碳钢管氩弧焊夹钨问题分析及工艺改进

刘秋亮，黄爱龙，曹 力

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴214433)

0 引言

钨极氩弧焊(下文简称“氩弧焊”)是一种用氩气保护、用钨棒作电极且焊接时钨极不熔化的焊接方法，焊接时根据待焊工件实际情况来选择是否需要添加焊丝。目前该焊接方法特别适于薄板的焊接，多用于焊接不锈钢、铝、铜等有色金属及其合金。氩弧焊广泛应用于船舶建造中，尤其是在碳钢管系的制作过程中，企业为充分保证焊缝根部的质量，通常采用氩弧焊打底+药芯焊丝气保焊填充盖面的焊接方法。

在沥青船和化学品船管加工预制过程中，生产车间为了提高工作效率，在氩弧焊打底焊接时采用大参数(大电流)焊接，大批碳钢管对接焊缝经X射线检测后发现夹钨的质量缺陷，焊后大量返工，生产计划也受到影响。为此，本文在分析产生夹钨问题的具体原因基础上，从工艺方面入手解决质量难题。

1 现场情况排查和原因分析

1.1 焊接电流

氩弧焊产生夹钨现象的原因见表1[1]。本文根据生产经验排查出现场问题的最大可能性就是表1中第(1)条所描述的焊接电流的影响。

为此，焊接技术人员重点对现场施焊电流进行实测，发现车间焊工为了提高工作效率，确实存在采用大参数进行氩弧焊打底焊的问题：把焊接工艺规范中规定使用焊接电流110～120 A提高到160 A以上，最大甚至提高到180 A。

表1 夹钨产生原因和防止措施

1.2 钨极

1.2.1 钨极生产厂商及牌号

钨极直径和端部形状是影响氩弧焊焊接质量的重要因素。船厂目前使用的是WC-20铈钨电极，钨极直径Ф2.4 mm。这种电极在低电流下有优良的起弧性能，维弧电流较小，常用于管道、不锈钢制品和细小精致部件的焊接，且使用至今没有发现夹钨问题。

1.2.2 钨极直径

钨极直径决定了焊枪的结构尺寸、质量和冷却方式，影响到焊工的劳动强度和焊接质量，因此本文重点研究了钨极直径和焊接电流的匹配关系。钨极直径一般根据焊件厚度、焊接电流大小和电源极性选择。每一直径的钨极都有一个许用电流，超过许用电流时，钨极就会因过热而熔化和挥发，引起电弧不稳定且焊缝中产生夹钨缺陷。脉冲氩弧焊推荐用钨极端部形状及尺寸见表2[2]。

表2 脉冲氩弧焊推荐用钨极端部形状及尺寸

如果钨极直径过大，则会导致电流密度小，钨极端头温度不够，电弧会在钨极端部无规则地漂移，即电弧处于不稳定的状态，氩气失去了保护电弧的功能，熔池被氧化；如果钨极直径过小，则会导致电流密度太大，钨极端部温度达到或超过钨极的熔点，熔化了的钨形成熔滴落入熔池而引起夹钨缺陷，电弧也随熔滴飘动而不稳定，破坏了氩气保护区，使熔池被氧化，焊缝成型变差。

1.2.3 钨极端头形状

现场磨制的钨极尖端角度在30°以下，端头极为尖细，因此在大电流的情况下极易碎裂。查看现场已使用过的钨极，发现部分已明显碎裂且表面发黑。这种现象表明在焊接过程中钨极已发生碎裂且碎片已落入焊缝，如果未及时发现问题则会造成夹钨的现象。

相关资料中提到钨极锥顶可磨成1 mm左右的平台，使得焊接电流稳定集中，钨极端头不易熔化烧损。同时要注意引弧方法，不能采用接触短路引弧方法，否则钨极损耗大，端头易破坏。

2 施工整改情况

通过焊接技术人员和车间及质量部探伤人员紧密协作和分析研究，最终认定焊缝夹钨根本原因是焊接电流过大，现场使用的Ф2.4 mm的钨极承受不了160 A以上的大电流，连续长时间焊接导致钨棒端部过热熔化；同时现场磨制的钨极不规范，钨极端头直径和形状不符合技术要求。由于现场违反工艺要求施工，根据公司管理规定技术部门对车间开具《焊接工艺验证及纠偏行动整改单》，要其限期整改到位。车间采取的整改措施主要如下：

(1)开展氩弧焊避免夹钨质量提升专题培训，使焊工了解氩弧焊操作中钨棒磨削、直径选择和适用电流方面技术要求。

(2)购买自动磨钨极专用设备以代替手工操作不规范情况。

但是，整改时面临管加工生产任务面广量大问题，工人只能加班加点施工，强制限制电流的实施效果并不理想，焊缝质量时好时坏。在9月份X射线检测中仍有24张片子有夹钨缺陷，拍片合格率低于月度目标值。

3 氩弧焊焊接工艺改进

为了能够彻底解决管加工焊接夹钨问题，技术人员反复研究后决定进行工艺改进，将钨极直径由Ф2.4 mm换成Ф3.2 mm。选定不同规格尺寸的管径进行大参数产品焊接工艺认可试验，母材级别为Grade 410，焊接方法为氩弧焊+CO2气体保护焊，接头形式包括管对接焊缝和管法兰角焊缝。管对接焊评试验项目见表3，焊接工艺参数见表4。

表3 管对接焊评试验项目

注：1#～5#为焊道序号。

表4 焊接工艺参数

3块试板按中国船级社(CCS)《材料与焊接规范》中规定的要求进行焊接工艺认可试验，试验结果全部合格，取得CCS验船师签字认可，最终完成工艺改进。

4 结语

船厂实施方案将钨极直径由Ф2.4 mm改成Ф3.2 mm、选用大参数(大电流)施焊工艺，彻底解决了车间碳钢管子对接打底焊缝中频繁出现的夹钨问题。该工艺优化方案在保证产品施工质量和进度的同时，焊接效率提高30%左右，有效保证了后续船舶管系焊缝质量。

这项工艺改进提高了技术人员现场服务意识，加强了技术部门和施工车间的协作交流。焊接技术人员认识到在制定产品工艺时要充分考虑和贴合现场实际情况；在进行焊接工艺认可试验过程中不仅需要开展常规条件下试验，同时也要研究特殊和复杂作业条件下焊接规则，有针对性地开展产品焊接试验，不断优化和改进焊接工艺。