熱絲TIG焊層間未熔合缺陷成因與預(yù)防措施

張杰，竇泉山，吳業(yè)俊，李勁松

東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 四川自貢 643000

1 序言

在東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司大型發(fā)電設(shè)備電站鍋爐制造中，每年僅蛇形管小口徑管子對(duì)接焊口就超過50萬只，大量采用SA-213TP347HFG、Super304H、HR3C等新型不銹鋼材料焊接接頭，焊接材料選用YT-304H、ERNiCr-3、ERNiCrCoMo-1等高等級(jí)焊接材料，焊接難度大。而熱絲TIG焊以其焊接接頭成形完美、無損檢測合格率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、操作方便，以及適合于產(chǎn)品大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在電站鍋爐受熱面小口徑管子對(duì)接焊上得到了廣泛的使用[1-2]。

隨著熱絲TIG焊在碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳基材料小口徑管對(duì)接焊中的大量工程應(yīng)用，也出現(xiàn)了一些新的技術(shù)問題，在不銹鋼小口徑管熱絲TIG焊產(chǎn)品試樣進(jìn)行斷口試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了接頭斷口出現(xiàn)層間未熔合缺陷（見圖1、圖2）。

圖1 斷口宏觀形貌

圖2 斷口表面形貌

2 缺陷特性

不銹鋼接頭試樣層間未熔合缺陷存在以下特點(diǎn)：層間未熔合主要出現(xiàn)于打底層焊道與第二層焊道間，少量出現(xiàn)在第二層焊道與第三層焊道間；未熔合界面前后兩個(gè)道次的晶粒差異大，發(fā)現(xiàn)界面有晶粒斷裂現(xiàn)象。該缺陷無損檢測沒能檢測出，只能用破壞性試驗(yàn)（如斷口試驗(yàn)、金相試驗(yàn)）才能檢測出來。

未熔合是一種類似于裂紋的危險(xiǎn)缺陷，是焊縫中最危險(xiǎn)的缺陷之一，層間未熔合缺陷危害性大，焊縫金屬在未熔合處形成明顯的分界面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，極易誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。在電站鍋爐運(yùn)行中，如果存在層間未熔合等缺陷，則容易發(fā)生接頭泄漏、爆管等問題，對(duì)接焊縫不允許該類缺陷存在。而按照TGS G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，對(duì)接焊縫需進(jìn)行射線檢測，檢測過程按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測標(biāo)準(zhǔn)要求 射線檢測》規(guī)定進(jìn)行橢圓成像或垂直成像，受射線檢測透照方向的影響，射線檢測對(duì)焊縫層間未熔合類缺陷難以發(fā)現(xiàn)，檢出率極低，容易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。因此在產(chǎn)品制造過程中，必須采取有效措施，避免此類缺陷的產(chǎn)生。

3 原因分析

根據(jù)管子壁厚不銹鋼小口徑管對(duì)接，一般采用多層焊，通常焊接層次為2～5層，經(jīng)過試驗(yàn)分析，熱絲TIG焊對(duì)接焊縫造成層間未熔合的主要原因如下。

1）在焊接過程中，管子工件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（見圖3），焊接處于下坡焊位置，上層焊縫金屬未充分熔化時(shí)已被液態(tài)金屬覆蓋，熔深較淺，多層焊時(shí)，層間沒有達(dá)到完全的冶金結(jié)合，容易產(chǎn)生層間未熔合類缺陷。

2）送絲位置靠后（見圖3），熔池的前半部熔化時(shí)，熔池的后半部開始凝固，熔滴過渡到熔池時(shí)熔池已經(jīng)處于冷態(tài)，熔滴過渡到熔池后溫度過低，能量不足以熔化上層焊道就已經(jīng)凝固，容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

3）偏移距離太大，當(dāng)焊縫熔池重力的切向分量大于熔池表面張力，熔池就會(huì)往下淌，導(dǎo)致成形不良或產(chǎn)生焊接缺陷。

4）送絲速度過快，熔化填充金屬消耗能量過多，造成熔池?zé)崃坎粔颍瓜群傅暮傅牢吹玫匠浞秩刍捅蝗刍饘俑采w，單層焊道厚度增加明顯，而新型不銹鋼對(duì)接焊采用鎳基焊材，熔敷金屬流動(dòng)性差，也容易產(chǎn)生層間未熔合。

4 預(yù)防改進(jìn)措施

4.1 調(diào)整工件旋轉(zhuǎn)方向

對(duì)焊機(jī)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行了調(diào)整，將原來的工件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)改為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（見圖3、圖4），使其焊接由原來的下坡焊改為上坡焊，焊絲位置在電弧的前端，避免了送絲位置靠后，熔滴過渡到熔池時(shí)熔池已經(jīng)處于冷態(tài)。

4.2 改變焊機(jī)送絲結(jié)構(gòu)

改進(jìn)送絲機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電嘴。優(yōu)化機(jī)械部件設(shè)計(jì)，對(duì)熱絲部分和導(dǎo)電嘴進(jìn)行改進(jìn)（見圖5），使其與改變旋轉(zhuǎn)方向后的焊機(jī)更好地匹配使用。

圖3 改進(jìn)前旋轉(zhuǎn)方向

圖4 改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)方向

圖5 改進(jìn)后送絲結(jié)構(gòu)

通過工藝試驗(yàn)，調(diào)整確定鎢極與管子中心的偏移距離、鎢極與焊絲距離、鎢極與焊絲夾角、焊絲干伸長度、鎢極伸出長度等參數(shù)；調(diào)整焊機(jī)送絲角度后，使熔池相對(duì)位置保持在11點(diǎn)鐘附近。這些參數(shù)焊接前調(diào)好后，在焊接過程中保持不變，其參數(shù)是否合理，直接影響到焊接過程的穩(wěn)定、焊接質(zhì)量的好壞。

4.3 優(yōu)化焊接參數(shù)

根據(jù)工藝試驗(yàn)，結(jié)合設(shè)備實(shí)際操作情況，確定熱絲TIG焊焊接電流、焊接速度、送絲速度、焊接層數(shù)等關(guān)鍵焊接參數(shù)。針對(duì)不同材質(zhì)、規(guī)格加工試管，調(diào)整焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制送絲速度，按管子不同壁厚，確定焊接層次。經(jīng)射線檢測，斷口試驗(yàn)、解剖焊縫斷面（見圖6、圖7），確定固化最佳匹配的焊接參數(shù)，設(shè)計(jì)、編制焊接程序，輸入系統(tǒng)保存。焊工在焊接時(shí)，直接調(diào)用相應(yīng)的熱絲TIG焊程序進(jìn)行焊接作業(yè)。

圖6 焊縫斷面解剖

圖7 試樣斷口

5 預(yù)防改進(jìn)效果

采取上述預(yù)防改進(jìn)措施，有效地避免了不銹鋼小口徑管對(duì)接接頭層間未熔合等缺陷的產(chǎn)生，對(duì)接接頭斷口試驗(yàn)未再發(fā)現(xiàn)層間未熔合缺陷，有效地消除了產(chǎn)品的隱藏缺陷，焊接接頭質(zhì)量明顯改善，提高了焊接接頭的性能。產(chǎn)品焊縫一次探傷合格率達(dá)99.51%，減少了大量的焊縫返修、探傷工作量，加快了產(chǎn)品制造節(jié)奏，提高了生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品制造周期，降低了產(chǎn)品制造成本。

6 結(jié)束語

通過調(diào)整熱絲TIG焊焊機(jī)焊接旋轉(zhuǎn)方向和送絲位置，優(yōu)化焊接參數(shù)，控制送絲速度、焊接層次，可以改善焊接接頭熔深，有效地避免不銹鋼小口徑管對(duì)接焊縫層間未熔合等缺陷，提高了焊接接頭的性能，焊接接頭質(zhì)量明顯改善。