全位置窄间隙热丝TIG焊工艺浅评

一、窄间隙热丝TIG 焊技术在锅炉管道中的应用在工业生产应用中要大量使用锅炉管道和压力容器等结构，大型管道锅炉制造中，厚度较大的钢板使用越来越多，而且焊接质量要求很高。

因此，高质量、高效率的窄间隙焊接方法，将成为这一领域中厚板结构焊接的首选技术。

窄间隙热丝TIG焊在众多的窄间隙焊接方法中，由于其具有焊接过程稳定可靠、更低的焊接变形、更小的焊接残余应力以及优良的接头机械性能和卓越的焊缝质量等特点，在一些重要的厚壁构件焊接中得到越来越多的关注和应用。

1.窄间隙热丝TIG 焊系统的构成热丝TIG焊是在普通TIG焊的基础上增加了系统，即通过独立的焊丝加热电源和加热装置对焊丝进行加热，使得焊丝在被送入熔池前加热到300 ~ 500℃。

因此，与冷丝相比，热丝TIG焊的熔敷率提高两倍，从而提高了焊接效率。

系统设备主要由钨极氩弧焊枪、焊接电源、指令控制器、热丝电源、热丝送丝机等组成。

若焊接坡口采用窄间隙坡口，由于坡口深而窄，普通焊枪可能伸不到坡口底部，此时需更换特制的窄间隙焊枪。

该种焊枪做成扁平状，加水冷、自动送丝、自动提升机构系统，能伸入坡口间隙为10 mm左右的坡口进行焊接，目前能焊接的板厚可达100 mm。

在成套窄间隙热丝TIG焊设备生产中，法国POLYSOUDE 公司做得比较好。

2.窄间隙热丝TIG焊技术的优点窄间隙热丝TIG焊接工艺是一种高效、低耗、优质的焊接工艺方法，对于同壁厚、同直径的集箱产品，焊缝面积明显减小，从而缩短了焊接时间，提高了生产效率。

对于筒身直径较小、壁厚较大的产品，由于埋弧焊的热输入大，道间温度控制较困难，对焊缝的力学性能影响较大，为保证焊接质量，必须采取停弧控温的措施，从而无法实现连续焊接，因此小直径的集箱往往采用手工氩弧焊封底、焊条电弧焊填充盖面的组合焊接工艺，但是焊条电弧焊受人为因素影响较大，焊工的操作水平直接影响焊缝的质量。

窄间隙热丝TIG焊与焊条电弧焊工艺相比，可提高效率30%～50%，与埋弧焊相比，由于热输入较小，可实现不停弧连续焊接，焊接效率也大大提高。

目前 ， 一些途径 可以提 高 ＴＧ焊 的熔 敷率 ， 有 Ｉ 例 如 活性化 Ｔ Ｇ焊 、 面双 弧焊 接 、 Ｉ 双 双丝 ＴＧ 焊 、 丝 Ｉ 热 焊 接等 。 这些 方法 在 提高 ＴＧ焊 接效 率 上各 有其 Ｉ
收 稿 日期 ：Ｏ Ｏ ０ 一 ８ ２ ｌ一 ｌ ２ 作者简介 ： 徐祥久（ ８ － ）男 ， １ ２ ， 黑龙江哈尔滨人 ， ９ 国际焊接工
表 １ Ｓ ３５ １ Ａ－ ３ Ｐ ２母 材 的 主 要化 学 成 分 ％
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热 丝 Ｔ Ｇ焊 的焊丝 送进 独立 于焊 接 电流 ， Ｉ 因此 能 够 更 好 地控 制焊 缝 成 形 ； 于 坡 口焊 缝 的焊 接 ， 内 对 其
壁 熔合 性 好 ， 以对 厚 壁 工 件 开窄 间 隙坡 口 ， 用 可 采 单道多 层焊 。 这样 减少 了熔敷金 属用 量 ， 缩短焊 接时
程 师 ， 士 ， 要 从 事 锅 炉 、 力 容 器 焊 接 工 艺 编 硕 主 压 制及焊接现场管理工作 。
本 原理 如 图 １ 示 ， 普通 Ｔ Ｇ焊基 础上 对 焊丝 进 所 在 Ｉ
行 预热 ， 以提高 热输 入 量 ， 加 熔 化速 度 ， 而提 高 增 从 焊接效率 ， 同时 仍具 有 Ｔ Ｇ 焊 高 品质 焊 缝 的特 点 。 Ｉ
熔 池 的作 用 。 钨极 氩 弧焊 是一 种应 用非 常 广泛 的 高 品质焊接 方 法 ， 该 方法 的一 个 显著 缺 点 就是 热输 但 入 量小 、 熔敷 效率 低 、 接速 度 慢 ， 焊 成为 制 约其 在高 效 焊接生 产 中应用 的主要 因素 。 而依靠 提 高 电流来

汽轮机阀门接管窄间隙TIG自动焊技术研究摘要：本文主要进行了汽轮机高压阀门接管自动化焊接技术的研究及应用。

通过试验验证了窄间隙2G横焊位自动TIG焊在阀门接管焊接生产中的可行性，通过可行性试验及产品模拟件试验，成功总结出阀门接管自动焊工艺参数，并顺利的将该技术应用于汽轮机高压阀门接管的生产，使我公司在阀门焊接制造达到了国内同行业的先进水平。

关键词：自动焊；窄间隙TIG；阀门接管0前言近年来我国超（超）临界汽轮机为了提升发电效率，在不断提高汽轮机蒸汽参数，这对汽轮机高温部件的制造提出了更高的要求。

随着蒸汽参数的提升，汽轮机高压阀门的壁厚也逐步增加，传统的阀门接管主要用SMAW、GTAW方式，对高技能焊工的依赖性极高、生产效率低，焊接质量难以保证。

随着我国的自动化焊接设备制造水平的发展，开展阀门接管自动化焊接工作，对于提高汽轮机高压阀壳产品质量，缩短生产周期，降本增效具有重要意义。

1 汽轮机高压阀壳结构汽轮机高压阀壳通常为铸件，主要采用珠光体耐热钢或者马氏体耐热钢材料，合金元素含量较高，为了与现场管道焊接通常需焊接接管进行过渡，接管主要采用锻件，材料主要是P22、F91或F92材料。

汽轮机高压阀壳工况恶劣，进汽压力大、温度高，高压阀壳典型结构见图1所示。

阀壳与接管焊缝较深，坡口开口尺寸大，为保证产品质量，需要进行多次焊接、热处理、RT探伤，生产周期长，焊材利用率低，焊工的劳动强度大。

开展接管自动化焊接研究工作，对于提高材料利用率、提高产品质量，缩短生产周期，降本增效，以及降低工人劳动强度方面具有重要意义。

2阀门焊接自动化设备应用现状及阀壳自动焊设备结构研究电力装备制造行业中对大厚管焊接也一直在探索自动化焊接，选择方向主要是窄间隙（热丝）TIG焊接。

窄间隙TIG焊既遗传了常规TIG焊接质量好，适用材料广泛、可控参数多，适合各种位置的焊接及全位置焊接的优点，减少焊接量，提高生产效率，同时缩小热影响区范围，降低焊接接头的残余应力与残余变形，显著提高了焊缝的综合力学性能[1]。

TP321钢管的窄间隙热丝TIG焊TP321钢管的窄间隙热丝TIG焊朱旻1，罗晓军1，尹燕2，孙鹏2，张瑞华3(1. 中石油第二建设公司，兰州730060; 2. 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州730050; 3. 中国钢研科技集团有限公司，北京100081)摘要：为了提高厚壁管道的焊接效率、改善管道服役过程中接头的耐蚀性能，采用窄间隙热丝TIG焊方法，对φ406 mm×30 mm 的TP321钢管进行全位置自动焊接. 研究了窄间隙坡口参数的匹配以及影响焊缝成形的主要焊接参数的匹配，并分区域对管道进行焊接. 结果表明，当坡口间隙为1 mm、钝边厚度为2.5 mm、坡口底部宽度为9～10 mm时，打底焊缝成形良好；坡口角度为4°～5°时，未出现倒坡口及未熔合缺陷；全位置焊接过程中，当焊接位置处于立向下时，焊接电流应比平焊时的大，立向上焊接位置则相反；当焊接位置处于仰焊时，与平焊相比应适当增加焊接热输入. 所得焊缝在各个区域成形良好，RT检测合格.关键词：全位置热丝TIG焊;窄间隙坡口;TP321钢管中图分类号：TG444文献标识码：A文章编号：0253-360X(2016)09-0079-040 序言目前石油化工行业的渣油加氢、蜡油加氢及柴油加氢处理装置反应系统的管道一般均采用经固溶和稳定化处理的TP321奥氏体不锈钢管，但由于生产介质为渣油，生产过程加氢的工艺特点使氢腐蚀及油品中各种有害成分的腐蚀广泛存在. 近年来，由此导致的生产装置管材、焊缝破裂引发安全事故时有发生. 因此在既定的工艺条件下，从施工角度来讲，只有通过合理的选择焊接工艺，优化管道的耐蚀性能，才能减少或杜绝此类事故发生，提高经济效益.采用小的线能量同时对焊接区域进行气体保护相结合的焊接工艺，既有效降低了焊接接头在敏化温度区间(450～850 ℃)停留的时间，同时又避免焊缝氧化，有利于耐蚀性能的提高[1]. 传统焊接工艺采用钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的方法. 这不仅增加了焊接工序，而且采用焊条电弧焊在焊接过程中热输入控制不均匀，可能会导致某区域抗腐蚀性能薄弱. 此外传统焊接工艺采用V+U形坡口进行多层多道焊，大的坡口面积不仅增加了填充金属量，而且多道焊也进一步增加了敏化温度停留时间，增加贫铬区域产生的几率. 因此对于这种工艺要求采用较小焊接线能量、更优焊接区域保护、更快生产效率以及更少焊道数的特点，窄间隙热丝TIG焊方法将成为首选.窄间隙热丝TIG焊工艺是一种高效、低耗、优质的焊接工艺方法，对于同壁厚、同直径的焊接产品，焊缝面积明显减小，从而缩短了焊接时间，提高了生产效率[2-5]. 由于其具有焊接过程稳定可靠、更低的焊接变形、更小的焊接残余应力以及优良的接头力学性能和卓越的焊缝质量等特点，在一些重要的厚壁构件焊接中得到越来越多的关注和应用. 因此文中采用窄间隙热丝TIG焊方法对TP321钢管进行焊接工艺试验.1 试验方法试验所用母材为φ406 mm×30 mm的TP321钢管和直径为1.2 mm的ER321焊丝. 母材和焊材的化学成分如表1所示. 试验采用法国Polysoude轨道式全位置窄间隙热丝氩弧焊机，其焊接过程实物图如图1所示.表1 母材和焊材的化学成分(质量分数，%)Table 1Chemical compositions of base material and welding material牌号CMnSiCrNiTiTP321≤0.08≤2.00≤0.7517.0～20.08.00～11.000.50～0.70ER3210.0641.650.4217.108.330.73图1 焊接过程实物图Fig.1 Photos of welding process该焊接系统主要由焊接电源(PC600)、焊接小车、热丝系统、冷却系统、窄间隙焊接机头(包括NG 焊枪和WP焊枪)、控制系统等组成. 试验时，焊接小车沿着圆形轨道进行全位置焊接. 先用NG焊枪进行打底焊，并填充至坡口深度小于10 mm，然后用WP焊枪继续填满整个坡口并进行盖面焊.2 窄间隙焊接坡口设计鉴于窄间隙TIG焊方法的特殊性，其坡口设计相对于该工艺本身的研究显得尤为重要. 不合理的坡口形式，容易造成焊缝夹渣、未焊透和应力集中等缺陷，还会为焊接工艺调整增加额外要求，甚至无法形成良好的焊接接头.在窄间隙TIG焊根部打底时，既要焊透同时又不能烧穿，因此坡口根部需要有合适的钝边及间隙；窄间隙坡口须保证每层焊时焊层宽度满足焊枪的宽度要求，这就需要合理设计坡口底部宽度，其由底部圆弧半径、钝边伸出长度、根部间隙三部分组成；由于焊接过程中接头横向收缩影响，使得原始坡口角度在焊接过程及焊后有所减小，因此需要根据材料物理性能确定合适的坡口角度，以使焊接过程中焊缝宽度变化与工艺参数和焊枪宽度相匹配，从而保证焊接质量[6,7].鉴于坡口设计与可能产生缺陷的关系考虑，主要对钝边厚度B、根部间隙P、圆角半径R、钝边的伸出长度S、坡口角度β参数进行正交优化试验，寻找最佳匹配方式. 坡口尺寸示意图如图2所示.3 全位置焊接工艺参数的匹配设计在管道全位置焊接时，随着焊接位置的不同，液态金属熔池的受力状况会发生一系列变化，因此焊缝打底成形会受到更多的影响[8]. 在焊缝全部熔透的情况下，液态金属熔池主要受以下几种力的作用：电弧对熔池表面的压力Farc，熔池所受的重力Gs，电磁力Fe，外表面张力σ1，内表面张力σ2，固液界面上工件对熔池的反作用力N和浮力Fb，熔池受力形态如图3所示.图2 坡口尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of groove dimensions图3 熔池受力示意图Fig.3 Schematic diagram of molten pool stress将管道位置按照钟表的刻度进行划分，取四点有代表性位置进行分析. 当焊枪处于时钟12点位置时，相当于平焊，Farc,Fe与Gs的作用方向相同，上表面张力σ1的方向从熔池四周指向中心，将与以上诸力形成合力，冲击熔池底部，因此在焊接此段区域时，热输入可适当降低；当焊枪处于时钟3点位置时，相当于立向下焊，在垂直方向上Gs与管壁的反作用力N和Fb相平衡，焊缝成形主要受Farc和Fe以及熔池的表面张力σ1和σ2的共同作用，熔池液态金属向焊接方向流动，此时峰值电流应比平焊时稍大；当焊枪处于时钟6点位置时，相当于仰焊，熔滴下趟，熔宽不易保证，因此需要进一步增加热输入，送丝速度应比平、立焊时小，以利于熔滴过渡；焊枪处于时钟9点位置时，相当于立向上焊，焊接时熔化的液态金属的流淌方向与电极行走方向相反，应适当减少峰值电流，否则易出现焊瘤和烧穿缺陷.为保证全位置自动焊接时的焊接质量，必须使得Farc,Fe可以连续调整，以确保整个熔池受力平衡. 试验时对气体保护流量、热丝温度、焊枪摆动频率、焊枪摆动幅度的影响进行弱化，着重考虑基值电流、峰值电流、焊接速度对焊缝成形的影响. 将全位置焊分为六段区域，如图3所示. 并根据不同位置熔池受力情况通过正交试验确定最佳工艺参数.4 焊接结果与分析4.1 坡口参数对焊缝成形影响通过坡口参数的正交试验，按主要出现的缺陷类型及其出现几率进行归纳如表2.表2 坡口参数匹配试验结果Table 2 Results of groove parameters matching test坡口尺寸条件(mm)缺陷种类根部无间隙,B=2.5根部未焊透及内凹严重根部间隙P=0.5,B=2.5根部未焊透及内凹中等根部间隙P=1,B=2.5根部未焊透及内凹轻微根部间隙P≥1,B≤2.0烧穿及焊瘤严重根部间隙P≥1,B=2.5烧穿及焊瘤中等根部间隙P=1.5穿丝中等根部间隙P≥2.0穿丝严重根部无间隙R+S=3.5未熔合严重根部无间隙R+S=4未熔合中等根部无间隙R+S=4.5未熔合轻微β=3°极易产生侧壁及层间未熔合β=4°,5°产生侧壁及层间未熔合几率较低β=6°未产生侧壁及层间的未熔合4.1.1 焊接电流对根部熔深的影响窄间隙封底焊的峰值电流是决定焊接熔深的主要因素，同时合适的基值电流及脉宽比设置起到保护熔池，避免烧穿的风险. 通过熔深测试试验发现，峰值电流超过250 A，根部无间隙时，熔深可达2.5 mm，但由于不同位置熔池的受力状态不一致，使得焊接接头出现间断性未焊透. 而通过增加基值电流，因总体热输入提高，使得部分焊接位置出现咬边甚至烧穿. 因此在进行全位置焊接时，要求焊接参数尤其是焊接电流能适应不同的焊接位置.4.1.2 根部间隙对根部熔深的影响相比无间隙，有间隙焊时，因其熔池更易向根部流动，即根部的热源比较集中，进而使得相同电流下的焊透能力更强. 伴随间隙的增加，熔池流动性更好，使得熔深相应增加. 但当间隙大于1 mm时，因熔池的中心与电弧中心已趋于稳定，此时间隙增大对熔深增加的影响明显减弱. 另外间隙过大时，若送丝速度过快，很容易造成焊丝瞬时来不及熔化而出现穿丝现象.4.1.3 坡口底部宽度对根部熔深的影响电弧的放电遵循最小电压原理，因此窄间隙焊时，电弧的放电与钨极端部到坡口根部及侧壁的距离有关，距离较小时优先放电并形成电弧. 实际焊接时，其钨极提起间隙在3 mm左右，无法保证钨极处于坡口正中. 当钨极端部与坡口侧壁距离小于到坡口根部的距离时，电弧在钨极端部与坡口侧壁产生. 此时正极性的母材侧壁大量发射电子并迅速产热熔化并下滑，使得下榻的熔敷金属覆盖于根部，从而使根部无法焊透. 尤其当坡口底部宽度少于8 mm时，该情况出现的几率较大.当坡口底部宽度为9～10 mm时，根部基本熔透.4.1.4 坡口角度对焊接质量的影响对于开3°坡口，焊后出现坡口角度为负值，即微小的倒坡口状态，并且通过检测发现多处存在侧壁及层间较小的未熔合缺陷. 主要由于倒坡口时侧壁母材的迅速熔化下滑而覆盖于焊道表面，进而出现未熔合缺陷. 坡口角度4°～6°未发现此现象. 但坡口角度6°时，由于坡口较大，熔敷金属量明显上升使得焊接效率相对较低.通过上述试验及分析，最终确定窄间隙坡口的根部间隙为1 mm，钝边厚度为2.5 mm，坡口底部宽度为9～10 mm(其中圆角半径为3 mm，钝边伸出长度为1.5 mm)，坡口角度为4°～5°.4.2 全位置焊工艺参数的匹配结果采用正交试验，得到主要焊接参数在不同区段的匹配如表3所示. 采用此焊接参数以及上述确定的窄间隙坡口进行焊接，其焊缝成形如图4所示.表3 焊接工艺参数Table 3 Welding parameters焊接区域基值电流I基/A峰值电流I峰/A焊接速度v/(mm·min-1)Ⅰ17520065Ⅱ19520065Ⅲ23025055Ⅳ16018065Ⅴ17019065Ⅵ16018075图4 全位置焊缝宏观形貌Fig.4 Appearance of weld如图4a所示，全位置打底焊时焊缝在各个区域成形良好，无明显的焊接缺陷. 由图4b可见，焊缝表面成形美观，均呈现出均匀波纹状，从外观上看无任何缺陷. 经RT检测未发现任何缺陷，检测结果Ⅱ级合格.5 结论(1) 对于窄间隙坡口，要求根部间隙为1mm，钝边厚度为2.5 mm，坡口底部宽度为9～10 mm时，有利于保证打底质量；坡口角度取4°～5°为宜.(2) 全位置焊时，根据不同位置的熔池的受力情况匹配相应的焊接参数. 当焊接位置处于立向下时，焊接电流应比平焊时大，这与立向上焊位置情况相反；当焊接位置处于仰焊时，为提高焊缝成形，与平焊相比应适当增加焊接热输入.参考文献：[1] Loureiro A R, Costa B F O, Batista A C, et al. 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