窄間隙熱絲TIG焊技術經濟特性分析與發展現狀

張良鋒，楊公升，許威，宋國祥，文海龍

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

窄間隙熱絲TIG焊技術經濟特性分析與發展現狀

張良鋒，楊公升，許威，宋國祥，文海龍

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

文章介紹了窄間隙熱絲TIG焊的研究現狀及其系統的構成，并對其技術、經濟特性進行了分析。窄間隙熱絲TIG焊是一種比較具有競爭優勢的焊接工藝方法，焊接過程無飛濺，焊接穩定性高，不存在清渣問題，比較容易解決窄間隙側壁熔合關鍵問題。焊接接頭具有更小的變形、更低的殘余應力，抗裂性好，并具有優異的接頭機械性能和焊縫質量，在板較厚、焊接質量要求較高的場合已得到越來越廣泛的應用。

窄間隙焊；熱絲；TIG焊

在近海石油、天然氣開采中要大量使用大型海洋結構物，大型海洋結構物（如采油平臺）制造中，厚度大于100 mm的鋼板使用越來越多，而且焊接質量要求很高[1]。因此，高質量、高效率的窄間隙焊接方法，將成為這一領域中厚板結構焊接的首選技術。窄間隙熱絲TIG焊在眾多的窄間隙焊接方法中，由于其具有焊接過程穩定可靠、更低的焊接變形、更小的焊接殘余應力以及優良的接頭機械性能和卓越的焊縫質量等特點，在一些重要的厚壁構件焊接中得到越來越多的關注和應用。

1 窄間隙熱絲TIG焊系統的構成

熱絲TIG焊是在普通TIG焊的基礎上增加了熱絲系統，即通過獨立的焊絲加熱電源和加熱裝置對焊絲進行加熱，使得焊絲在被送入熔池前加熱到300～500℃。因此，與冷絲相比，熱絲TIG焊的熔敷率提高兩倍，從而提高了焊接效率，其基本原理如圖1所示。系統設備主要由鎢極氬弧焊槍、焊接電源、指令控制器、熱絲電源、熱絲送絲機等組成。若焊接坡口采用窄間隙坡口，由于坡口深而窄，普通焊槍可能伸不到坡口底部，此時需更換特制的窄間隙焊槍，如圖2所示。該種焊槍做成扁平狀，加水冷、自動送絲、自動提升機構系統，能伸入坡口間隙為10 mm左右的坡口進行焊接，目前能焊接的板厚可達100 mm。在成套窄間隙熱絲TIG焊設備生產中，法國POLYSOUDE公司做得比較好。

2 窄間隙熱絲TIG焊橫向技術對比

窄間隙焊接方法是在通用焊接工藝方法的基礎上發展而來的，目前普遍使用的常規焊接方法是熔化極氣體保護焊（GMAW）、埋弧焊（SAW）和鎢極氬弧焊（TIG），所以開發出來的大量應用于實際生產的窄間隙焊接工藝方法只有窄間隙熔化極氣體保護焊（NG-GMAW）、窄間隙埋弧焊（NGSAW）、窄間隙鎢極氬弧焊（NG-TIG）3種。根據保護氣和焊絲的特點，將二氧化碳氣體保護焊、活性/惰性氣體保護焊（MIG/MAG）及藥芯氣體保護焊（FCAW）歸到GMAW一類，相應的NGGMAW也包括了NG-CO2、NG-MIG/MAG及NGFCAW。這些常規的通用焊接工藝方法的優點和局限性都會在窄間隙焊接技術中體現。表1是NGTIG與NG-GMAW和NG-SAW的橫向技術對比。

從表1可知，NG-TIG焊除熔敷率比其他兩種窄間隙焊較低外（熔敷速率一般為20～30 g/min，為NG-GMAW和NG-SAW的1/3左右），在其他幾項指標上都具有優勢。其焊接過程無飛濺，焊接穩定性高，不存在清渣問題，也比較容易解決窄間隙側壁熔合關鍵問題。由于其焊接熱輸入量較低，焊接坡口截面尺寸小，焊接熱影響區比其他兩種窄間隙焊接方法更窄，故其焊縫質量高，焊接接頭的抗裂性好。NG-SAW雖然熔敷率高，但是需要層間清渣，并且容易造成夾渣、氣孔等缺陷，且其焊接熱輸入量大，焊縫性能和接頭性能相對NG-TIG焊要低一些。此外，NG-SAW焊接位置受到限制，僅限于平焊和橫焊位置。NG-GMAW雖然熔敷率高，生產效率高，能夠進行全位置焊接，但其最大的缺點是側壁不易熔合和焊接飛濺較大，焊接穩定性較差，這是制約NG-GMAW應用最主要的原因。圖3是幾種焊接方法的熱輸入范圍，NG-TIG焊的線能量最小，適于各種金屬的焊接，特別適合鈦合金、鎂鋁合金和高強鋼的焊接。

表1 常用窄間隙弧焊的優缺點

3 窄間隙熱絲TIG焊經濟特性分析

NG-TIG焊熔敷速度與NG-GMAW和NGSAW相比，只有其1/3左右。但由于采用窄間隙坡口和熱絲工藝，因此與常規TIG焊相比，具有較大的經濟優勢。常規坡口型式的坡口角度范圍有：V型坡口為30°～37.5°；V型復合坡口為37.5°/10°；J型坡口為20°～25°。而窄間隙坡口角度范圍為0.5°～8°，坡口角度大大減少，其焊縫金屬填充量也大幅降低。采用熱絲工藝，由于焊絲熔化吸收的能量少，與冷絲相比熔敷效率可提高3～5倍。

以焊接D 324 mm×25.4 mm的管材為例，采用NG-TIG焊（直徑1.2 mm的盤狀焊絲，采用單層單道熱絲焊接工藝）和常規手工TIG焊（直徑2.4 mm或3.2 mm單根焊絲，采用多層多道冷絲焊接工藝）兩種焊接方法，其經濟效益對比如下：采用NG-TIG焊可節省60%～70%的焊材（焊絲和保護氣體）、70%以上的焊接時間和50%以上的電力消耗，減少人工投入，降低工人勞動強度。

4 窄間隙熱絲TIG焊的研究現狀

NG-TIG焊時都添加熱絲，常規熱絲TIG焊中采用的加熱焊絲方法都可以應用于窄間隙焊接。現在應用的熱絲形式主要有以下3種：

（1） 脈沖加熱熱絲。焊絲通電會產生電磁場，引起焊接電弧磁偏吹，為了消除或減小磁偏吹，常用的方法是焊接和加熱焊絲時采用交替脈沖電流。電弧熔化母材、焊絲主要在峰值時完成，此時加熱電流很小；在焊接電流為基值時，即使產生磁偏吹，對焊接過程也不會有任何影響，見圖4。

（2） 雙絲熱絲。在單絲脈沖熱絲焊的基礎上發展為單電極雙絲TIG焊，見圖5。這種方法的特點是除了在電弧前方添加熱絲，還在電弧后方添加冷絲，充分利用電弧的輻射和熔池的熱量來熔化冷絲，從而提高熔敷速率，在實際應用中焊絲熔敷速率可以達到30 g/min以上。另外冷絲吸收熔池的熱量，促進熔池冷卻，可以改善焊縫成形，防止熔融金屬下溢，所以這種方法非常適于全位置焊[3]。

（3） 磁控直流熱絲。這種方法是利用焊絲通電產生的磁場來控制焊接電弧的偏轉，是在電弧的后方送絲，焊絲中通過100 A以上的直流加熱電流，使電弧偏向焊接前進方向，相當于前進法TIG焊，見圖6。該方法的特點是通過焊絲加熱電流和送給位置調整電弧偏移距離和傾斜角度，進而改善焊縫成形，即使在高速焊接時也不會產生咬邊，見圖7。

在NG-TIG焊時，雖然電弧不用擺動就可以達到側壁熔合，但有時也在添加熱絲的基礎上增加電弧擺動，實際上現在已經很少用。NG-TIG焊的電弧擺動可以防止孔洞等焊接缺陷，增強對側壁的熔合能力；但更多的是從改善焊縫成形、進一步提高焊接速度的角度考慮的。擺動的方式有機械控制和磁場控制兩種，機械控制最早由蘇聯在1977年提出，是借助彎成20°～25°的鎢極前端（伸出長為8～12 mm）圍繞自身軸作反復旋轉，擺動角度為70°～160°。磁控方法是日本于1976年提出的，這也是外加磁場應用于窄間隙焊的最早報道，外加交變橫向磁場，使電弧在坡口內橫向擺動。

NG-TIG焊率先實現了間隙小于5 mm的超窄間隙焊接，并已經少量應用于實際生產，日本和歐美應用于原子爐制造中，多使用很長的板狀電極，插入坡口中，端部為楔形，保護氣為He和Ar的混合氣。這種方法對電極的要求很高，成本較高，所以僅應用于極其重要的部件焊接[5-6]。

5 結束語

窄間隙熱絲TIG焊與傳統焊接工藝方法相比，是一種具有相對競爭優勢的焊接工藝方法，其焊接接頭具有更小的焊接變形、更低的殘余應力、更高的抗腐蝕性能，能得到無裂紋接頭，具有優異的接頭機械性能和焊縫質量。與其他窄間隙焊接方法相比，除熔敷效率相對較低外，在側壁熔合和接頭的抗裂性等方面具有較明顯的優勢。因此在電站、閥門、轉子、海洋結構物及海底管道等重要構件的焊接中得到越來越廣泛的應用。目前，窄間隙熱絲TIG焊在國際上已逐漸成為工藝管道焊接的主要技術手段。因此，盡快開展窄間隙熱絲TIG焊設備與工藝的研究開發對海洋工程領域來說十分必要。

[1] 項峰，姚舜.窄間隙焊接的應用現狀和前景[J].焊接技術,2001,30(5):17-18.

[2] 張富巨，羅傳紅.窄間隙焊及其新進展[J].焊接技術,2000,29(6):33-35.

[3] 三宅他.9%Ni鋼TIG溶接の高能率化[J].壓力技術,1997,35(2):79-89.

[4] 日本焊接學會方法委員會.窄間隙焊接（譯文）[M].尹士科，王振家譯.北京:機械工業出版社,1988.

[5] 森重他.狹開先溶接技術の原子力プラントへの適用[J].石川島播磨技報,1998,38(4):242-247.

[6] 松田他.原子力発電プラントにおける保守[J].補修溶接技術について,溶接技術,1999,47(1):108-112.

Abstract:The composition of the narrow gap hot wire TIG welding system（hot wire NG-TIG）and the developing situation at home and abroad are introduced.And the technical and economical characteristics of the hot wire NG-TIG are analyzed.Compared with other narrow gap welding processes,the hot wire NG-TIG has competitive advantages such as no splash during welding course,high welding stability and no welding slag cleaning problem.In addition,it is easier to solve the key problem of narrow gap side wall fusion.The welds are of low distortions,low residual stresses,good cracking resistance,superior mechanical properties and excellent weld seam quality.And the hot wire NG-TIG gets more and more attentions and applications in the cases of thicker wall and higher welding quality demand.

Key words:narrow gap welding;hot wire;TIG welding

（42）Analysis on Technical and Economical Characteristics of Narrow Gap Hot Wire TIG Welding and Its Developing Situation

ZHANG Liang-feng（Offshore Engineering Technology Center,Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China），YANG Gong-sheng，XU Wei，et al.

TE973.3

B

1001－2206（2011）02－0042－03

張良鋒（1982-），男，湖南隆回人，工程師，2007年畢業于哈爾濱工業大學材料加工工程專業，碩士，主要從事焊接工藝研究與開發。

2010-04-21；

2010-11-30