進一步深究。

另外，K-TIG焊接目前主要用于平焊，其對于空間位置的適用性有待進一步改善，包括橫焊和立焊位置，這也是后續(xù)待研究和解決的方向。

5 在核電中的應用前景

核電站中存在較多的不銹鋼覆面[23，24]，如乏燃料水池、內置換料水箱等，厚度一般在3～6mm。為了節(jié)約工期，目前主要采用先貼法施工[25]，其優(yōu)勢在于可將水池進行模塊劃分，預先在車間完成模塊的預制，然后再到現(xiàn)場進行安裝，因此涉及到大量的不銹鋼拼板焊縫。

不銹鋼覆面以往主要采用手工TIG焊接，焊接質量不穩(wěn)定，且效率較低。隨后引進了熱絲自動TIG焊，雖然效率得到一定提升，焊接速度可提高2倍，但對4mm和6mm焊縫仍需多層多道焊接。等離子弧焊能夠實現(xiàn)單面焊雙面成形，但其對間隙、平整度、錯邊量的要求較高，無形中增加了工裝的制作復雜程度。若將K-TIG焊接技術應用到不銹鋼焊接，不僅可實現(xiàn)中厚板一次焊透，提高生產效率，且對板材組對間隙和錯邊量容錯率較高。即便如此，在實際核電現(xiàn)場工況下焊接時，還可能涉及到導軌的設計、背面保護的考慮及整體設備剛性固定等問題。

綜上所述，K-TIG在核電不銹鋼焊接領域具備很好的應用前景，一旦實現(xiàn)應用，將具有顯著的經濟效益和社會效益。除了不銹鋼之外，核電還涉及碳素鋼材料的焊接，如核電安全殼鋼襯里等物項，若需將K-TIG用于實際生產，還需進一步驗證其可靠性和穩(wěn)定性，并按相關標準進行評定。

6 結束語

1）K-TIG焊接屬于自動高效焊接技術，非常適于中厚板的單面焊雙面成形，特別是不銹鋼。

2）K-TIG焊接小孔穩(wěn)定性與被焊材料物理特性密切相關，但可通過對工裝、冷卻方式等進行改進，還可通過外加輔助能量如磁場、激光等方式改善電弧分布。

3）核電的不銹鋼覆面、鋼襯里等物項若采用K-TIG，可提高生產效率，具有廣泛的應用前景。

4）目前，K-TIG焊接位置主要為平焊，在其他焊接位置的適用性和穩(wěn)定性還待解決，尤其是空間位置復雜，且焊縫平整度、間隙、錯邊量等現(xiàn)場環(huán)境存在復雜變化的情況。