不銹鋼管自動非熔化極惰性氣體鎢極保護焊環焊工藝研究

王洪瀟 王春生 何廣忠 高文文 劉立國

(中車長春軌道客車股份有限公司工程規劃發展部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

不銹鋼軌道客車的空調排水管位于司機室和客室地板下面，用于空調工作中水分的排出，需要滿足密封、耐腐蝕等方面的要求。目前，排水管采用手工焊接方式安裝，存在車上焊接工況。因受位置限制，車上手工焊接無法實現滿焊，容易造成漏水問題，因此，探索管-管自動非熔化極惰性氣體鎢極保護焊(TIG)工藝在不銹鋼車體管道安裝中的應用具有重要意義。

目前，全位置環縫自動TIG焊設備多采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變式脈沖電源，電流輸出精度在±1%以內，并采用微處理器程序控制，對焊接電弧可進行位置分區控制，即可以對平焊位區段、下坡焊區段、仰焊位區段及上坡焊區段的焊接工藝參數分別進行控制[1]。由于全位置自動TIG焊具有焊接質量好、效率高、易操作等優點，加之國內管-管自動TIG焊機裝備水平的提高，近年來在國內管道安裝中得到了廣泛應用[2-3]。

國內市場上不銹鋼管道環形焊接設備型號較多，如華恒、寶麗蘇迪等品牌，可以滿足管道中心距離板式障礙物僅50 mm的現場施工條件。本文研究選擇昆山華恒焊接股份有限公司生產的Arc Orbital 1200程控焊接電源、H-3000管-管密封式全自動TIG空冷焊接機頭、鋁合金φ27 mm夾具作為焊接設備,開展焊接試驗研究，同時開發管-管對接夾具，確定不銹鋼鋼管對接焊接工藝參數，研究焊接接頭組織特征及性能，為不銹鋼軌道安裝焊接新工藝的制定提供參考依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

管-管對接的試驗材料采用OCr18Ni9不銹鋼，兩個管子尺寸不同，一個管材外徑φ27 mm、壁厚2 mm、長度150 mm，另一個管材外徑φ27 mm、壁厚3 mm、長度150 mm。其中，不銹鋼材料滿足JIS G 4305標準[4]中規定的化學成分、力學性能及其他要求，其化學成分和常規力學性能如表1和表2所示。

表1 OCr18Ni9不銹鋼管材化學成分的質量分數 %

表2 OCr18Ni9不銹鋼管材力學性能(固溶狀態)

1.2 試驗設備

焊接設備選擇Arc Orbital 1200程控焊接電源、H-3000管-管密封式全自動TIG空冷焊接機。焊槍是為各種管件對接而設計的密封式全位置TIG管-管(不加焊絲)焊槍(見圖1和圖2)。焊接前在密封腔內充保護氣體，保證焊縫得到良好的保護。槍體與夾具體內進行水冷卻。焊槍與程控焊接電源配套使用，可實現全位置管-管TIG精密焊接，焊接重現性高，焊接效果好。

圖2 密封式全位置TIG管-管焊槍實物

1.3 試驗參數

OCr18Ni9不銹鋼鋼管對接焊接工藝參數如表3和表4所示。

2 試驗結果及分析

2.1 X射線檢測結果分析

對全位置自動TIG焊焊縫目測觀察，可見焊道完整，焊縫外觀成形均勻，過渡平滑，焊縫表面無裂紋出現，無明顯咬邊、裂紋等缺陷，色澤正常，引弧及熄弧處有足夠的搭接，無未熔合或過燒缺陷。

表3 壁厚2 mm不銹鋼管對接焊接工藝參數

表4 壁厚3 mm不銹鋼管對接焊接工藝參數

按照承壓設備標準(JB/T 4730.2—2005 Ⅱ級)和照相質量(AB級)要求，委托遼寧勞安無損檢測有限公司進行檢測,檢測結果顯示(見圖3)，所有兩種壁厚組合各45根管的焊接均符合標準。

圖3 焊縫X射線檢測結果

2.2 接頭拉伸強度分析

參照ISO 4136—2001《金屬材料焊縫破壞性試驗—橫向拉伸試驗》中規定的程序對拉伸試樣進行抗拉強度試驗。接頭試驗合格的標準為：拉伸試樣為同種母材時，每件試樣的抗拉強度應不低于母材標準值的下限；無論數量多少，每件試樣的抗拉強度都應符合該條規定。

試驗采用帶肩拉伸試樣，焊接參數為：焊接電壓9.5 V，焊接電流90 A，焊接速度100 mm/min，氬氣保護流量15 L/ min，鎢級伸長30 mm。

編號11～20焊接接頭平均抗拉強度為696.67 N/mm2，焊接接頭性能最好，斷裂處基本位于1/3處(見圖4a)); 31～40號次之；編號1～10平均抗拉強度最低，斷裂位置大部分為焊縫處(見圖4b))。拉伸結果對比如圖5所示。

a) 11～20號接頭 b) 1～10號接頭

圖4 焊接試樣拉伸試驗后形貌

圖5 焊接試樣拉伸結果對比曲線

2.3 接頭彎曲強度分析

參照ISO 5173—2000《金屬材料焊縫破壞性試驗—彎曲試驗》中規定的程序對彎曲試樣進行彎曲試驗。接頭試驗合格的標準為：彎曲試樣達到規定的彎曲角度(180°)后，其受彎面出現長度大于1.5 mm的任一裂紋或缺陷則不合格；無論數量多少，每件試樣均應符合該條規定。試樣彎曲180°后，對焊接接頭進行外觀觀察，均未發現存在裂紋的情況(見圖6)。

圖6 焊接試樣彎曲試驗后試樣形貌

2.4 接頭顯微硬度分析

參照ISO 9501.1—2001《金屬材料焊縫破壞性試驗—硬度試驗—電弧焊接頭硬度試驗》中規定的程序進行硬度測定。對焊接接頭的維氏硬度檢測區域包括焊縫、熱影響區(左右)及母材(左右)(見圖7)。硬度檢測主要用于對比接頭各區域性能上的差別，分析時效軟化的微觀機理。

根據硬度試驗數據可知：焊縫中心處硬度最高，其次為熱影響區，最后為母材；所有焊接工況下的焊接接頭硬度相差不大(見圖8)。

圖8 焊接接頭硬度試驗結果

2.5 接頭宏觀及微觀組織分析

用目視或20～30倍的光學放大鏡檢查經侵蝕的接頭表面，確定其宏觀組織及缺陷類型。對材料的不均勻性、宏觀組織的分布和類型進行檢測評定，同時研究焊縫組織特征，積累焊縫熔深與熔寬數據。

由圖9可見,焊接接頭形狀呈梯型結構，管子外側焊接熔寬1～10號焊接接頭較窄(平均4.61 cm)，11～20號焊接接頭較寬(平均5.09 cm)，所有焊接接頭形貌較好，均已焊透。

a) 11～20號接頭b) 1～10號接頭

圖9 焊接接頭宏觀金相圖

通過微觀組織分析(見圖10)，管-管TIG自動環焊焊縫組織均為典型的柱狀奧氏體枝晶，而熔合區奧氏體呈不規則的等軸晶形態。

a) 焊縫

b) 熔合區

3 結論

(1) 為了解決不銹鋼軌道客車空調管道焊接密封不嚴、焊不全問題，根據實際生產條件，采用密封式自動TIG環焊夾具及焊接機頭進行焊接可解決該問題并具有可行性。

(2) 對于壁厚為2 mm的不銹鋼管材，通過焊接接頭無損檢測、拉伸、彎曲、硬度等試驗,以及宏觀、微觀組織分析，得出以下結論：采用焊接電壓9.5 V、焊接電流90 A、焊接速度100 mm/min、氬氣保護

流量15 L/min、鎢級伸長30 mm的焊接參數，能夠使焊接接頭性能相對較好。

(3) 對于壁厚為3 mm不銹鋼管材，通過焊接接頭無損檢測、拉伸、彎曲、硬度等試驗，以及宏觀、微觀組織分析，得出以下結論：采用焊接電壓為9.5 V、焊接電流78 A、焊接速度85 mm/min、氬氣保護流量15 L/min、鎢級伸長30 mm的焊接參數，能夠使焊接接頭性能相對較好。

(4) 采用環縫全位置自動TIG焊機焊接不銹鋼管，其焊縫的硬度、拉伸性能均好于母材，其宏觀形貌呈梯形結構，焊縫中心組織為典型的柱狀奧氏體枝晶，熔合區奧氏體呈不規則的等軸晶形態。