郭彥輝，張偉棟，曹冬巍，白春淼，劉麗麗

(核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300)

窄間隙TIG全位置自動(dòng)焊保護(hù)氣體選擇

郭彥輝，張偉棟，曹冬巍，白春淼，劉麗麗

(核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300)

窄間隙深坡口自動(dòng)焊主要用于厚壁構(gòu)件的焊接，保護(hù)氣體以高純度(99.999%)Ar為宜。通過(guò)試驗(yàn)分析了在給定的焊縫深度下，保護(hù)氣體流量的確定以及氣體出口壓力對(duì)焊縫成形的影響。

窄間隙；TIG自動(dòng)焊；保護(hù)氣體；全位置焊接

0 前言

窄間隙深坡口自動(dòng)焊是近年發(fā)展起來(lái)的用于厚壁構(gòu)件的焊接方法。該工藝再現(xiàn)性好、焊接質(zhì)量高、焊縫成形美觀，廣泛應(yīng)用于一些重要行業(yè)，如航空航天、核電站建設(shè)、大功率汽輪機(jī)等。

在核電站建設(shè)過(guò)程中，窄間隙TIG焊主要應(yīng)用于主回路大厚壁不銹鋼管道的焊接。

1 窄間隙TIG全位置自動(dòng)焊特點(diǎn)

窄間隙TIG自動(dòng)焊區(qū)別于傳統(tǒng)的TIG焊接，主要表現(xiàn)在三方面：

(1)整個(gè)焊接過(guò)程自動(dòng)化。焊接規(guī)范如電流、弧壓、焊接速度、送絲速度等可以精確編程控制，而傳統(tǒng)的TIG焊接只能精確設(shè)置電流大小，焊接弧壓和焊接速度等設(shè)置全憑焊接人員的技術(shù)水平。

(2)氣體保護(hù)方式。傳統(tǒng)的TIG焊接保護(hù)罩尺寸通常在φ 30mm以內(nèi)，鎢極伸出長(zhǎng)度15～20 mm；但是窄間隙深坡口自動(dòng)焊的氣體保護(hù)罩無(wú)法到達(dá)焊縫表面進(jìn)行保護(hù)，鎢極則需要伸出保護(hù)罩100 mm(焊接厚度為100 mm的構(gòu)件)。

(3)手工TIG焊接位置主要為平焊或立向上焊單一焊接位置。窄間隙TIG全位置自動(dòng)焊為全位置焊接，平、立向下、立向上、仰位置在一次焊接過(guò)程中都有。自動(dòng)焊和手工焊焊接位置如圖1所示。

圖1 自動(dòng)焊和手工焊的焊接位置

由于鎢極伸出保護(hù)罩的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了手工TIG焊的鎢極伸出長(zhǎng)度，同時(shí)保護(hù)氣體無(wú)法充分接近熔池進(jìn)行保護(hù)，如果氣體選擇不當(dāng)會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。所以保護(hù)氣體的種類(lèi)、純度、流量、氣體挺度等因素就顯得非常重要。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)裝置

常用試驗(yàn)裝置如圖2所示，保護(hù)罩尺寸φ 70mm，鎢極伸出保護(hù)罩的距離約為80 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2.2 焊接規(guī)范

采用脈沖電源，焊接規(guī)范為：峰值電流200 A，基值電流100 A，峰值電壓8.5 V，送絲速度15 mm／s，行走速度60 mm／min，占空比45%。

3 保護(hù)氣體的選擇

3.1 保護(hù)氣體種類(lèi)

對(duì)于窄間隙TIG焊接方法，保護(hù)氣體主要是惰性氣體Ar(氬氣)和He(氦氣)，或者這兩者的混合氣體。Ar原子量39.4，He原子量4.0[1]。Ar主要由空氣液化分餾得到，而He在空氣中的含量特別少(小于5.2×10-7)，它主要從含He的天然氣中提取。就成本而言，由于國(guó)內(nèi)不生產(chǎn)He，工業(yè)用He基本都是進(jìn)口，所以Ar的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于He的價(jià)格。

3.2 保護(hù)氣體類(lèi)型的選擇

Ar在工業(yè)生產(chǎn)中較常用。Ar作為保護(hù)氣體，電弧電壓可以設(shè)定得較低，其電弧熱量也較少，熔池相對(duì)好控制，所以它適合任何位置的焊接。較低的電弧長(zhǎng)度使電弧更加穩(wěn)定，不易受外界氣體的影響。氬氣的分子量比空氣大，所以一般Ar的氣體流量要小于He保護(hù)氣體的氣體流量。但是當(dāng)焊接速度較快(超過(guò)250 mm／min[2])時(shí)，Ar氣保護(hù)的焊縫較容易出現(xiàn)氣孔和側(cè)壁熔合不良，如圖3所示。

He作為保護(hù)氣體時(shí)，電弧電壓較高，同樣的焊接電流，He電弧的熱量約是Ar電弧熱量的1.3倍。同時(shí)氦氣易于放電，故電弧挺度較大，熔池較深，如圖4所示。從宏觀金相照片可以看出He的熔深要略大于Ar的熔池深度。He分子量較小，在相同的焊接條件下，所用氣流量明顯大于Ar氣流量。He相對(duì)于空氣的流動(dòng)性好，所以對(duì)于焊接周?chē)目諝饬鲃?dòng)較敏感，如果施焊周?chē)諝獯嬖谳^劇烈的空氣擾動(dòng)，如人員的快速走動(dòng)，則焊縫容易出現(xiàn)氣孔等缺陷。

圖3 不同保護(hù)氣體、焊接速度大于等于250 mm／min的焊縫成形

圖4 不同保護(hù)氣體的熔深

綜上所述，進(jìn)行全位置焊接時(shí)，從可操作性、焊縫質(zhì)量以及使用成本方面考慮，在窄間隙TIG焊接中選用Ar要優(yōu)于He作為保護(hù)氣體。

4 保護(hù)氣體純度的選擇

氣體純度的選擇主要從保證焊縫質(zhì)量的角度來(lái)考慮。由于奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中的主要缺陷是氣孔和氧化物夾渣，氣孔主要是氫氣孔和氮?dú)饪譡3]，而氧化物夾渣主要是來(lái)自保護(hù)氣體中的氧元素或者是外界空氣的混入，導(dǎo)致熔池保護(hù)不好而氧化。所以保護(hù)氣中的H2、O2和H2O的含量對(duì)焊接質(zhì)量影響很大。純氬(≥99.99%)和高純氬(≥99.999%)的雜質(zhì)含量如表1所示。

由表1可知，純氬中的名義H2含量是高純氬中名義H2含量的10倍，名義O2含量是高純氬中名義O2含量的6.7倍，名義H2O含量是高純氬中名義H2O含量的5倍。雖然體積分?jǐn)?shù)均為10-6級(jí)別，但是在窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接過(guò)程中，氣體中雜質(zhì)氣體的存在對(duì)于焊縫仍然有潛在的不利影響，所以保護(hù)氣體選擇高純氬。

表1 純Ar和高純Ar的氣體組分[3]

5 保護(hù)氣體流量和壓力選擇

由于鎢極伸入坡口較深，保護(hù)氣體流量和氣體挺度在窄間隙深坡口焊接中就顯得很重要。快速確定氣體流量可以在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中節(jié)省大量試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)材料，而且對(duì)于后續(xù)的工藝開(kāi)發(fā)影響較大。

5.1 氣體流量選擇

當(dāng)焊接深度為80mm時(shí)，氣體流量選擇75L／min，采用2.2節(jié)的焊接規(guī)范，在90°位置，焊縫表面成形如圖5所示，經(jīng)射線探傷，無(wú)任何缺陷。采用相同的焊接規(guī)范，在同樣的焊接深度，氣體流量為50 L／min時(shí)的焊縫成形如圖6所示。焊縫表面有氧化皮出現(xiàn)，同時(shí)焊縫表面發(fā)藍(lán)，說(shuō)明氣體保護(hù)不好。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，氬氣流量確定為

式中 Q為需要設(shè)定的氣體流量；k1為深度系數(shù)，k1＝0.8～1.0；k2為調(diào)整范圍參數(shù)，k2＝0.8～1.2；D為保護(hù)罩直徑。

圖5 氣體流量為75 L／min時(shí)的焊縫表面成形

k1根據(jù)焊縫深度適當(dāng)調(diào)整，在保證焊接質(zhì)量的前提下節(jié)省氬氣。例如：焊縫深度為100 mm，那么在焊接50 mm深度時(shí)，k1選擇0.9。k2是經(jīng)驗(yàn)值，可根據(jù)不同的焊接情況選擇不同的值，其大小主要與操作習(xí)慣有關(guān)。本研究中焊接深度為80 mm，所以k1＝1.0，k2＝1.1，D＝70 mm的氣體流量為73.2 L／min。

圖6 氣體流量為50 L／min時(shí)的焊縫表面成形

5.2 出口壓力選擇

出口壓力是氣體在進(jìn)入流量計(jì)前的壓力，該值影響氣體挺度和氣體流量設(shè)定上限值。如果出口壓力設(shè)置太大，那么氣體挺度就大，可能會(huì)攪拌熔池，紊亂熔池，形成氣孔等缺陷。出口壓力設(shè)置較小，氣體發(fā)散，相同的氣流量焊接相同的深度，保護(hù)效果不好，而且容易受外界氣流的干擾，易形成氧化皮或侵入性氣孔；同時(shí)，出口壓力設(shè)定過(guò)小，保護(hù)氣體流量可能達(dá)不到工藝要求值。

通過(guò)試驗(yàn)證明，當(dāng)出口壓力設(shè)定為0.5 MPa時(shí)，氣體流量為50 L／min，采用焊接規(guī)范焊接后，全位置焊接質(zhì)量穩(wěn)定，不易出現(xiàn)氣孔。當(dāng)出口壓力為0.7MPa時(shí)，在相同的焊接規(guī)范下，出現(xiàn)氣孔的幾率就較大。而當(dāng)出口壓力為0.35 MPa時(shí)，焊縫表面保護(hù)效果很差，鎢極有燒損現(xiàn)象，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，當(dāng)周?chē)袆×业目諝鈹_動(dòng)時(shí)，易出現(xiàn)密集性氣孔。

6 結(jié)論

在窄間隙深坡口自動(dòng)焊過(guò)程中，保護(hù)氣體選擇純度為99.999%Ar較好；在焊接80 mm深焊縫時(shí)，氣體流量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選定為73L／min，出口壓力設(shè)定為0.7 MPa較好。

[1]門(mén)捷列夫.元素周期表[S].

[2]美國(guó)金屬學(xué)會(huì).焊接與釬焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3]GB4842-2006氬[S].

Selection of Shielded gas narrow gap TIG all-position welding

GUO Yan-hui，ZHANG Wei-dong，CAO Dong-wei，BAI Chun-miao，LIU Li-li
(Nuclear Industry Research and Design Engineering Ltd.，Beijing 101300，China)

Narrow gap TIG all-position automatic welding for welding thick wall components，the shielded gas with high pure Ar(99.999%) as well.By analyzing the test results given in the weld depth under the Shielded gas flow is determined，and the gas outlet pressure effects on the weld shaping.

narrow gap；TIG automatic welding；shielded gas；all-position welding

TG444+.74

B

1001-2303(2012)04-0079-03

2011-07-14

郭彥輝(1982—)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事核電站焊接工藝研究工作。