A—TIG焊接法在薄壁管道焊接中的应用

杨洪亮

摘?要：本文简述了活性焊接法（A-TIG）的特点，并和常见焊接方法的优缺点做了比较。在此基础上，分析了在熔池中加入活性剂后熔池中物理化学变化原理。最后以304钢薄壁管道的焊接为例，制定其焊接方案，并对焊接结果进行了分析和经验总结。

关键词：A-TIG焊接法 薄壁管道?分析总结

中图分类号：TG457.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0104-01

1概述

在传统焊接方法中对于厚度大于2毫米的管道焊接时一般都需要开坡口，当焊接环形接头时，在焊缝处容易产生焊接缺陷。对于要求比较特殊的管道，采用传统的焊接方法通常都有很高的返焊率。因此管道的环形焊缝工艺是焊接技术中的重要问题也是难题。活性焊接技术（A-TIG）是一种源自乌克兰的焊接工艺，能够大幅度的提高焊缝熔深，提高了焊接效率，能够适应多种焊接场合。活性焊接技术的关键是在焊接板材表面涂抹表面活性剂，起到增加焊接熔深的作用（焊接熔深可为普通TIG焊接熔深的2倍以上），其他的操作和传统的TIG焊接相同，活性焊接法可达到单面焊接双面成型的效果。活性焊接法的这一优势在管道焊接中具有重要意义，是解决重要管道焊接的关键技术。国内对活性焊接法的研究起步在20世纪90年代末期，目前为止已经成功的研制出了可用于不锈钢和碳钢的焊接活性剂。实践表明采用活性焊接法不仅能够大幅度的降低焊接成本，同时还能减少焊接时间，因此具有明显的技术优势。在当前的活性焊接法研究中，薄板材料的快速焊接技术是重要的研究领域，其成果可用于圆形薄壁管道的焊接以及其他的特殊外形的薄壁构件焊接，而薄壁管道的焊接恰好是传统焊接方法很难解决的问题。

2其他管道焊接方法的优缺点分析

在传统的焊接技术中，依据管道壁厚度和焊接质量要求的不同，采用的方法可为手工钨极氩弧焊、MAG焊、全位置热丝TIG焊或是等离子弧焊等焊接工艺等。其中手工钨极氩弧焊的焊接成本最低，但在管道厚度较大（>3mm）时，在焊接前需要对管道做60°的对称的坡口，且不能留钝边。这一焊接方法最大缺点是不易控制焊缝成型，焊接质量的保证率不高，且需要焊工具有很娴熟的焊接技巧。而MAG焊是手工钨极氩弧焊、盖面焊和焊接夹具的组合。在进行MAG焊时需要以手工焊接为基础，再配合使用填充和盖面焊。这一焊接方法由于在焊接前使用夹具将焊接构件固定，焊接中构件会发生热力变形产生温度应力，在冷却后可能出现裂纹和气孔等缺陷。全位置热丝TIG焊是一种近年来才开始使用的新型焊接方法，其主要工艺特点是在焊接前将焊丝预热到三百到五百度，然后再把焊丝放入熔池。采用这一焊接方法可以避免在待焊接构件上开出角度过大的坡口（一般只需要1～6°即可），但焊接时需要依赖窄间距焊枪，并且焊接前的构件坡口角度加工要求较高，成本也较高。等离子弧焊的基恩原理是通过电弧获得高能密度的等离子弧，使其穿过焊件，从而达到背面成型的效果，在尺寸较小的焊件焊接中具有明显的优势。但成本相对较高，在处理尺寸较大的焊件时存在困难。通过以上分析可见，各类焊接方法各有其优缺点，但对于薄壁管道的焊接，以上几类方法都存在不足。因此在本文中将以管壁厚度在6～10mm管道为例，以活性焊接法为手段，研究其全位置焊接工艺。

3添加活性剂后焊件熔池的物理化学变化特性分析

在研究薄壁管道的活性焊接工艺之前，应当了解在熔池添加活性剂后的物理化学变化，这些变化特性是制定相应的焊接工艺的重要参考。在焊接过程中，熔池的形状主要受焊件表面张力温度系数的控制，而焊件表面张力系数的分布又和熔池不同位置的含氧量和温度有关，这决定了熔池中的金属融液的流动方式存在差异。在添加活性剂后，在焊接过程中活性剂受高温而分解，所含的氧原子释放后会凝聚在熔池表面，改变熔池的表面张力特性，使其重新分布。这一过程中存在着氧原子聚集和扩散的两个动态过程。这两个动态过程使得熔池的表面张力系数的平衡过程变缓，从而加深熔池深度。当氧原子的聚集和扩散达到平衡的临界点后，熔池达到最大深度。因此氧原子的这两个动态过程是影响活性焊接的关键因素，为达到平衡的时间又和活性剂中的含氧量直接相关，因此在制定合适的焊工艺时，需要以此为基础。在本节中，以304不锈钢（成分为18Cr-8Ni）薄壁管道为例探讨其活性焊接方法。

4薄壁不锈钢管道焊接工艺

（1）管道特性分析。这类不锈钢管道强度中等，可塑形和耐高温特性都较好，但不利于热处理强化。进行焊接时，由于焊口处热导率小，而线膨胀系数很大，焊缝处金属融液高温停留时间长，容易形成铸态结构，价值在焊接过程中容易产生明显的局部热力变形并产生温度应力，因此在普通焊接中很容易发生焊口处的焊接变形，从而影响焊接质量。（2）焊接方案的拟定。用于焊接试验的钢管直径为45mm。在考虑其全位置焊接时，首先确定其全位置划分。划分方法为将钢管的外径周长均匀划分为6个相同的分段，各分段编号后按顺序进行焊接，焊接电源为直流电。为寻找最优的焊接工艺参数，设置了5组焊件，分别采用了不同的参数组合。（3）焊接器材和工艺参数。在焊接中选用直径2.4mm的铈钨极作为焊接钨极，电弧长度3～4mm。保护气体为纯度99.9%的氩气，焊接时的管道外部保护气体的喷气流量为每分钟10～5L升之间，管道内的保护气体喷气流量控制在每分钟1～2L之间。按照管道的焊接区段划分编号，顺序自1～6段逐段进行焊接，预通气时间为设置为3s，滞后气时间设置为为6～8s，预熔时间设置为为4s，衰减时间设置为20s，熄弧电流设置为20A，焊接速度均为90mm/min，焊接电流在各试件中略有不同——各试1电流强度：90A，各试2电流强度：86A，各试3电流强度：82A，各试4电流强度：78A，各试5电流强度：74A，分段6电流强度：72A。（4）结果与分析。通过以上焊接参数进行焊接后，得到了不同的焊接结果，从实验中得出的经验如下：焊接电流的强度会直接影响到焊缝的熔池深度，如果焊接电流过大会导致熔穿，过小则会出现焊不透的情况。此外，预熔电流强度和预熔时间也都会对焊缝的熔宽造成影响。为了避免出现收付凹坑和焊接热裂纹，收弧度电流和衰减时间也应合理控制。严格说来，不同化学成分和几何尺寸的钢管焊接在选定了器材的前提下，应做多组试验的方式来确定最优的参数组合，这样才能保证在焊件焊接中的高质量。

参考文献

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