熱絲TIG焊層間未熔合缺陷成因與預防措施

張杰，竇泉山，吳業俊，李勁松

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 四川自貢 643000

1 序言

在東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司大型發電設備電站鍋爐制造中，每年僅蛇形管小口徑管子對接焊口就超過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、焊接質量穩定、生產效率高、操作方便，以及適合于產品大批量生產等特點，在電站鍋爐受熱面小口徑管子對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接焊中的大量工程應用，也出現了一些新的技術問題，在不銹鋼小口徑管熱絲TIG焊產品試樣進行斷口試驗時，發現了接頭斷口出現層間未熔合缺陷（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：層間未熔合主要出現于打底層焊道與第二層焊道間，少量出現在第二層焊道與第三層焊道間；未熔合界面前后兩個道次的晶粒差異大，發現界面有晶粒斷裂現象。該缺陷無損檢測沒能檢測出，只能用破壞性試驗（如斷口試驗、金相試驗）才能檢測出來。

未熔合是一種類似于裂紋的危險缺陷，是焊縫中最危險的缺陷之一，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，產生強烈的應力集中，極易誘發裂紋的產生。在電站鍋爐運行中，如果存在層間未熔合等缺陷，則容易發生接頭泄漏、爆管等問題，對接焊縫不允許該類缺陷存在。而按照TGS G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》規定，對接焊縫需進行射線檢測，檢測過程按照NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測標準要求 射線檢測》規定進行橢圓成像或垂直成像，受射線檢測透照方向的影響，射線檢測對焊縫層間未熔合類缺陷難以發現，檢出率極低，容易出現漏檢現象。因此在產品制造過程中，必須采取有效措施，避免此類缺陷的產生。

3 原因分析

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

1）在焊接過程中，管子工件逆時針旋轉（見圖3），焊接處于下坡焊位置，上層焊縫金屬未充分熔化時已被液態金屬覆蓋，熔深較淺，多層焊時，層間沒有達到完全的冶金結合，容易產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，熔池的后半部開始凝固，熔滴過渡到熔池時熔池已經處于冷態，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凝固，容易產生未熔合缺陷。

3）偏移距離太大，當焊縫熔池重力的切向分量大于熔池表面張力，熔池就會往下淌，導致成形不良或產生焊接缺陷。

4）送絲速度過快，熔化填充金屬消耗能量過多，造成熔池熱量不夠，使先焊的焊道未得到充分熔化就被熔化金屬覆蓋，單層焊道厚度增加明顯，而新型不銹鋼對接焊采用鎳基焊材，熔敷金屬流動性差，也容易產生層間未熔合。

4 預防改進措施

4.1 調整工件旋轉方向

對焊機旋轉方向進行了調整，將原來的工件逆時針旋轉改為順時針旋轉（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，熔滴過渡到熔池時熔池已經處于冷態。

4.2 改變焊機送絲結構

改進送絲機構、導電嘴。優化機械部件設計，對熱絲部分和導電嘴進行改進（見圖5），使其與改變旋轉方向后的焊機更好地匹配使用。

圖3 改進前旋轉方向

圖4 改進后旋轉方向

圖5 改進后送絲結構

通過工藝試驗，調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；調整焊機送絲角度后，使熔池相對位置保持在11點鐘附近。這些參數焊接前調好后，在焊接過程中保持不變，其參數是否合理，直接影響到焊接過程的穩定、焊接質量的好壞。

4.3 優化焊接參數

根據工藝試驗，結合設備實際操作情況，確定熱絲TIG焊焊接電流、焊接速度、送絲速度、焊接層數等關鍵焊接參數。針對不同材質、規格加工試管，調整焊接參數，嚴格控制送絲速度，按管子不同壁厚，確定焊接層次。經射線檢測，斷口試驗、解剖焊縫斷面（見圖6、圖7），確定固化最佳匹配的焊接參數，設計、編制焊接程序，輸入系統保存。焊工在焊接時，直接調用相應的熱絲TIG焊程序進行焊接作業。

圖6 焊縫斷面解剖

圖7 試樣斷口

5 預防改進效果

采取上述預防改進措施，有效地避免了不銹鋼小口徑管對接接頭層間未熔合等缺陷的產生，對接接頭斷口試驗未再發現層間未熔合缺陷，有效地消除了產品的隱藏缺陷，焊接接頭質量明顯改善，提高了焊接接頭的性能。產品焊縫一次探傷合格率達99.51%，減少了大量的焊縫返修、探傷工作量，加快了產品制造節奏，提高了生產效率，縮短了產品制造周期，降低了產品制造成本。

6 結束語

通過調整熱絲TIG焊焊機焊接旋轉方向和送絲位置，優化焊接參數，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，焊接接頭質量明顯改善。