熱力管道裂紋修復用A-TIG 焊活性劑研制*

張治國， 張丹丹

（隴南師范高等專科學校機電工程學院， 甘肅 隴南742500）

集中供暖是一種綠色供暖方式， 近年來隨著能源供應的緊缺， 人們環保意識逐漸提高， 集中供暖逐漸成為人們冬季取暖的不二之選。 集中供暖工程中， 熱力管網的焊接是管道施工中非常重要的部分， 由于受到施工環境和施工條件的約束， 手工焊接往往是管道焊接中首選的焊接方法。 另外熱力管道在工作過程中承受的載荷復雜， 并且存在較大的腐蝕性， 所以對焊接接頭的質量有較高的要求， 在實際施工中采用氬弧焊打底以實現較好的背面成形， 保障焊接質量[1]。 氬弧焊加焊條電弧焊是熱力管道焊接的主流方法。在一些監管不嚴的工程中， 不排除直接用手工電弧焊打底的焊接方式， 導致焊接質量無法保證，焊接接頭開裂、 腐蝕等現象經常發生。

A-TIG 焊作為一種新型高效的焊接方法， 既具有氬弧焊焊接質量可靠的優勢， 又具有熔深大、 對一定厚度工件不開坡口一次性焊透的優點， 所以被焊接技術人員廣泛關注， 利用活性焊焊接管道的研究屢見不鮮[1-4]。 受施工原因及工作環境的影響[5]， 熱力管道焊接接頭處開裂的現象時常發生。 熱力管道焊接接頭處裂紋的修復要求較高， 如果修復工藝不規范， 極易發生再次開裂。 利用A-TIG 焊對熱力管道進行修復， 在壁厚允許的范圍內， 可以不去除裂紋直接進行修復焊接， 且可以保證較好的焊接質量。

1 試驗材料與設備

試驗選用奧太手工焊與氬弧焊兩用焊機。 母材選用熱力管道用低碳鋼Q235B， 其主要化學成分見表1， 試樣規格為300 mm×100 mm×8 mm，鎢極選用Φ2.5 mm 釷鎢極。

表1 Q235B 試板主要化學成分 %

在活性劑配方的組分選擇方面， 根據相關研究， 能達到實現熔深增加的組元有單質組元、 非金屬氧化物組元、 金屬氧化物組元以及鹵化物組元。 單質組元有Se、 Te、 Si、 Ti 等[6-7]， 但單質組員對于焊接熔深的增加影響效果不明顯， 并且成本相對較高， 所以在活性劑配方中沒有選擇單質組元為活性劑配方的成分。 非金屬氧化物組元主要有SiO2和B2O3， 由于其對焊接熔深影響較大，所以在大多數活性劑配方中都有非金屬氧化物[8-10]。金屬氧化物組元相對較豐富， 主要有Fe2O3、MgO、 Al2O3、 TiO2、 Cr2O3、 NiO2、 MnO2等， 根據相關文獻研究[11-14]， 金屬氧化物是活性劑配方中必不可少的組分。 鹵化物由于其特殊的物理性質，對焊縫熔深有較大的影響[15]， 但考慮到手工焊接對操作人員身體健康及環境的影響， 活性劑配方中應不含鹵化物。 綜合考慮各組元的情況， 本試驗 初 選SiO2、 Fe2O3、 MgO、 TiO2、 Cr2O3、 MnO2、Al2O3等氧化物為組分研制活性劑。

2 試驗方法

對初選的氧化物進行單組元活性劑焊接試驗。試驗前先對試板進行打磨， 然后將單組元活性劑和成稀糊狀， 均勻涂抹到試板表面， 如圖1 所示。待試板表面的涂覆活性劑中丙酮完全揮發后， 在涂覆層上進行TIG 焊， 焊接工藝參數見表2。

圖1 活性劑涂覆前后照片

表2 TIG 焊接工藝參數

通過分析單組元活性劑對焊縫成形、 熔深、熔寬等因素的影響， 最終選用效果相對好的4 種氧化物為組分， 通過正交試驗法進行多組元活性劑的配制。 4 種選用的單組元活性劑各取4 個水平， 對應各因素分別為1 g、 2 g、 3 g 和4 g， 因素水平表見表3。

表3 因素水平表

3 試驗結果與分析

根據單組元活性劑對焊接熔深的促進效果以及對焊縫成形的影響， 初選的氧化物中SiO2、Fe2O3、 TiO2、 Cr2O3及MnO2都可以使焊接熔深增加1.5 倍左右， MgO、 Al2O3對熔深的促進效果較差， 且焊縫表面成形相對較差， Fe2O3表面成形相對稍差。 所以最終選擇SiO2、 TiO2、 Cr2O3及MnO2為多組元活性劑的組分進行正交實驗， 分別為因素A、 因素B、 因素C 及因素D。

采用表2 的焊接工藝參數進行正交試驗。試驗方案及結果見表4。 由表4 可以看出， 能將8 mm 厚試板焊透的試驗有試驗1、 試驗9、 試驗15 及試驗16， 其中試驗15 效果最好（如圖2所示）， 所以通過直接對比法得到的最佳配方為A4B3C2D1。 這個結果只代表16 組試驗中的最佳方案， 不能代表全部試驗組合中的最佳方案。 為了確定最優組合， 采用極差分析法對試驗結果進一步分析。

極差分析是以焊縫熔深指數為指標， 由表4可以看出， 完全焊透的試驗熔深指數為1； 不能完全焊透， 但熔深較大的試驗熔深指數為0.5； 熔深較小的試驗熔深指數為0。 根據分析結果， 最優組合有A4B1C1D1與A4B3C1D1兩組，其中SiO2的含量都大于40%， MnO2與Cr2O3含量在10%～15%， 這與直接對比法得到的試驗結果相近。 TiO2含量變化相對較大， 但根據極差R 的值， 發現對焊縫熔深影響比較大的為因素D、 因素A 和因素C， 所以在配方中要優先保證MnO2、 SiO2及Cr2O3的含量。 綜合分析， 組合活性劑中， SiO2的含量不能太低， 根據焊透效果好的幾組試驗及極差分析結果， SiO2的含量達到40%以上時， 熔深增加效果最好。 MnO2含量稍大于10%時， 熔深增加效果較好。 根據直接對比結果及極差分析結果， TiO2與Cr2O3的含量應小于50%， 其中Cr2O3的含量在10%～20%為宜， 所以最終確定A4B3C1D1為最佳組合方案。 采用A4B3C1D1組合配制的活性劑， 焊接效果如圖3 所示， 可以看出焊接效果略優于試驗15。利用最優方案配制的活性劑可以在不去除裂紋的情況下， 對壁厚為6 mm 的熱力管道進行修復， 修復效果如圖4 所示。

表4 正交試驗方案及結果

圖2 多組元活性劑正交試驗焊接效果

圖3 優選配方活性劑焊接效果

焊接電流在120 A 時， 采用優選配方無法將8 mm 厚板焊透， 焊接電流調至180 A 時可以輕易將8 mm 厚板焊透。 焊接速度應控制在70～80 mm/min， 焊速太慢容易將試板燒穿， 焊速太快無法將試板焊透， 焊接效果如圖5 所示。 焊接弧長3～4 mm， 弧長過大起不到保護作用， 弧長過小熔深增加效果不顯著 （如圖6所示）。 保護氣體流量為10～12 L/min， 流量過大會將涂覆層吹散， 從而影響活性劑對焊接熔深的促進作用。

圖4 6 mm 壁厚熱力管道裂紋修復效果

圖5 焊接速度過小及過大時焊接效果

圖6 弧長1～2 mm 時焊接效果

4 結 論

熱力管道焊縫發生開裂后， 在裂紋較窄的情況下， 可利用A-TIG 焊進行修復。 針對熱力管道常用材料Q235B 研制了手工A-TIG 焊活性劑。 綜合考慮單質活性劑、 非金屬氧化物活性劑、 金屬氧化物活性劑及鹵化物活性劑的特點及機理， 以及手工焊接對操作人員與環境的保護等因素， 選用氧化物作為活性劑組分配制活性劑。 將SiO2、TiO2、 Cr2O3及MnO2作為單組元活性劑時， 焊接熔深相對較大， 焊縫成形較好。 采用這4 種氧化物作為多組元活性劑的組分， 進行4 因素4 水平的正交試驗， 結果表明， 多組元活性劑中試驗15 的焊接熔深大， 焊接效果好， 可以將8 mm 厚試板一次性焊透。 根據極差分析， 發現最優方案為A4B3C1D1，該方案焊接效果優于試驗15。 同時， 對焊接工藝參數進行了規范， 發現在合理的工藝參數下， 活性劑才能發揮最大的作用， 如工藝參數不合理，則利用活性劑增加焊接熔深， 提高焊接效率的目的無法達到。