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)計有限公司，北京 101300)

窄間隙TIG全位置自動焊保護氣體選擇

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)計有限公司，北京 101300)

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

窄間隙；TIG自動焊；保護氣體；全位置焊接

0 前言

窄間隙深坡口自動焊是近年發(fā)展起來的用于厚壁構(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)、大功率汽輪機等。

在核電站建設(shè)過程中，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全位置自動焊特點

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

(1)整個焊接過程自動化。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)氣體保護方式。傳統(tǒng)的TIG焊接保護罩尺寸通常在φ 30mm以內(nèi)，鎢極伸出長度15～20 mm；但是窄間隙深坡口自動焊的氣體保護罩無法到達焊縫表面進行保護，鎢極則需要伸出保護罩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全位置自動焊為全位置焊接，平、立向下、立向上、仰位置在一次焊接過程中都有。自動焊和手工焊焊接位置如圖1所示。

圖1 自動焊和手工焊的焊接位置

由于鎢極伸出保護罩的長度遠遠超過了手工TIG焊的鎢極伸出長度，同時保護氣體無法充分接近熔池進行保護，如果氣體選擇不當會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。所以保護氣體的種類、純度、流量、氣體挺度等因素就顯得非常重要。

2 試驗條件

2.1 試驗裝置

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

圖2 實驗裝置簡圖

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 保護氣體的選擇

3.1 保護氣體種類

對于窄間隙TIG焊接方法，保護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，由于國內(nèi)不生產(chǎn)He，工業(yè)用He基本都是進口，所以Ar的價格要遠遠低于He的價格。

3.2 保護氣體類型的選擇

Ar在工業(yè)生產(chǎn)中較常用。Ar作為保護氣體，電弧電壓可以設(shè)定得較低，其電弧熱量也較少，熔池相對好控制，所以它適合任何位置的焊接。較低的電弧長度使電弧更加穩(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保護氣體的氣體流量。但是當焊接速度較快(超過250 mm／min[2])時，Ar氣保護的焊縫較容易出現(xiàn)氣孔和側(cè)壁熔合不良，如圖3所示。

He作為保護氣體時，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相對于空氣的流動性好，所以對于焊接周圍的空氣流動較敏感，如果施焊周圍空氣存在較劇烈的空氣擾動，如人員的快速走動，則焊縫容易出現(xiàn)氣孔等缺陷。

圖3 不同保護氣體、焊接速度大于等于250 mm／min的焊縫成形

圖4 不同保護氣體的熔深

綜上所述，進行全位置焊接時，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作為保護氣體。

4 保護氣體純度的選擇

氣體純度的選擇主要從保證焊縫質(zhì)量的角度來考慮。由于奧氏體不銹鋼在焊接過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氣孔[3]，而氧化物夾渣主要是來自保護氣體中的氧元素或者是外界空氣的混入，導(dǎo)致熔池保護不好而氧化。所以保護氣中的H2、O2和H2O的含量對焊接質(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。雖然體積分數(shù)均為10-6級別，但是在窄間隙TIG自動焊焊接過程中，氣體中雜質(zhì)氣體的存在對于焊縫仍然有潛在的不利影響，所以保護氣體選擇高純氬。

表1 純Ar和高純Ar的氣體組分[3]

5 保護氣體流量和壓力選擇

由于鎢極伸入坡口較深，保護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發(fā)過程中節(jié)省大量試驗時間和試驗材料，而且對于后續(xù)的工藝開發(fā)影響較大。

5.1 氣體流量選擇

當焊接深度為80mm時，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時的焊縫成形如圖6所示。焊縫表面有氧化皮出現(xiàn)，同時焊縫表面發(fā)藍，說明氣體保護不好。經(jīng)過大量實驗證明，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為保護罩直徑。

圖5 氣體流量為75 L／min時的焊縫表面成形

k1根據(jù)焊縫深度適當調(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，k1選擇0.9。k2是經(jīng)驗值，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時的焊縫表面成形

5.2 出口壓力選擇

出口壓力是氣體在進入流量計前的壓力，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，出口壓力設(shè)定過小，保護氣體流量可能達不到工藝要求值。

通過試驗證明，當出口壓力設(shè)定為0.5 MPa時，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。當出口壓力為0.7MPa時，在相同的焊接規(guī)范下，出現(xiàn)氣孔的幾率就較大。而當出口壓力為0.35 MPa時，焊縫表面保護效果很差，鎢極有燒損現(xiàn)象，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，當周圍有劇烈的空氣擾動時，易出現(xiàn)密集性氣孔。

6 結(jié)論

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

[1]門捷列夫.元素周期表[S].

[2]美國金屬學(xué)會.焊接與釬焊[M].北京：機械工業(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。