不銹鋼管自動TIG封根焊研究

李玉波

1.中國一重核電石化事業部石化制造分廠助理工程師，遼寧 大連 116113

我公司厚壁不銹鋼管以往采用手工TIG焊封根，焊縫根部質量易出現未焊透、鎢極夾渣及氣孔等缺陷。而采用管對接自動焊機施焊得到的焊縫金屬組織細密，缺欠少，質量好。因此，研究管對接自動焊最佳工藝參數并應用于生產中，可大大提高工作效率，保證焊縫一致性，提高產品質量。

1 試驗設備與材料

（1）焊機 管對接自動焊設備由焊接電源和焊接機頭（見圖1）兩部分組成，具有自動生成焊接程序、焊接過程及參數動態顯示、交互式人機界面、一站式焊接質量控制指導等先進功能，大大降低了對焊接人員技術水平的要求。焊接電源具有脈沖電流和程序控制功能，可以控制調節焊接速度、電流、時間、保護氣體、提前送氣和滯后停氣等參數；焊接機頭通循環水冷卻，具有負載持續率高的優點。該設備能夠存儲50組焊接參數，實際生產中可根據所焊工件尺寸、材料類別，選擇已有的對應程序。電源為晶體管數字式逆變電源，其陡降外特性使焊接電流不易受鎢極與工件間距離變化影響。機頭具有自動弧長控制功能，通過信號反饋自動校正電弧電壓，調節弧長。直流伺服電機減速器帶動一對齒輪使焊炬旋轉，實現全位置焊接。焊接結束前電流自動衰減，以消除弧坑和防止弧坑開裂。為穩定電弧，該焊接電源具有迅速從峰值變為基值電流的能力，既降低了對母材的熱輸入，又提高焊接速度，適合全位置焊接，背面無需墊板即可實現單面焊雙面成形。

（2）保護氣體 為防止熔池與空氣接觸氧化，管內外表面均需要惰性氣體保護。采用鋼管兩端貼膠帶的方式密封填充氬氣，保護焊縫背部不受空氣污染。

（3）鎢極尺寸及端頭形式 鎢極氬弧焊電極的作用是導通電極、引燃電弧并維持電弧穩定燃燒。鎢極直徑選取需綜合考慮電流種類和極性，脈沖焊時由于在基值電流期間鎢極受到冷卻，許用電流可適當提高。鎢極伸出長度過長易過熱且保護效果差；反之噴嘴易過熱。因鈰鎢極比純鎢極工藝性好得多，且對人體無損害，本試驗采用直徑為?2.4 mm的鈰鎢極，端頭用專用磨削機磨成尖角。

圖1 焊接機頭及試件示意圖

（4）試樣準備 鋼管材質0Cr18Ni10Ti，屬于耐腐蝕型奧氏體不銹鋼，焊前不需要加熱，具有較好的加工性和焊接性。制備時應確保接頭根部厚度在公差范圍內，切口要與管壁垂直，不允許有毛刺，根部直邊不允許有倒角。坡口的形狀和尺寸是焊接的基礎，尤其是對于不銹鋼管對接自動焊，坡口形狀和尺寸對焊接質量和焊接效率均有關鍵性的影響。經試驗對比分析，對于不銹鋼管對接焊縫而言，采用V型坡口不但加工方便，易于施焊，而且適用于各種厚度的對接接頭。

坡口角度的作用在于保證焊透和焊接的可行性，其選取的一般原則是在滿足工藝條件下，選擇盡可能小的坡口角度。但管對接自動TIG焊如果角度過小，則電弧穩定性變差，電弧易向坡口兩側飄移而導致電弧熱和電弧不能集中在坡口底部，造成未焊透。當坡口根部厚度過大時，電弧吹力和熔化金屬受重力作用，易形成根部內凸和焊瘤；而根部厚度過小時，焊接電流小，能承受的工藝范圍窄，控制難度大，易產生燒穿等缺陷。本次試驗為便于操作，將坡口角度放大，根部厚度選擇1.3mm。

2 試驗過程

（1）裝配 因氬氣為惰性氣體，焊接過程中不與液態金屬發生任何化學反應，無去氫、脫氧作用，所以試件待焊處裝配前必須清理干凈。用砂布打磨去除工件坡口及坡口兩側表面至少50 mm范圍內的油污、雜物和水分；兩試件的中心應在一條直線上，偏差量需嚴格控制，盡量消除圓周方向錯邊，否則將直接影響焊縫成形；嚴格控制裝配間隙小于0.1 mm（見圖2）。

圖2 坡口尺寸與裝配示意圖

（2）焊前準備 施焊前將試件固定在焊接機頭中，用專用輔具為管內壁充入氬氣；應注意將保護氣流量調整到合適的范圍，否則流量太小時挺度差，流量太大時氣流層中會出現紊流，空氣易進入，降低保護效果；檢查焊接設備是否連接正確，包括電源極性的正確選擇和連接、網絡電壓波動是否正常、保護氣體及循環水路是否正常、鎢極伸出長度及其尖端角度是否合適、機頭運轉是否正常；調試焊機并設定脈沖電流、旋轉速度、起弧收弧位置等焊接參數（見圖3）。采用直流正接（DCSP）法將工件接正極，鎢極接負極；檢查電源水箱冷卻液量，注入去離子純凈水，確保不少于水箱容積的3/4；為檢驗設定程序是否適用，應先進行模擬焊接。模擬除有關電流和弧長自控功能外的其它程序設定模擬功能，在模擬過程中將保護氣流量調至最佳范圍。

圖3 焊接脈沖電流示意圖

（3）焊接 用焊接回路中串接的高壓脈沖發生器引弧，鋼管固定不動，由焊接機頭自動圍繞待焊處做圓周旋轉進行全位置焊接。當電流達到峰值時母材融化形成點狀熔池，待回落至基值電流后熔池凝固形成一個焊點，通過調節焊速和脈沖電流，由多個焊點相互搭接最終形成連續的焊縫。

針對全位置脈沖TIG焊工藝參數較多的情況，本試驗先確定其它參數，最后調節脈沖電流，即先根據焊點重疊搭接量確定機頭旋轉速度和脈沖峰值時間，再確定脈寬比，控制總的熱輸入量，最后調節峰值電流和基值電流。調節脈沖電流時設定峰值電流、基值電流、峰值時間及脈沖寬度。試驗中根據表面成形及焊縫背面熔合情況調整焊接速度、脈沖電弧等相關焊接參數。

焊接時具體程序如下：①保護氣體提前供氣；②接通主電源和高壓脈沖電源實現引??；③接通脈沖電源，對焊縫起始點進行預熱；④焊槍旋轉，焊接開始；⑤整圈焊接及起點處必要的覆蓋；⑥衰減脈沖并熄??；⑦焊槍停止轉動并停止送氣，完成焊接。

經多次試驗，根據試件外觀成形最好且目視背面根部基本焊透，不銹鋼管無剝層裂紋、壓痕夾雜、焊接引弧燒傷，焊縫表面飽滿、均勻，焊接花紋細膩致密，焊縫寬窄一致，無氣孔、咬邊、弧坑及發黑等缺陷（見圖4）確定出最佳參數組合（見表1）。將該批試樣進行無損探傷和解剖試驗。

圖4 焊縫表面

表1 焊接參數

3 試件檢驗與結果分析

（1）首先對接頭進行著色探傷，檢測標準按JB4730-2005Ⅰ級執行。確認焊接接頭無微小裂紋存在；

（2）焊接經X光射線探傷，根部充分焊透，沒有發現裂紋、未熔合、未焊透等缺陷。X光底片按JB4730-2005Ⅱ級評定合格，技術等級按AB級（見圖 5）；

（3）滲漏試驗：試件在自由狀態下，經受0.4 MPa的氣壓，保壓3 min無泄漏現象；

（4）晶間腐蝕試驗：對焊接接頭按《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》 （GB/T4334-2008）考核合格；

（5）試件解剖后管內焊縫呈銀白色，說明管內充氬氣保護效果良好。

圖5 焊縫X光射線底片

4 脈沖電流影響分析

脈沖電流是獲得全焊透焊縫最關鍵參數，可降低對母材的熱輸入，提高焊縫冷卻速度、減少高溫滯留時間，提高不銹鋼接頭耐腐蝕性；同時防止因熔敷金屬表面張力不足以支持熔池而造成焊縫的下榻，提高焊縫抗燒穿能力；在焊道最小寬度情況下提高焊縫熔深，保證根部焊透。具體確定時需綜合考慮母材、根部厚度、焊接速度、保護氣體等因素的影響。

（1）在全位置管焊接過程中，必須通過對電流的有效控制降低重力對熔池的影響，防止焊縫金屬失控流淌，保證焊縫外觀及一致性。具體在仰焊位置，熔池液態金屬將向下流動，此時如果采用較大的電流，熔池容易接觸鎢極導致短路；在上坡焊位置，熔池液態金屬將向后流動，如果電流過高就可能出現“垂瘤”，而如果電流過低又可能造成未焊透；在平焊和下坡焊位置，由于熔池液態金屬將向前下方流動并填入焊縫，會使電弧熔化根部變得困難，造成根部焊透性差。對小直徑不銹鋼管由于熱量積累效應十分明顯，應適當逐漸減小焊接電流。在焊接奧氏體不銹鋼時，為保證焊縫性能，應嚴格控制對母材的熱輸入，在保證根部焊透和熔合的條件下，應盡可能選擇小的線能量；

（2）試驗結果表明為保證焊縫成形，峰值電流與基值電流的比例以3∶1較為適宜，而且應在保證電弧穩定性前提下，盡量選擇較低的基值電流；由于脈沖頻率對焊接花紋具有決定性影響，為便于起弧，應將熔池重疊量設定為75%；母材的熱敏感性和焊接電源的許用電流決定了峰值寬度，對焊熱敏感性高的材料時，峰值寬度相應降低。為保證焊縫表面成形，峰值寬度通常應為總脈沖寬度的25%；峰值電流與峰值寬度之積為電通量，它決定焊縫的形狀尺寸，特別是熔深。當鋼管根部較薄時，應適當降低峰值電流并相應地延長峰值寬度；對全位置焊接來說，起焊點的選擇將決定收弧質量。因此，在焊小管時要特別注意設定好起焊點和收弧角度。另外，適度提高焊接速度可降低焊接接頭在危險溫度（400℃～800℃）區間的停留時間，有利于提高不銹鋼接頭耐腐蝕性能。

5 結語

（1）經過試驗，確定了合理的焊接參數，焊縫成形美觀、質量穩定、效率高，各項理化指標滿足既定要求，對接封根焊接質量能夠滿足不銹鋼管實際生產需要；

（2）試驗發現焊接過程中，脈沖電流直接影響焊縫成形、根部熔深，是決定焊縫質量的最關鍵的因素；

（3）試驗證明，先確定其它參數，最后調節脈沖電流的方法可大大簡化工藝試驗過程。