外伸型管板全位置TIG打底自熔工藝研究

費大奎， 張焱， 李榮

(哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

在太陽能發電、化工、石油和核工業中，換熱器的應用十分廣泛，其類型與結構也很多，每臺換熱器都有數千個管子管板焊接接頭。該接頭長期承受壓差對管子產生的軸向負荷、反復加熱、冷卻、高壓和介質腐蝕的作用,是最容易發生泄漏的部位。因此在換熱器的設計、制造過程中，換熱管與管板之間的焊接質量的好壞決定了換熱器的質量優劣和使用壽命[1-3]。

某光熱發電項目試驗堆的換熱器由于管子管板打底焊未焊透和熔深不夠，在幾個月的運行時間內接頭根部泄漏導致導熱油和水的混合，最終整條生產線報廢，因此該光熱項目商業堆換熱器管子管板打底焊的質量顯得尤為重要。

文中用TIG自熔方法對管板焊接頭進行打底焊接試驗，研究了峰值電流、焊接速度、脈沖頻率、電弧長度、鎢極離管壁的距離對打底焊縫3點鐘位置熔深的影響，預期達到了提高產品根部熔深和焊接質量的目的。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所選管板為碳鋼SA-516M Gr.485，規格為200 mm×200 mm×55 mm,其主要化學成分見表1。換熱管為碳鋼SA-210M Gr.A1，直徑19 mm 、壁厚2.11 mm，其主要化學成分見表1。

表1 管板母材SA-516M Gr.485和管熱管母材SA-210M Gr.A1主要化學成分(質量分數，%)

管板結構為外伸型，管口外伸管板面長度5±0.5 mm、機加坡口深度2 mm、角度45°，如圖1所示。

圖1 坡口形式

1.2 試驗設備

采用哈爾濱焊接研究院有限公司研制的全自動TIG管板焊機，如圖2所示。焊接電源采用的Fronius公司TT4000逆變電源，電流300 A以下100%占載率。送絲機配套采用的Fronius公司的KD1500送絲機，它具有與脈沖電流同步的脈動送絲功能，滿足了全位置焊接工藝的需要。焊槍角度-15°～15°任意可調，此試驗由于是外伸型管板， 焊槍角度為15°。

圖2 全自動TIG管板焊機

1.3 試驗方法

在全位置焊接過程中，在不同位置由于熔池受到的重力、表面張力、電弧力的綜合作用是不一樣的，因此要對工藝進行分區。將整個接頭分為圖3所示的四個分區：① 10:30～1:30為平焊區；② 1:30～4:30為下坡焊區；③ 4:30～7:30為仰焊區；④ 7:30～10:30為上坡焊區；起弧點位于10:30位置，TIG打底自熔工藝參數表見表2。

圖3 全位置焊接

采用以上工藝焊接12個接頭，焊后沿3點鐘和9點鐘方向線切割垂直割開后做宏觀金相，發現有6個接頭在3點鐘位置有未焊透，另有4個接頭在9點鐘位置有未焊透。典型的未焊透如圖4所示。

表2 打底自熔焊接工藝參數

圖4 典型打底未焊透

在上坡焊位置時，坡口金屬直接暴露在電弧下方，電弧直接作用于坡口金屬，因此最容易焊透。下坡焊位置時，由于熔池下淌造成實際焊接厚度增加，在3點鐘位置下淌最為嚴重，因此最難焊透。但是經檢查發現，有些焊縫最難焊透的3點鐘位置焊透，最容易焊透的9點鐘位置卻沒有焊透。相同的工藝參數，得到的結果卻不一致。經分析：鉆孔時坡口深度和角度的偏差、管子和管孔間隙的大小、國標所允許的管壁厚度偏差、鎢

極與管孔同軸度的偏差、鎢極尖端形狀的變化是不一樣的，因此造成了打底焊縫焊透性的差異，其中鉆孔深度和角度的偏差影響最大。由于上述偏差在實際焊接過程中是必不可免的，因此需要增大工藝窗口范圍，以滿足實際焊接需要。以下分別從峰值電流、焊接速度、脈沖頻率、電弧長度、鎢極離管壁的距離這5個方面，闡述其對自熔打底焊3點鐘位置熔深的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 峰值電流對打底焊3點鐘位置熔深的影響

峰值電流是脈沖 TIG 焊的一個重要參數，它的大小對焊縫成形，尤其是熔深起到決定性作用。當峰值電流較小時，容易導致未焊透、焊縫余高偏高等現象。當峰值電流過大時，容易造成咬邊、焊縫塌陷、甚至焊穿等缺陷。保持表1其它參數不變，調整90°～180°的峰值電流，從10:30位置開始370°的焊接試驗，打底焊熔深如圖5所示。經分析：當峰值電流由160 A逐漸遞增到190 A時，由于熱輸入的增加所以熔深逐漸增加。由于焊槍角度傾斜向管子，當峰值電流由190 A逐漸遞增到210 A時，管壁熔化形成的鐵水逐漸增加，倒淌直接覆蓋在還未焊接的坡口處，導致實際焊接厚度增加，因而焊接熔深逐漸減小。試驗結果表明，在160～210 A峰值電流范圍以內，打底自熔焊縫3點鐘位置熔深隨著峰值電流的遞增先遞增，達到峰值后由于管材熔化導致實際焊接厚度增加，熔深又逐漸減小。

圖5 不同峰值電流下3點位置打底焊熔深

2.2 焊接速度對打底焊3點位置熔深的影響

當焊接電流確定以后，焊接速度決定單位長度焊縫的熱輸入，提高焊接速度，則熱輸入減小，熔深和熔寬均減小。減小焊接速度，熔深和熔寬則都增大。

保持表1其他參數不變，調整90°～180°的焊接速度，從10:30位置開始370°的焊接試驗，打底焊熔深如圖6所示。經分析：由于焊接速度的遞增，導致單位時間內的熱輸入及電弧作用力時間的減少，因而焊接熔深逐漸減小。試驗結果表明：隨著焊接速度逐漸增大，打底焊3點鐘位置熔深逐漸減小。

圖6 不同焊接速度下的3點位置打底焊熔深

2.3 脈沖頻率對打底焊3點位置熔深的影響

鎢極低頻脈沖氬弧焊時，每次峰值電流通過時工件上都會產生一個點狀熔池。在基值電流期間，點狀熔池不繼續擴大，而是冷卻結晶。如此重復進行，就能獲得一條由許多焊點連續搭接而成的焊縫。為了獲得連續的、致密的焊縫，要求各個焊點間要有一定的重疊，因此脈沖頻率要與焊接速度相匹配，以確保合適的焊點間距。

保持表1其他參數不變，調整90°～180°的脈沖頻率，從10:30位置開始370°的焊接試驗，打底焊熔深如圖7所示。經分析，隨著脈沖頻率的增加，電弧收縮趨勢明顯，電弧力逐漸增加，因而焊接熔深逐漸增加。但是試驗中發現，當脈沖頻率上升到50 Hz以后，電弧噪音明顯增加，鎢極端部形狀損耗明顯增加。當鎢極端部形狀不佳時，會有一定概率形成焊縫表面不連續，焊縫表面不連續的地方，其根部也未焊透。試驗結果表明，隨著脈沖頻率逐漸增大，打底焊3點鐘位置熔深逐漸增大。

圖7 不同脈沖頻率下的3點位置打底焊熔深

2.4 電弧長度對打底焊3點位置熔深的影響

焊接電弧長度主要影響焊縫寬度，在一定范圍內也會對熔深產生影響。保持表1其他參數不變，調整90°～180°的電弧長度，從10:30位置開始370°的焊接試驗，打底焊熔深如圖8所示。經分析，隨著電弧長度的逐漸減小，電弧力逐漸增加并且所形成的熔池寬度逐漸減小，因而單位面積熔池表面受到的電弧力逐漸增加，進而導致熔深增加。試驗中發現，當電弧長度小于等于1 mm時，鎢極端部燒損較快，焊接過程不夠穩定，因此電弧長度也不宜過短。試驗結果表明，隨著電弧長度逐漸增大，打底焊3點鐘位置熔深逐漸減小。

圖8 不同電弧長度下的3點位置打底焊熔深

2.5 側壁距離對打底焊3點位置熔深的影響

保持表1其他參數不變，調整90°～180°的鎢極離管壁的側壁距離，從10:30位置開始370°的焊接試驗，打底焊熔深如圖9所示。經分析，隨著側壁距離的增大，電弧受到管板坡口的約束越大，電弧越來越難作用于根部，進而熔深越來越小。試驗中發現：當側壁距離小于等于1 mm時，鎢極端部燒損較快，焊接過程不夠穩定。試驗結果表明，隨著側壁距離逐漸增大，打底焊3點鐘位置熔深逐漸減小。

圖9 不同側壁距離下的3點位置打底焊熔深

3 焊后檢驗

利用以上規律優化后，工藝參數為焊接速度55 mm/min、占空比25%、脈沖頻率2.5 Hz，其他工藝參數見表3。

采用以上工藝共計焊接40個接頭，焊后按照ASME IX卷QW195.2.2進行滲透檢驗，未見任何缺陷顯示。宏觀金相如圖10所示，接頭3點、6點、9點、12點位置管板與管壁完全熔合、未發現裂紋、焊縫熔透進入接頭根部均大于0.4 mm，滿足GB151和ASME IX卷QW193.1.3質量檢驗要求，并最終應用于產品的焊接。

表3 其它工藝參數

圖10 不同位置下的宏觀形貌

4 結論

(1)對于深度2 mm、角度45°的管子外伸5 mm管板坡口，當峰值電流185～190 A、基值電流78～80 A、占空比25%、脈沖頻率2.5 Hz、電弧長度1.2～1.4 mm、鎢極離管壁距離1.2～1.4 mm、焊接速度55 mm/min時，全位置焊接可以實現根部完全焊透。

(2)在160～210 A峰值電流范圍以內，打底自熔焊縫3點鐘位置熔深隨著峰值電流的遞增先遞增，達到峰值后由于管材熔化導致實際焊接厚度增加，熔深又逐漸減小。

(3)隨著焊接速度、電弧長度、側壁距離的遞減及脈沖頻率的遞增，打底自熔焊縫3點鐘位置熔深逐漸增加，其中以降低焊接速度效果最為明顯。