高效深熔弧焊系統(tǒng)特點(diǎn)研究及應(yīng)用

孔慶勇

摘 ?要：針對(duì)中厚板焊接，高效深熔弧焊與傳統(tǒng)焊接方法相比能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，背面不需清根重焊，消除了清根以及清根打磨帶來(lái)的粉塵和噪音污染。高效深熔弧焊焊接過(guò)程的精確控制，可重復(fù)而穩(wěn)定的高焊接質(zhì)量從而實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)的自動(dòng)化，大大提高了焊接效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人力、焊材、能源的消耗。高效深熔弧焊成功應(yīng)用于化工裝備制造行業(yè)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：K-TIG ?雙面成型 ?碳弧氣刨 ?小孔效應(yīng) ?深熔

中圖分類號(hào)：TG456.9 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（b）-0050-03

Abstract： Deep penetration arc welding process can realize single-side welding and double-sided forming with higher efficiency compared with traditional welding methods， especially for medium and thick plate welding. In the process， back gouging and re-welding on the back side are not required， the associated dust and noise pollution can be eliminated accordingly. Due to precise control over the process ， high repeatable and stable welding quality can be achieved， which makes automated welding process come true and improves the welding efficiency significantly with great decrease of labor intensity，reduction of manpower，welding materials and energy. High efficiency deep penetration arc welding has been successfully applied in chemical equipment manufacturing industry， and good economic and social benefits have been achieved.

Key Words： K-TIG;Double-sided forming; Carbon arc air gouging; Keyhole effect; Deep penetration

國(guó)內(nèi)鍋爐、管道、壓力容器大型化工裝備制造中，基本要用到4.5～25mm中厚板。而這些中厚板焊接，通常采用埋弧焊（SAW）焊接，如鍋爐、LNG/LPG貯罐、運(yùn)輸槽罐車、運(yùn)輸半掛車的筒體縱、環(huán)焊縫的焊接。盡管許多廠家也采用了一些新工藝新方法，如對(duì)于鋼板≤8mm焊接時(shí)，采用等離子弧焊（PAW）、惰性氣體保護(hù)焊（TIG）、熔化極惰性/活性氣體保護(hù)焊（MIG/MAG）等焊接方法，但當(dāng)鋼板>8mm時(shí)，這些焊接方法就難以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，甚至已經(jīng)不適用了，因此當(dāng)鋼板>8mm情況下，仍然優(yōu)先采用SAW焊接方法。

采用SAW焊接時(shí)通常要做焊縫清根處理，即使在一些薄板采用不清根SAW中，焊縫余高超高問(wèn)題，焊縫一次拍片合格率問(wèn)題解決得并不理想。焊縫清根有碳弧氣刨、氧乙炔割炬、機(jī)械加工方法等，而大多公司常用的焊縫清根方法為碳弧氣刨。碳弧氣刨勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，對(duì)技能員工的依賴程度高，并且碳弧氣刨伴有煙霧、粉塵污染和弧光輻射，此外，操作不當(dāng)容易引起槽道増?zhí)?、夾碳、粘渣、刨槽不正或深淺不均、刨偏、銅斑等缺陷。

隨著新型工業(yè)產(chǎn)業(yè)化道路的發(fā)展，充分發(fā)揮科技，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低能耗，減少環(huán)境污染，充分發(fā)揮人力資源優(yōu)勢(shì)必然是各大制造業(yè)改造的方向和目標(biāo)。為此我司聯(lián)合Guangdong FrorWeld公司進(jìn)行新型的高效深熔弧焊（下文稱K-TIG）的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以解決以上問(wèn)題。

1 ?K-TIG特點(diǎn)及應(yīng)用

（1）高效深熔弧焊系統(tǒng)在自動(dòng)化氬弧焊焊接系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，是一種創(chuàng)新的鎢極氣體保護(hù)電弧焊（GTAW）。K-TIG系統(tǒng)包括一體化焊機(jī)（計(jì)算機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)與高效逆變式氬弧焊機(jī)）、深熔弧專用焊槍、冷水機(jī)、焊接輔助工裝（縱/環(huán)焊縫焊接工裝、專機(jī)，多自由度機(jī)械臂等）及其他焊接配件（見(jiàn)圖1、圖2）;另外實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化可對(duì)自動(dòng)送絲機(jī)、焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、自動(dòng)弧長(zhǎng)裝置、焊縫成像系統(tǒng)等進(jìn)行選裝。

常規(guī)非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）通常為φ1.6～4.0mm細(xì)鎢棒，鎢極載流能力限制，電弧功率較小，比如φ1.6mm鎢棒通常可承載電流50～160A。由公式ρ=--RS-L， 推導(dǎo)得出I=--US-ρL，根據(jù)設(shè)定的電壓值，載流的電流就越大，鎢棒的截面積就需要越大。

上述公式中，ρ為電阻率;R為電阻值;S為橫截面積;L為導(dǎo)線的長(zhǎng)度;I為電流;U為電壓。鎢熔點(diǎn)（3410±20）℃;18℃時(shí)電阻率為0.0532Ω·m。

K-TIG輸出電流范圍為50～1000A，輸出空載電壓為（23±3）V。因此K-TIG設(shè)計(jì)采用φ6.4mm鈰鎢粗鎢棒，即使在鎢棒從導(dǎo)電咀干伸10mm情況下，依然可承受1300A的電流。常規(guī)TIG焊接，由鎢極發(fā)射出來(lái)的自由電弧，這種電弧形態(tài)上為圓錐形。在4000～10000K的溫度區(qū)域延展過(guò)于寬大，因而有很大一部分能量散射到周圍環(huán)境，并且輻射的最高溫度由于太靠近陰極而不能被利用。在TIG焊中這個(gè)溫度區(qū)適當(dāng)增加表層的熔寬，為焊縫和母材之間提供了一個(gè)緩沖帶，使穿透能力變小，工藝受到限制。K-TIG配以粗鎢棒、大直徑噴嘴的專用焊槍，在深熔焊機(jī)控制系統(tǒng)控制下，驅(qū)動(dòng)大電流產(chǎn)生強(qiáng)勁的電弧壓力，在焊槍特有的設(shè)計(jì)功能、電機(jī)特性以及焊弧內(nèi)部的自感作用下使電弧徑向收縮;自由電弧能在4000～10000K的溫度延展區(qū)域收縮狹窄，使更集中更密集的能量束過(guò)渡到工件，得到更深的“熔透”焊接，直至產(chǎn)生類似小孔效應(yīng)對(duì)工件進(jìn)行穿透焊接;并由精密的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（電弧壓力模塊、焊接電流平衡模塊和焊接信號(hào)反饋模塊）對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整控制，使電流形成的電弧力與液體金屬靜壓力、表面張力保持熔池的動(dòng)態(tài)平衡。TIG與K-TIG如圖3對(duì)比。

（2）我們針對(duì)碳鋼厚度4～16mm，不銹鋼厚度8～16mm進(jìn)行了大量試驗(yàn)去驗(yàn)證，并將K-TIG應(yīng)用在LPG運(yùn)輸罐車/半掛車和LNG運(yùn)輸罐車/半掛車生產(chǎn)中，達(dá)到中厚板焊接無(wú)需清根效果。

焊接采用K-TIG-1000高效深熔弧操作系統(tǒng)與HTIG-1000高效逆變式氬弧焊機(jī)組成的一體化焊接系統(tǒng)。我們利用K-TIG進(jìn)行打底焊接，背面全焊透雙面成型無(wú)需清根，而蓋面層采用埋弧焊（SAW）或者TIG填絲焊接。

采用K-TIG打底，坡口形式分幾種情況。

①碳鋼薄板≤8mm，不銹鋼≤12mm，不開坡口焊接，如圖4（a）所示。

②碳鋼>9mm板，不銹鋼>12mm進(jìn)行開“V”（Y型）坡口，坡口角度60°～70°，鈍邊7～9mm，間隙0～1.5mm。K-TIG打底焊接時(shí)分為在坡口面焊接和在坡口背面焊接兩種情況，如圖4（b）（c）所示。

在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是開或不開坡口，從正面或背面K-TIG未填絲打底焊接后，正面焊縫邊緣熔合線附近區(qū)呈現(xiàn)咬邊，或焊縫中間區(qū)少量?jī)?nèi)凹塌陷（未焊滿）以及收弧小坑（對(duì)于有色金屬出現(xiàn)多為咬邊，黑色金屬出現(xiàn)多為內(nèi)凹），如圖5、圖6所示。這是由于K-TIG形成的小孔效應(yīng)（見(jiàn)圖7），接頭母材自熔形成焊縫，未進(jìn)行填絲焊接，熔敷金屬不足，接口間隙未得到補(bǔ)償造成的。在焊接厚板時(shí)，為了達(dá)到背面熔透又不焊穿，K-TIG隨著弧長(zhǎng)的增加，其正面熔寬增大，而熔深減小，焊縫截面形狀呈長(zhǎng)U形接近V形，如圖8所示（類似于等離子弧焊的“酒杯”狀）。正面焊縫寬度通常為板厚度的1.5倍左右，而背面只有2～3mm寬的小而窄的焊縫。

K-TIG屬于明弧焊接，能清楚觀察電弧及熔池，電弧燃燒穩(wěn)定，無(wú)飛濺，焊后不須去渣，所以利用K-TIG進(jìn)行打底焊接，可實(shí)現(xiàn)免清根。K-TIG單面焊雙面成型相對(duì)于SAW清根焊接，在時(shí)間對(duì)比上（假設(shè)號(hào)料、卷制、組對(duì)、焊接準(zhǔn)備時(shí)間不變）K-TIG減少了SAW清根焊接所需的碳弧氣刨與砂輪打磨時(shí)間;減少了碳弧氣刨的噪音、煙霧、弧光輻射、粉塵等環(huán)境污染，改善勞動(dòng)條件（K-TIG焊接時(shí)是明弧，增加了弧光輻射），并且減少了人力、焊材、能源的消耗，大大提高了焊接效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

對(duì)于在K-TIG打底焊接后出現(xiàn)的咬邊和凹陷未焊滿，仍須再用TIG填絲或者SAW等焊接方法進(jìn)行蓋面焊接，才能保證焊縫外觀的良好成型，符合鍋爐、壓力容器要求的焊接接頭表面不得有弧坑、未填滿缺陷。

構(gòu)件組裝的質(zhì)量影響焊縫的全熔透性與外觀形狀，間隙均勻度對(duì)焊縫的邊緣直線度，錯(cuò)邊量則對(duì)焊縫的熔透和余高差皆有影響。K-TIG的容錯(cuò)率比等離子弧焊高，但焊接構(gòu)件的間隙及錯(cuò)邊量仍需控制在2mm以內(nèi)，對(duì)比原適用于埋弧焊焊接的一些組裝要求，K-TIG對(duì)筒體的坡口及組對(duì)質(zhì)量則相對(duì)要嚴(yán)格許多。控制好焊裝配質(zhì)量，背面這焊透的2～3mm寬自由成型焊縫是均勻美觀的，這與我們?cè)囼?yàn)以及在LPG運(yùn)輸罐車/半掛車和LNG運(yùn)輸罐車/半掛車的筒體縱縫、環(huán)縫制造生產(chǎn)中的結(jié)果是一致的。

2 ?結(jié)語(yǔ)

K-TIG是經(jīng)嚴(yán)格的焊縫檢測(cè)證實(shí)的高質(zhì)量焊接方法，焊縫美觀，變形量小，母材的化學(xué)成分變化小，保證焊接接頭的力學(xué)和機(jī)械性能。K-TIG焊接有著卓越的可重復(fù)生產(chǎn)性能，操作簡(jiǎn)單，操作工人經(jīng)過(guò)2d培訓(xùn)便可獨(dú)立操作;操作速度快，可實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化。碳鋼≤8mm，不銹鋼≤12mm，不開坡口焊接;碳鋼>9mm板，不銹鋼>12mm進(jìn)行開“V”（Y型）坡口，能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，背面無(wú)需清根，減少了焊縫后續(xù)處理的工作量;配合SAW蓋面焊接或者其他焊接方法添加焊材便可實(shí)現(xiàn)凸焊縫，必要時(shí)可同步焊接蓋面。

K-TIG焊接自動(dòng)化，焊接效率高，能耗低，操作簡(jiǎn)單，是中厚板焊接良好的選擇。

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