鍋爐管板半自動TIG焊焊接工藝

馬琦，索選軒，沈華西，歐先印，余細平

1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院九江分院 江西九江 332000

2.九江海天設備制造有限公司 江西九江 332000

1 序言

九江海天設備制造有限公司制造的某型船用鍋爐為管板結構，其中爐管與管板的焊接接頭高達四五千個，其焊接質量直接影響鍋爐的使用安全，焊接效率直接影響產品的制造周期，因此管板處的焊接在整個生產周期中極其重要。若采用焊條電弧焊焊接，則焊縫外觀質量差，且熱輸入高，熔深大，極易燒穿爐管。手工氬弧焊雖然焊縫成形好，但效率極低，不能滿足規模化生產需求。而半自動化TIG焊具有焊縫成形美觀、焊接缺陷少、可靠性強，以及生產效率高等優點，可彌補上述兩種方法的不足，因此開發此種焊接工藝十分重要。

2 管板結構及質量要求

鍋爐管板管孔分布如圖1所示，爐管與管板焊接接頭如圖2所示。管板材質為Q345R，厚度24mm，爐管材質為410G，公稱直徑為φ51mm×3.5mm。圖樣要求爐管伸出長度L＝5mm，焊腳高為5mm。制造采用先脹后焊的工藝，并且焊接位置為全位置水平固定焊。要求焊縫外觀達到中國船級社《材料與焊接規范》要求，且按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》[1]進行著色檢測，Ⅰ級合格。

圖1 爐管管板管孔分布

圖2 爐管與管板焊接接頭

3 焊接工藝試驗

3.1 焊前準備

根據管板角焊縫的設計及焊腳高的要求，焊絲選用ER50-6、φ1.0mm，并按GB/T 8110—2020《熔化極氣體保護電弧焊用非合金鋼及細晶粒鋼實心焊絲》[2]復驗符合要求。鎢極氬弧焊的抗氣孔能力弱，因此焊前焊件清理尤為重要，在焊前應將管板內孔、爐管管頭及管板表面的鐵銹、油污及氧化皮等清理干凈，必要時用丙酮清洗，以保證焊縫質量。

3.2 焊接方法及設備

采用半自動TIG焊進行焊接。焊機型號MWA-315，機頭型號MWP-80，焊接電源采用MWA-315，焊接過程采用計算機編程控制，通過調節脈沖實現對基值電流與時間、峰值電流與時間、焊接速度、送絲速度、弧長電壓及擺動功能等參數進行精細控制。整個焊接過程可分為兩步：第一步為焊機機頭的定位固定；第二步為實施焊接（見圖3）。兩個步驟的準確實施才能使整個焊接過程穩定，焊縫成形均勻美觀。

圖3 焊接示意

3.3 機頭定位

焊前焊接機頭的準確可靠固定是實現穩定焊接的前提。由于焊前爐管進行了預脹，每個爐管內徑大小有所偏差，且爐管脹接部位與未能脹接部位直徑大小也不同，因此原機頭的圓柱形定位臺與脹芯難以將焊槍牢固地固定在工件上，導致焊槍主軸中心與爐管中心同軸度很差，焊縫容易偏側及管頭容易燒穿。經過反復試驗改進，將圓柱形定位臺改裝成圓錐形定位臺，如圖4、圖5所示；將脹芯改裝成大小頭形式，如圖6、圖7所示。最終保證了焊槍可靠地固定在工件上，解決了焊槍主軸與爐管的偏心問題。

圖4 φ51mm×3.5mm銅脹頭改裝前

圖5 φ51mm×3.5mm銅脹頭改裝后

圖6 φ51mm×3.5mm脹芯改裝前

圖7 φ51mm×3.5mm脹芯改裝后

3.4 焊接參數

脈沖焊機由基值電流和峰值電流組成，基值電流很小，僅能維護電弧不熄滅，峰值電流較大，起到熔化焊絲、母材的作用，如果電弧電壓保持恒定，采用不同的峰值電流和峰值持續時間的匹配組合，同時合理選用通過脈沖幅比、脈沖寬比、脈沖頻率，可獲得不同的熔深和熔寬，即可在一定范圍內調節焊縫成形尺寸[3]。但是，當采用同一組參數進行全位置焊接過程中，由于焊接位置的不斷變化，會出現焊縫厚度不一致的現象，其原因是熔化的熔池在方向變化的電弧吹力、恒定的重力及變化的承載力的合力作用下，不斷改變外部形態，因此需根據不同焊接位置確定焊接電流、電弧電壓及焊接速度的匹配關系。為了彌補這種差異，試驗中將各種焊接位置分區域劃分（見圖8），進行分區焊接，實現焊接過程中焊接參數動態變化，在保證上坡焊焊縫厚度的前提下，盡可能增加下坡焊時的焊縫厚度。經過反復試驗，焊接參數改變前后焊接效果如圖9、圖10所示，最終確認出適合的焊接參數，見表1、表2。

表1 不同焊接區域焊接參數

表2 不同焊接區域通用焊接參數

圖8 焊接區域劃分示意

圖9 焊接參數調整前效果

圖10 焊接參數調整后效果

3.5 焊接接頭檢測

焊接試件按中國船級社《材料與焊接規范》第3篇中7.5.3“受壓殼體焊縫表面應均勻、致密，不應有裂紋、焊瘤、氣孔、夾渣、咬邊、弧坑和未填滿等缺陷”以及NB/T 47013.5—2015Ⅰ級進行驗收，經外觀檢測、無損檢測全部合格。

4 產品驗證

工藝試驗確定的焊接工藝用于鍋爐爐管焊接驗證，焊縫成形如圖11所示。焊接接頭外觀檢查焊縫表面無裂紋、焊瘤、氣孔、夾渣、咬邊、弧坑和未填滿等缺陷，達到中國船級社《材料與焊接規范》要求，按NB/T 47013.5—2015進行著色檢測，Ⅰ級合格。

圖11 焊縫成形

5 結束語

本文通過分析脹接用脹芯形式、脹頭形式、焊接參數對焊縫成形的影響，經過試驗驗證，最終得到一種滿意的鍋爐管板半自動化TIG焊接工藝，并得出以下結論。

1）采用半自動TIG焊，焊縫外觀成形美觀，焊接缺陷發生率低，焊接質量得到有效保障。

2）帶有一定錐度的脹芯、脹頭的結構形式能準確、牢固地固定焊接機頭，保證同心度。

3）半自動TIG焊采用動態焊接參數時，在全位置焊接下能保證整條焊縫的成形質量。