不锈钢管自动TIG封根焊研究

李玉波

1.中国一重核电石化事业部石化制造分厂助理工程师，辽宁 大连 116113

我公司厚壁不锈钢管以往采用手工TIG焊封根，焊缝根部质量易出现未焊透、钨极夹渣及气孔等缺陷。而采用管对接自动焊机施焊得到的焊缝金属组织细密，缺欠少，质量好。因此，研究管对接自动焊最佳工艺参数并应用于生产中，可大大提高工作效率，保证焊缝一致性，提高产品质量。

1 试验设备与材料

（1）焊机 管对接自动焊设备由焊接电源和焊接机头（见图1）两部分组成，具有自动生成焊接程序、焊接过程及参数动态显示、交互式人机界面、一站式焊接质量控制指导等先进功能，大大降低了对焊接人员技术水平的要求。焊接电源具有脉冲电流和程序控制功能，可以控制调节焊接速度、电流、时间、保护气体、提前送气和滞后停气等参数；焊接机头通循环水冷却，具有负载持续率高的优点。该设备能够存储50组焊接参数，实际生产中可根据所焊工件尺寸、材料类别，选择已有的对应程序。电源为晶体管数字式逆变电源，其陡降外特性使焊接电流不易受钨极与工件间距离变化影响。机头具有自动弧长控制功能，通过信号反馈自动校正电弧电压，调节弧长。直流伺服电机减速器带动一对齿轮使焊炬旋转，实现全位置焊接。焊接结束前电流自动衰减，以消除弧坑和防止弧坑开裂。为稳定电弧，该焊接电源具有迅速从峰值变为基值电流的能力，既降低了对母材的热输入，又提高焊接速度，适合全位置焊接，背面无需垫板即可实现单面焊双面成形。

（2）保护气体 为防止熔池与空气接触氧化，管内外表面均需要惰性气体保护。采用钢管两端贴胶带的方式密封填充氩气，保护焊缝背部不受空气污染。

（3）钨极尺寸及端头形式 钨极氩弧焊电极的作用是导通电极、引燃电弧并维持电弧稳定燃烧。钨极直径选取需综合考虑电流种类和极性，脉冲焊时由于在基值电流期间钨极受到冷却，许用电流可适当提高。钨极伸出长度过长易过热且保护效果差；反之喷嘴易过热。因铈钨极比纯钨极工艺性好得多，且对人体无损害，本试验采用直径为Ø2.4 mm的铈钨极，端头用专用磨削机磨成尖角。

图1 焊接机头及试件示意图

（4）试样准备 钢管材质0Cr18Ni10Ti，属于耐腐蚀型奥氏体不锈钢，焊前不需要加热，具有较好的加工性和焊接性。制备时应确保接头根部厚度在公差范围内，切口要与管壁垂直，不允许有毛刺，根部直边不允许有倒角。坡口的形状和尺寸是焊接的基础，尤其是对于不锈钢管对接自动焊，坡口形状和尺寸对焊接质量和焊接效率均有关键性的影响。经试验对比分析，对于不锈钢管对接焊缝而言，采用V型坡口不但加工方便，易于施焊，而且适用于各种厚度的对接接头。

坡口角度的作用在于保证焊透和焊接的可行性，其选取的一般原则是在满足工艺条件下，选择尽可能小的坡口角度。但管对接自动TIG焊如果角度过小，则电弧稳定性变差，电弧易向坡口两侧飘移而导致电弧热和电弧不能集中在坡口底部，造成未焊透。当坡口根部厚度过大时，电弧吹力和熔化金属受重力作用，易形成根部内凸和焊瘤；而根部厚度过小时，焊接电流小，能承受的工艺范围窄，控制难度大，易产生烧穿等缺陷。本次试验为便于操作，将坡口角度放大，根部厚度选择1.3mm。

2 试验过程

（1）装配 因氩气为惰性气体，焊接过程中不与液态金属发生任何化学反应，无去氢、脱氧作用，所以试件待焊处装配前必须清理干净。用砂布打磨去除工件坡口及坡口两侧表面至少50 mm范围内的油污、杂物和水分；两试件的中心应在一条直线上，偏差量需严格控制，尽量消除圆周方向错边，否则将直接影响焊缝成形；严格控制装配间隙小于0.1 mm（见图2）。

图2 坡口尺寸与装配示意图

（2）焊前准备 施焊前将试件固定在焊接机头中，用专用辅具为管内壁充入氩气；应注意将保护气流量调整到合适的范围，否则流量太小时挺度差，流量太大时气流层中会出现紊流，空气易进入，降低保护效果；检查焊接设备是否连接正确，包括电源极性的正确选择和连接、网络电压波动是否正常、保护气体及循环水路是否正常、钨极伸出长度及其尖端角度是否合适、机头运转是否正常；调试焊机并设定脉冲电流、旋转速度、起弧收弧位置等焊接参数（见图3）。采用直流正接（DCSP）法将工件接正极，钨极接负极；检查电源水箱冷却液量，注入去离子纯净水，确保不少于水箱容积的3/4；为检验设定程序是否适用，应先进行模拟焊接。模拟除有关电流和弧长自控功能外的其它程序设定模拟功能，在模拟过程中将保护气流量调至最佳范围。

图3 焊接脉冲电流示意图

（3）焊接 用焊接回路中串接的高压脉冲发生器引弧，钢管固定不动，由焊接机头自动围绕待焊处做圆周旋转进行全位置焊接。当电流达到峰值时母材融化形成点状熔池，待回落至基值电流后熔池凝固形成一个焊点，通过调节焊速和脉冲电流，由多个焊点相互搭接最终形成连续的焊缝。

针对全位置脉冲TIG焊工艺参数较多的情况，本试验先确定其它参数，最后调节脉冲电流，即先根据焊点重叠搭接量确定机头旋转速度和脉冲峰值时间，再确定脉宽比，控制总的热输入量，最后调节峰值电流和基值电流。调节脉冲电流时设定峰值电流、基值电流、峰值时间及脉冲宽度。试验中根据表面成形及焊缝背面熔合情况调整焊接速度、脉冲电弧等相关焊接参数。

焊接时具体程序如下：①保护气体提前供气；②接通主电源和高压脉冲电源实现引弧；③接通脉冲电源，对焊缝起始点进行预热；④焊枪旋转，焊接开始；⑤整圈焊接及起点处必要的覆盖；⑥衰减脉冲并熄弧；⑦焊枪停止转动并停止送气，完成焊接。

经多次试验，根据试件外观成形最好且目视背面根部基本焊透，不锈钢管无剥层裂纹、压痕夹杂、焊接引弧烧伤，焊缝表面饱满、均匀，焊接花纹细腻致密，焊缝宽窄一致，无气孔、咬边、弧坑及发黑等缺陷（见图4）确定出最佳参数组合（见表1）。将该批试样进行无损探伤和解剖试验。

图4 焊缝表面

表1 焊接参数

3 试件检验与结果分析

（1）首先对接头进行着色探伤，检测标准按JB4730-2005Ⅰ级执行。确认焊接接头无微小裂纹存在；

（2）焊接经X光射线探伤，根部充分焊透，没有发现裂纹、未熔合、未焊透等缺陷。X光底片按JB4730-2005Ⅱ级评定合格，技术等级按AB级（见图 5）；

（3）渗漏试验：试件在自由状态下，经受0.4 MPa的气压，保压3 min无泄漏现象；

（4）晶间腐蚀试验：对焊接接头按《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》 （GB/T4334-2008）考核合格；

（5）试件解剖后管内焊缝呈银白色，说明管内充氩气保护效果良好。

图5 焊缝X光射线底片

4 脉冲电流影响分析

脉冲电流是获得全焊透焊缝最关键参数，可降低对母材的热输入，提高焊缝冷却速度、减少高温滞留时间，提高不锈钢接头耐腐蚀性；同时防止因熔敷金属表面张力不足以支持熔池而造成焊缝的下榻，提高焊缝抗烧穿能力；在焊道最小宽度情况下提高焊缝熔深，保证根部焊透。具体确定时需综合考虑母材、根部厚度、焊接速度、保护气体等因素的影响。

（1）在全位置管焊接过程中，必须通过对电流的有效控制降低重力对熔池的影响，防止焊缝金属失控流淌，保证焊缝外观及一致性。具体在仰焊位置，熔池液态金属将向下流动，此时如果采用较大的电流，熔池容易接触钨极导致短路；在上坡焊位置，熔池液态金属将向后流动，如果电流过高就可能出现“垂瘤”，而如果电流过低又可能造成未焊透；在平焊和下坡焊位置，由于熔池液态金属将向前下方流动并填入焊缝，会使电弧熔化根部变得困难，造成根部焊透性差。对小直径不锈钢管由于热量积累效应十分明显，应适当逐渐减小焊接电流。在焊接奥氏体不锈钢时，为保证焊缝性能，应严格控制对母材的热输入，在保证根部焊透和熔合的条件下，应尽可能选择小的线能量；

（2）试验结果表明为保证焊缝成形，峰值电流与基值电流的比例以3∶1较为适宜，而且应在保证电弧稳定性前提下，尽量选择较低的基值电流；由于脉冲频率对焊接花纹具有决定性影响，为便于起弧，应将熔池重叠量设定为75%；母材的热敏感性和焊接电源的许用电流决定了峰值宽度，对焊热敏感性高的材料时，峰值宽度相应降低。为保证焊缝表面成形，峰值宽度通常应为总脉冲宽度的25%；峰值电流与峰值宽度之积为电通量，它决定焊缝的形状尺寸，特别是熔深。当钢管根部较薄时，应适当降低峰值电流并相应地延长峰值宽度；对全位置焊接来说，起焊点的选择将决定收弧质量。因此，在焊小管时要特别注意设定好起焊点和收弧角度。另外，适度提高焊接速度可降低焊接接头在危险温度（400℃～800℃）区间的停留时间，有利于提高不锈钢接头耐腐蚀性能。

5 结语

（1）经过试验，确定了合理的焊接参数，焊缝成形美观、质量稳定、效率高，各项理化指标满足既定要求，对接封根焊接质量能够满足不锈钢管实际生产需要；

（2）试验发现焊接过程中，脉冲电流直接影响焊缝成形、根部熔深，是决定焊缝质量的最关键的因素；

（3）试验证明，先确定其它参数，最后调节脉冲电流的方法可大大简化工艺试验过程。