A—TIG焊接法在薄壁管道焊接中的應用

楊洪亮

摘?要：本文簡述了活性焊接法（A-TIG）的特點，并和常見焊接方法的優缺點做了比較。在此基礎上，分析了在熔池中加入活性劑后熔池中物理化學變化原理。最后以304鋼薄壁管道的焊接為例，制定其焊接方案，并對焊接結果進行了分析和經驗總結。

關鍵詞：A-TIG焊接法 薄壁管道?分析總結

中圖分類號：TG457.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0104-01

1概述

在傳統焊接方法中對于厚度大于2毫米的管道焊接時一般都需要開坡口，當焊接環形接頭時，在焊縫處容易產生焊接缺陷。對于要求比較特殊的管道，采用傳統的焊接方法通常都有很高的返焊率。因此管道的環形焊縫工藝是焊接技術中的重要問題也是難題。活性焊接技術（A-TIG）是一種源自烏克蘭的焊接工藝，能夠大幅度的提高焊縫熔深，提高了焊接效率，能夠適應多種焊接場合。活性焊接技術的關鍵是在焊接板材表面涂抹表面活性劑，起到增加焊接熔深的作用（焊接熔深可為普通TIG焊接熔深的2倍以上），其他的操作和傳統的TIG焊接相同，活性焊接法可達到單面焊接雙面成型的效果。活性焊接法的這一優勢在管道焊接中具有重要意義，是解決重要管道焊接的關鍵技術。國內對活性焊接法的研究起步在20世紀90年代末期，目前為止已經成功的研制出了可用于不銹鋼和碳鋼的焊接活性劑。實踐表明采用活性焊接法不僅能夠大幅度的降低焊接成本，同時還能減少焊接時間，因此具有明顯的技術優勢。在當前的活性焊接法研究中，薄板材料的快速焊接技術是重要的研究領域，其成果可用于圓形薄壁管道的焊接以及其他的特殊外形的薄壁構件焊接，而薄壁管道的焊接恰好是傳統焊接方法很難解決的問題。

2其他管道焊接方法的優缺點分析

在傳統的焊接技術中，依據管道壁厚度和焊接質量要求的不同，采用的方法可為手工鎢極氬弧焊、MAG焊、全位置熱絲TIG焊或是等離子弧焊等焊接工藝等。其中手工鎢極氬弧焊的焊接成本最低，但在管道厚度較大（>3mm）時，在焊接前需要對管道做60°的對稱的坡口，且不能留鈍邊。這一焊接方法最大缺點是不易控制焊縫成型，焊接質量的保證率不高，且需要焊工具有很嫻熟的焊接技巧。而MAG焊是手工鎢極氬弧焊、蓋面焊和焊接夾具的組合。在進行MAG焊時需要以手工焊接為基礎，再配合使用填充和蓋面焊。這一焊接方法由于在焊接前使用夾具將焊接構件固定，焊接中構件會發生熱力變形產生溫度應力，在冷卻后可能出現裂紋和氣孔等缺陷。全位置熱絲TIG焊是一種近年來才開始使用的新型焊接方法，其主要工藝特點是在焊接前將焊絲預熱到三百到五百度，然后再把焊絲放入熔池。采用這一焊接方法可以避免在待焊接構件上開出角度過大的坡口（一般只需要1～6°即可），但焊接時需要依賴窄間距焊槍，并且焊接前的構件坡口角度加工要求較高，成本也較高。等離子弧焊的基恩原理是通過電弧獲得高能密度的等離子弧，使其穿過焊件，從而達到背面成型的效果，在尺寸較小的焊件焊接中具有明顯的優勢。但成本相對較高，在處理尺寸較大的焊件時存在困難。通過以上分析可見，各類焊接方法各有其優缺點，但對于薄壁管道的焊接，以上幾類方法都存在不足。因此在本文中將以管壁厚度在6～10mm管道為例，以活性焊接法為手段，研究其全位置焊接工藝。

3添加活性劑后焊件熔池的物理化學變化特性分析

在研究薄壁管道的活性焊接工藝之前，應當了解在熔池添加活性劑后的物理化學變化，這些變化特性是制定相應的焊接工藝的重要參考。在焊接過程中，熔池的形狀主要受焊件表面張力溫度系數的控制，而焊件表面張力系數的分布又和熔池不同位置的含氧量和溫度有關，這決定了熔池中的金屬融液的流動方式存在差異。在添加活性劑后，在焊接過程中活性劑受高溫而分解，所含的氧原子釋放后會凝聚在熔池表面，改變熔池的表面張力特性，使其重新分布。這一過程中存在著氧原子聚集和擴散的兩個動態過程。這兩個動態過程使得熔池的表面張力系數的平衡過程變緩，從而加深熔池深度。當氧原子的聚集和擴散達到平衡的臨界點后，熔池達到最大深度。因此氧原子的這兩個動態過程是影響活性焊接的關鍵因素，為達到平衡的時間又和活性劑中的含氧量直接相關，因此在制定合適的焊工藝時，需要以此為基礎。在本節中，以304不銹鋼（成分為18Cr-8Ni）薄壁管道為例探討其活性焊接方法。

4薄壁不銹鋼管道焊接工藝

（1）管道特性分析。這類不銹鋼管道強度中等，可塑形和耐高溫特性都較好，但不利于熱處理強化。進行焊接時，由于焊口處熱導率小，而線膨脹系數很大，焊縫處金屬融液高溫停留時間長，容易形成鑄態結構，價值在焊接過程中容易產生明顯的局部熱力變形并產生溫度應力，因此在普通焊接中很容易發生焊口處的焊接變形，從而影響焊接質量。（2）焊接方案的擬定。用于焊接試驗的鋼管直徑為45mm。在考慮其全位置焊接時，首先確定其全位置劃分。劃分方法為將鋼管的外徑周長均勻劃分為6個相同的分段，各分段編號后按順序進行焊接，焊接電源為直流電。為尋找最優的焊接工藝參數，設置了5組焊件，分別采用了不同的參數組合。（3）焊接器材和工藝參數。在焊接中選用直徑2.4mm的鈰鎢極作為焊接鎢極，電弧長度3～4mm。保護氣體為純度99.9%的氬氣，焊接時的管道外部保護氣體的噴氣流量為每分鐘10～5L升之間，管道內的保護氣體噴氣流量控制在每分鐘1～2L之間。按照管道的焊接區段劃分編號，順序自1～6段逐段進行焊接，預通氣時間為設置為3s，滯后氣時間設置為為6～8s，預熔時間設置為為4s，衰減時間設置為20s，熄弧電流設置為20A，焊接速度均為90mm/min，焊接電流在各試件中略有不同——各試1電流強度：90A，各試2電流強度：86A，各試3電流強度：82A，各試4電流強度：78A，各試5電流強度：74A，分段6電流強度：72A。（4）結果與分析。通過以上焊接參數進行焊接后，得到了不同的焊接結果，從實驗中得出的經驗如下：焊接電流的強度會直接影響到焊縫的熔池深度，如果焊接電流過大會導致熔穿，過小則會出現焊不透的情況。此外，預熔電流強度和預熔時間也都會對焊縫的熔寬造成影響。為了避免出現收付凹坑和焊接熱裂紋，收弧度電流和衰減時間也應合理控制。嚴格說來，不同化學成分和幾何尺寸的鋼管焊接在選定了器材的前提下，應做多組試驗的方式來確定最優的參數組合，這樣才能保證在焊件焊接中的高質量。

參考文獻

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