氬弧焊技術(shù)在大氣環(huán)境下對(duì)薄壁鉬管的焊接

張凱悅，焦軍臣，武 宇

（西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710016）

鉬是一種銀灰色的難熔金屬，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方，熔點(diǎn)為2622℃±10℃，線膨脹系數(shù)為5.3×10-6/℃，密度為10.22g/cm3。金屬鉬導(dǎo)熱系數(shù)室溫下為0.34k/cm·s·℃，2000℃下為0.24 k/cm·s·℃，與普通鋼相比，焊接時(shí)熱停留時(shí)間較長(zhǎng)[2]。鉬及鉬合金具有較高的強(qiáng)度及優(yōu)良的成型性和比強(qiáng)度，可作為高溫爐發(fā)熱體和隔熱屏和電子管中的支撐材料；在涂層保護(hù)下可制作為發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、火焰擋板、翼板等；因鉬的熱中子吸收截面小、高的持久強(qiáng)度，在原子能工業(yè)中可作氣體冷卻反應(yīng)堆的包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料。此外，鉬的高熔點(diǎn)及其良好的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，還可作為高溫真空爐熱電偶的外部保護(hù)套，從而對(duì)熱電偶內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到良好的保護(hù)作用。

為提高生產(chǎn)效率，大批量制備鉬管保護(hù)套，需將規(guī)格為φ10×0.8×1500mm鉬管一端進(jìn)行密封性焊接。鉬在大氣環(huán)境下焊接性能較差，焊后易氧化、脆裂并存在大量氣孔，一般要求在真空狀態(tài)下完成焊接。由于產(chǎn)品規(guī)格較長(zhǎng)，無法放入真空焊接設(shè)備中進(jìn)行操作，且鉬管壁很薄，焊接難度非常大。本文論述了采用手工鎢極氬弧焊局部氬氣保護(hù)的方法，通過設(shè)計(jì)焊接工裝夾具，優(yōu)化焊接工序，實(shí)現(xiàn)了壁厚為0.8mm鉬管在大氣環(huán)境下的焊接。

1 焊接實(shí)驗(yàn)過程

1.1 焊接工裝夾具設(shè)計(jì)

室溫條件下，鉬屬于易碎的脆性材料，焊接夾持時(shí)易產(chǎn)生裂紋，因此在操作時(shí)需輕拿輕放。針對(duì)此情況，通過制作三爪卡盤式工裝克服了在外力作用下鉬管易脆裂的現(xiàn)象。一般情況下，鉬的塑性隨溫度升高而提高，晶粒尺寸也隨溫度的升高而增大。本焊接試驗(yàn)針對(duì)規(guī)格為φ10×0.8×1500mm鉬管，其長(zhǎng)度較長(zhǎng)，管壁非常薄，材料本身在大氣下的焊接性能很差，具有易氧化、脆裂等特性，給焊接帶來很大困難。為保證在大氣環(huán)境下焊接時(shí)不產(chǎn)生氧化，提高焊縫質(zhì)量，減少對(duì)焊接熱影響區(qū)的高溫性能影響，通過利用焊接工裝夾具，保證了焊接工序的順利完成。

因鉬管壁較薄、直徑大等因素，焊接時(shí)無法使用自熔焊和加絲焊的方法進(jìn)行密封性焊接，故設(shè)計(jì)了密封專用的同材質(zhì)牌號(hào)鉬堵頭（堵頭尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示）。通過在鉬管一端塞入鉬堵頭，并設(shè)計(jì)焊接時(shí)所需的內(nèi)外氬氣保護(hù)罩（保護(hù)罩結(jié)構(gòu)如圖2所示），解決了鉬管端頭在大氣環(huán)境下的焊接難題。該保護(hù)罩的設(shè)計(jì)，減少了焊接區(qū)域與空氣的接觸，防止了鉬管焊接過程中發(fā)生氧化，實(shí)現(xiàn)了在大氣環(huán)境下鉬管局部用氬氣保護(hù)進(jìn)行密封性焊接的可能。焊接后鉬管端頭表面光滑，呈銀白色半球形狀。

圖1 金屬鉬堵頭尺寸結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)外保護(hù)罩示意圖

1.2 焊接工藝實(shí)施

（1）焊接前的準(zhǔn)備及清理。鉬管端頭需齊頭、平整、無毛刺，焊接前需進(jìn)行堿/酸洗處理，以便去除被焊接區(qū)表面的污物及氧化層，堿/酸洗后要及時(shí)用清水沖洗干凈，并用吹風(fēng)機(jī)吹干水分，保證即洗即焊，焊接時(shí)需帶干凈的手套。焊接前的清理工作是防止產(chǎn)生焊接缺陷的重要可靠保證。

實(shí)施焊接前工裝夾具均需用酒精或丙酮清洗，去除表面油污和灰塵，減少間隙元素O、C、N的危害，防止氣孔、裂紋及其它焊接缺陷的產(chǎn)生。

（2）焊接方法：手工鎢極氬弧焊。

（3）焊接設(shè)備：YC-300TSP氬弧焊焊機(jī)。

（4）焊縫接頭類型：不加填料塞焊，單面焊接雙面成型[2]。

（5）焊接位置：起弧時(shí)將焊槍偏向堵頭一側(cè)。管子壁厚為0.8mm，與堵頭壁厚相差大，為防止管壁燒穿，在堵頭部位焊接。

（6）焊接規(guī)范：

（a）焊接工藝選擇。合理的焊接規(guī)范是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵，焊縫須一次性焊接成型，多次焊接會(huì)使焊縫及熱影響區(qū)晶粒異常長(zhǎng)大或者出現(xiàn)氧化應(yīng)力開裂現(xiàn)象，影響后續(xù)使用或產(chǎn)生廢品。通過反復(fù)試驗(yàn)得出以下焊接工藝，如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

（b）氬氣流量選擇。焊接是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的，采用局部氬氣保護(hù)的方法，使得焊縫熔池和未焊金屬，焊接熱影響區(qū)，均處在氬氣有效保護(hù)范圍內(nèi)，保證不氧化方可，鉬管焊接后氧化對(duì)比圖，下方鉬管焊接保護(hù)效果差，焊接后表面明顯發(fā)生氧化，氬氣流量如表2所示。

表2 氬氣流量參數(shù)設(shè)計(jì)

2 焊縫性能檢測(cè)

鉬管焊縫經(jīng)宏觀檢查，焊縫內(nèi)外面成型均勻一致，無錯(cuò)邊、咬肉；焊縫及熱影響區(qū)無氧化現(xiàn)象，焊縫表面光滑，無氣孔、裂紋等其它焊接缺陷。

鉬管焊接完對(duì)套管整體真空去應(yīng)力退火后，在0.8Mpa～1.0Mpa下對(duì)鉬管進(jìn)行氣密測(cè)漏實(shí)驗(yàn)，管子密封性良好，無氣漏。通過對(duì)材料進(jìn)行硬度實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得出，材料力學(xué)性能滿足要求。

3 結(jié)論

（1）通過該工藝方法實(shí)現(xiàn)了規(guī)格為φ10×0.8×1500mm的薄壁鉬管在大氣環(huán)境下的焊接，焊后材料表面呈銀白色，焊縫及熱影響區(qū)無氧化、裂紋等缺陷；

（2）焊后在0.8Mpa～1.0Mpa下進(jìn)行氣密測(cè)漏實(shí)驗(yàn)，管子氣密性好，無氣漏。