脈沖鎢極氬弧焊技術在雙金屬復合管中的應用

吳穎東

摘要：鎢極氬弧焊熱量集中、熱影響區小、變形小、最適宜應用在雙金屬復合管中。焊接時如能選用合適的工藝、設備，可得到成形較好的焊縫。

關鍵詞：脈沖鎢極、氬弧焊技術、雙金屬、復合管、應用

引言：脈沖鎢極氬弧堆焊工藝已成為一種高效、節能的復合管管端堆焊工藝，它在復合管管端堆焊應用中，適合于薄壁管道的焊接，也可以焊接熱敏感性高的金屬材料。脈沖鎢極氬弧焊采用低頻調制的直流脈沖電流加熱工件，焊接時通過對脈沖占空比、脈沖電流大小、脈沖電流頻率的調節，達到控制焊接熱輸入量大小的目的，從而控制焊縫及熱影響區的尺寸和堆焊質量。

1鎢極氬弧焊特點

1.1鎢極氬弧焊的主要特性

鎢極氬弧焊應用了脈沖電弧，它具有熱輸入低、熱量集中、熱影響區小、焊接變形小、熱輸入均勻，能較好地控制線能量;保護氣流具有冷卻作用，可降低熔池表面溫度，提高熔池表面張力;便于操作，容易觀察熔池狀態，焊縫致密，機械性能好，表面成形美觀。

1.2鎢極氬弧焊的工藝技術要領

1.2.1引弧、定位焊

在實際生產中，鎢極氬弧焊常用引弧器引弧，在高頻電流或高壓脈沖電流的作用下，使氬氣電離而引然電弧，定位焊時，焊絲應比常用焊絲細，因點焊時溫度低、冷卻快，電弧停留時閫較長，故容易燒穿，進行點固定位焊時，應把焊絲放在點焊部位，電弧穩定后再移到焊絲處，待焊絲熔化并與兩側母材熔合后迅速?；?。

1.2.2正常焊接

用普通鎢極氬弧焊進行薄板焊接時，電流均取小值，當電流小于20A時，易產生電弧漂移，陰極斑點溫度很高，會使焊接區域產生發熱燒損和發射電子條件變差，致使陰極斑點不斷跳動，很難維持正常焊接，而采用脈沖鎢極氬弧焊時，峰值電流可使電弧穩定，指向性好，易使母材熔化成形，并循環交替，確保焊接過程的順利進行，能得到性能良好、外觀漂亮、形成熔池互相搭接的焊縫。

（1）正常焊接時可采用1.0焊絲，先在定位點起弧，待焊點熔化并與工件兩側熔合后再送入焊絲，焊絲始終跟隨熔池，焊槍的噴嘴與焊件表面構成80度左右夾角，焊絲與焊件表面夾角為10度左右，在不妨礙視線情況下，盡量采用短弧焊接以增強氬氣保護效果，應注意觀察熔池的大小，焊速應先稍慢后快，焊槍通常不擺動、焊速和焊絲應根據具體情況密切配合，盡量減少接頭、焊縫長度一次性不宜焊接過長，否則會囡過熱而形成塌陷甚至燒穿。就算補焊完整，Cr、Ni等元素大量燒損，對材料耐蝕性非常不利。

（2）焊接結束時，如果收弧方法不正確，在收弧時易產生弧坑、裂紋、氣孔以及燒穿等缺陷，因此，最好使用引出板，焊后將引出板切除掉，如沒有引出板或沒有采用電流自動衰減裝置的焊機，收弧時要多向熔池送絲，填滿弧坑，然后緩慢收弧。

2脈沖鎢極氬弧堆焊工藝參數對焊縫成形的影響

2.1脈沖電流

脈沖電流是決定焊縫成形尺寸的主要參數之一。一方面，峰值脈沖電流影響熔滴的過渡形式，采用合理的脈沖峰值、基值電流數值組合能夠促進熔滴過渡，同時電弧穩定性增強;另一方面，由于脈沖電流周期性變化引起的電弧壓力也發生周期性變化，造成熔池表面液體上下振動，有利于氣體逸出，減少氣孔的產生，電流的攪拌作用也使焊縫晶粒得到細化，降低裂紋敏感性，焊縫力學性能獲得提高，但是峰值脈沖電流過大，會使焊接過程不穩定，容易出現過燒現象，基值脈沖電流，它的主要作用是維持電弧燃燒，也提供一個熔池冷卻凝固條件，使焊件不致燒穿。

2.2脈沖頻率

脈沖頻率的選擇也是保證焊接質量的重要問題，脈沖頻率對平均電流有著重要的影響，脈沖頻率主要根據焊接電流來確定，每次脈沖電流通過時，焊件上就產生一個點狀熔池。在基值電流期間，點狀熔池不繼續擴大，而且冷凝結晶，這樣在下次脈沖電流到來時已存在一部分熔池凝固形成一個焊點。下一次脈沖電流到來時，在上一個凝固焊點邊緣又產生一個新熔池，基值電流期間又形成另一個新焊點。如此重復地進行，就獲得由許多焊點連續搭接而成的脈沖焊縫。

2.3焊接速度

焊接速度直接影響焊接生產效率和焊接質量。焊接速度過高，焊接時形成的熔池溫度過低，會造成未焊透、未熔合、焊縫成形不良等缺陷;焊接速度過低，高溫停留時間過長，擴大熱影響區，導致焊接接頭的晶粒粗大，降低其力學性能，焊接過后管件的變形量增大。

3焊接工藝試驗及評定

雙金屬復合管基管材料為L360QS，耐蝕合金內襯為316L，雙金屬復合管規格為219×（10+2），在焊接材料選擇時首先考慮力學性能，同時按照母材的化學成分選擇與之匹配的焊材，此外管道的使用環境條件也是焊材選擇的重要標準之一。按照上述要求，雙金屬復合管的焊接選用規格為φ2.5mm的ERNiCrMo-3焊絲，為基層和內襯層均適合的焊材。

3.1堆焊工藝參數的確定

根據堆焊工藝參數對焊縫成形的影響，制定了堆焊工藝參數。焊工應按照焊接工藝規程要求對管道進行堆焊，試件焊接過程中管道內部進行充氬保護且要注意焊接表面的清理。

3.2焊接工藝評定

完成管端堆焊工藝試驗后，按照DNV-OS-F101《海底石油管線》的要求進行了焊接工藝評定試驗。

3.2.1無損檢測

根據堆焊檢測標準，首先進行堆焊外觀檢驗，堆焊層表面呈均勻魚鱗狀焊縫外形，沒有咬邊、裂紋和氣孔，按DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進行射線探傷檢測，結果為Ⅰ級合格。

3.2.2金相檢驗

復合管管端脈沖鎢極氬弧堆焊后的微觀金相組織可以看出，焊縫與母材熔合良好，未發現氣孔、顯微裂紋和異常組織。堆焊焊道熔合區尺寸較小，熔合線附近的晶粒粗化不明顯，焊縫中的組織相分布均勻，晶粒細小。這主要是因為脈沖焊熱輸入較小，冷卻速度較快，抑制了晶粒的長大，細化了奧氏體晶粒，從而獲得強度更高、韌性更好的焊縫組織。

3.2.3拉伸試驗

拉伸試驗結果試樣屈服強度、抗拉強度、延伸率、屈強比均符合標準要求，且斷裂位置均位于襯層及非堆焊層區域的基層。

3.2.4彎曲試驗

按照DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進行彎曲試驗，彎曲試驗芯棒直徑為50.8mm，兩支承輥間距離為73.8mm，彎曲角度180°;試驗結果要求沒有開裂、裂紋、表面未發現氣孔和夾渣。經檢測彎曲試驗結果全部合格。

3.2.5沖擊試驗

試樣采用夏比V形缺口，按照ASTMA370標準規定進行試驗，要求在室溫下進行試驗，對于每一組試樣，單個沖擊功≥90J，平均值≥109.5J。沖擊試驗結果可以看出，堆焊層沖擊結果遠遠大于規定值，說明采用脈沖鎢極氬弧堆焊工藝的堆焊層的沖擊性能是非常理想的。

3.2.6焊縫金屬晶間腐蝕試驗

按照ASTM-A262標準進行試驗，取3個堆焊層試樣放置在腐蝕溶液中，進行24h加熱試驗，取出后洗凈、干燥、彎曲，其檢測結果為未發現晶間裂紋，也無晶間腐蝕傾向。

結束語：隨著焊接技術的發展，在國內雙金屬復合管管道焊接中，逐漸采用脈沖鎢極氬弧焊堆焊方法。脈沖鎢極氬弧焊堆焊技術具有電弧穩定、熱輸入小、便于精確控制電弧能量分布等特點，該技術采用脈沖式加熱，熔池中金屬高溫停留時間短，金屬冷凝速度快，可減少熱敏感材料產生裂紋的傾向性。

參考文獻：

[1]石玗，郭朝博，黃健康，等.脈沖電流作用下TIG電弧的數值分析[J].物理學報，2011（4）：1-7.