費(fèi)大奎， 張焱， 李榮

(哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

在太陽(yáng)能發(fā)電、化工、石油和核工業(yè)中，換熱器的應(yīng)用十分廣泛，其類型與結(jié)構(gòu)也很多，每臺(tái)換熱器都有數(shù)千個(gè)管子管板焊接接頭。該接頭長(zhǎng)期承受壓差對(duì)管子產(chǎn)生的軸向負(fù)荷、反復(fù)加熱、冷卻、高壓和介質(zhì)腐蝕的作用,是最容易發(fā)生泄漏的部位。因此在換熱器的設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，換熱管與管板之間的焊接質(zhì)量的好壞決定了換熱器的質(zhì)量?jī)?yōu)劣和使用壽命[1-3]。

某光熱發(fā)電項(xiàng)目試驗(yàn)堆的換熱器由于管子管板打底焊未焊透和熔深不夠，在幾個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)接頭根部泄漏導(dǎo)致導(dǎo)熱油和水的混合，最終整條生產(chǎn)線報(bào)廢，因此該光熱項(xiàng)目商業(yè)堆換熱器管子管板打底焊的質(zhì)量顯得尤為重要。

文中用TIG自熔方法對(duì)管板焊接頭進(jìn)行打底焊接試驗(yàn)，研究了峰值電流、焊接速度、脈沖頻率、電弧長(zhǎng)度、鎢極離管壁的距離對(duì)打底焊縫3點(diǎn)鐘位置熔深的影響，預(yù)期達(dá)到了提高產(chǎn)品根部熔深和焊接質(zhì)量的目的。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選管板為碳鋼SA-516M Gr.485，規(guī)格為200 mm×200 mm×55 mm,其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。換熱管為碳鋼SA-210M Gr.A1，直徑19 mm 、壁厚2.11 mm，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 管板母材SA-516M Gr.485和管熱管母材SA-210M Gr.A1主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

管板結(jié)構(gòu)為外伸型，管口外伸管板面長(zhǎng)度5±0.5 mm、機(jī)加坡口深度2 mm、角度45°，如圖1所示。

圖1 坡口形式

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用哈爾濱焊接研究院有限公司研制的全自動(dòng)TIG管板焊機(jī)，如圖2所示。焊接電源采用的Fronius公司TT4000逆變電源，電流300 A以下100%占載率。送絲機(jī)配套采用的Fronius公司的KD1500送絲機(jī)，它具有與脈沖電流同步的脈動(dòng)送絲功能，滿足了全位置焊接工藝的需要。焊槍角度-15°～15°任意可調(diào)，此試驗(yàn)由于是外伸型管板， 焊槍角度為15°。

圖2 全自動(dòng)TIG管板焊機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

在全位置焊接過(guò)程中，在不同位置由于熔池受到的重力、表面張力、電弧力的綜合作用是不一樣的，因此要對(duì)工藝進(jìn)行分區(qū)。將整個(gè)接頭分為圖3所示的四個(gè)分區(qū)：① 10:30～1:30為平焊區(qū)；② 1:30～4:30為下坡焊區(qū)；③ 4:30～7:30為仰焊區(qū)；④ 7:30～10:30為上坡焊區(qū)；起弧點(diǎn)位于10:30位置，TIG打底自熔工藝參數(shù)表見(jiàn)表2。

圖3 全位置焊接

采用以上工藝焊接12個(gè)接頭，焊后沿3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向線切割垂直割開(kāi)后做宏觀金相，發(fā)現(xiàn)有6個(gè)接頭在3點(diǎn)鐘位置有未焊透，另有4個(gè)接頭在9點(diǎn)鐘位置有未焊透。典型的未焊透如圖4所示。

表2 打底自熔焊接工藝參數(shù)

圖4 典型打底未焊透

在上坡焊位置時(shí)，坡口金屬直接暴露在電弧下方，電弧直接作用于坡口金屬，因此最容易焊透。下坡焊位置時(shí)，由于熔池下淌造成實(shí)際焊接厚度增加，在3點(diǎn)鐘位置下淌最為嚴(yán)重，因此最難焊透。但是經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，有些焊縫最難焊透的3點(diǎn)鐘位置焊透，最容易焊透的9點(diǎn)鐘位置卻沒(méi)有焊透。相同的工藝參數(shù)，得到的結(jié)果卻不一致。經(jīng)分析：鉆孔時(shí)坡口深度和角度的偏差、管子和管孔間隙的大小、國(guó)標(biāo)所允許的管壁厚度偏差、鎢

極與管孔同軸度的偏差、鎢極尖端形狀的變化是不一樣的，因此造成了打底焊縫焊透性的差異，其中鉆孔深度和角度的偏差影響最大。由于上述偏差在實(shí)際焊接過(guò)程中是必不可免的，因此需要增大工藝窗口范圍，以滿足實(shí)際焊接需要。以下分別從峰值電流、焊接速度、脈沖頻率、電弧長(zhǎng)度、鎢極離管壁的距離這5個(gè)方面，闡述其對(duì)自熔打底焊3點(diǎn)鐘位置熔深的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 峰值電流對(duì)打底焊3點(diǎn)鐘位置熔深的影響

峰值電流是脈沖 TIG 焊的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小對(duì)焊縫成形，尤其是熔深起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)峰值電流較小時(shí)，容易導(dǎo)致未焊透、焊縫余高偏高等現(xiàn)象。當(dāng)峰值電流過(guò)大時(shí)，容易造成咬邊、焊縫塌陷、甚至焊穿等缺陷。保持表1其它參數(shù)不變，調(diào)整90°～180°的峰值電流，從10:30位置開(kāi)始370°的焊接試驗(yàn)，打底焊熔深如圖5所示。經(jīng)分析：當(dāng)峰值電流由160 A逐漸遞增到190 A時(shí)，由于熱輸入的增加所以熔深逐漸增加。由于焊槍角度傾斜向管子，當(dāng)峰值電流由190 A逐漸遞增到210 A時(shí)，管壁熔化形成的鐵水逐漸增加，倒淌直接覆蓋在還未焊接的坡口處，導(dǎo)致實(shí)際焊接厚度增加，因而焊接熔深逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，在160～210 A峰值電流范圍以內(nèi)，打底自熔焊縫3點(diǎn)鐘位置熔深隨著峰值電流的遞增先遞增，達(dá)到峰值后由于管材熔化導(dǎo)致實(shí)際焊接厚度增加，熔深又逐漸減小。

圖5 不同峰值電流下3點(diǎn)位置打底焊熔深

2.2 焊接速度對(duì)打底焊3點(diǎn)位置熔深的影響

當(dāng)焊接電流確定以后，焊接速度決定單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入，提高焊接速度，則熱輸入減小，熔深和熔寬均減小。減小焊接速度，熔深和熔寬則都增大。

保持表1其他參數(shù)不變，調(diào)整90°～180°的焊接速度，從10:30位置開(kāi)始370°的焊接試驗(yàn)，打底焊熔深如圖6所示。經(jīng)分析：由于焊接速度的遞增，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入及電弧作用力時(shí)間的減少，因而焊接熔深逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著焊接速度逐漸增大，打底焊3點(diǎn)鐘位置熔深逐漸減小。

圖6 不同焊接速度下的3點(diǎn)位置打底焊熔深

2.3 脈沖頻率對(duì)打底焊3點(diǎn)位置熔深的影響

鎢極低頻脈沖氬弧焊時(shí)，每次峰值電流通過(guò)時(shí)工件上都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)狀熔池。在基值電流期間，點(diǎn)狀熔池不繼續(xù)擴(kuò)大，而是冷卻結(jié)晶。如此重復(fù)進(jìn)行，就能獲得一條由許多焊點(diǎn)連續(xù)搭接而成的焊縫。為了獲得連續(xù)的、致密的焊縫，要求各個(gè)焊點(diǎn)間要有一定的重疊，因此脈沖頻率要與焊接速度相匹配，以確保合適的焊點(diǎn)間距。

保持表1其他參數(shù)不變，調(diào)整90°～180°的脈沖頻率，從10:30位置開(kāi)始370°的焊接試驗(yàn)，打底焊熔深如圖7所示。經(jīng)分析，隨著脈沖頻率的增加，電弧收縮趨勢(shì)明顯，電弧力逐漸增加，因而焊接熔深逐漸增加。但是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖頻率上升到50 Hz以后，電弧噪音明顯增加，鎢極端部形狀損耗明顯增加。當(dāng)鎢極端部形狀不佳時(shí)，會(huì)有一定概率形成焊縫表面不連續(xù)，焊縫表面不連續(xù)的地方，其根部也未焊透。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著脈沖頻率逐漸增大，打底焊3點(diǎn)鐘位置熔深逐漸增大。

圖7 不同脈沖頻率下的3點(diǎn)位置打底焊熔深

2.4 電弧長(zhǎng)度對(duì)打底焊3點(diǎn)位置熔深的影響

焊接電弧長(zhǎng)度主要影響焊縫寬度，在一定范圍內(nèi)也會(huì)對(duì)熔深產(chǎn)生影響。保持表1其他參數(shù)不變，調(diào)整90°～180°的電弧長(zhǎng)度，從10:30位置開(kāi)始370°的焊接試驗(yàn)，打底焊熔深如圖8所示。經(jīng)分析，隨著電弧長(zhǎng)度的逐漸減小，電弧力逐漸增加并且所形成的熔池寬度逐漸減小，因而單位面積熔池表面受到的電弧力逐漸增加，進(jìn)而導(dǎo)致熔深增加。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電弧長(zhǎng)度小于等于1 mm時(shí)，鎢極端部燒損較快，焊接過(guò)程不夠穩(wěn)定，因此電弧長(zhǎng)度也不宜過(guò)短。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電弧長(zhǎng)度逐漸增大，打底焊3點(diǎn)鐘位置熔深逐漸減小。

圖8 不同電弧長(zhǎng)度下的3點(diǎn)位置打底焊熔深

2.5 側(cè)壁距離對(duì)打底焊3點(diǎn)位置熔深的影響

保持表1其他參數(shù)不變，調(diào)整90°～180°的鎢極離管壁的側(cè)壁距離，從10:30位置開(kāi)始370°的焊接試驗(yàn)，打底焊熔深如圖9所示。經(jīng)分析，隨著側(cè)壁距離的增大，電弧受到管板坡口的約束越大，電弧越來(lái)越難作用于根部，進(jìn)而熔深越來(lái)越小。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)側(cè)壁距離小于等于1 mm時(shí)，鎢極端部燒損較快，焊接過(guò)程不夠穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著側(cè)壁距離逐漸增大，打底焊3點(diǎn)鐘位置熔深逐漸減小。

圖9 不同側(cè)壁距離下的3點(diǎn)位置打底焊熔深

3 焊后檢驗(yàn)

利用以上規(guī)律優(yōu)化后，工藝參數(shù)為焊接速度55 mm/min、占空比25%、脈沖頻率2.5 Hz，其他工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

采用以上工藝共計(jì)焊接40個(gè)接頭，焊后按照ASME IX卷QW195.2.2進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，未見(jiàn)任何缺陷顯示。宏觀金相如圖10所示，接頭3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)位置管板與管壁完全熔合、未發(fā)現(xiàn)裂紋、焊縫熔透進(jìn)入接頭根部均大于0.4 mm，滿足GB151和ASME IX卷QW193.1.3質(zhì)量檢驗(yàn)要求，并最終應(yīng)用于產(chǎn)品的焊接。

表3 其它工藝參數(shù)

圖10 不同位置下的宏觀形貌

4 結(jié)論

(1)對(duì)于深度2 mm、角度45°的管子外伸5 mm管板坡口，當(dāng)峰值電流185～190 A、基值電流78～80 A、占空比25%、脈沖頻率2.5 Hz、電弧長(zhǎng)度1.2～1.4 mm、鎢極離管壁距離1.2～1.4 mm、焊接速度55 mm/min時(shí)，全位置焊接可以實(shí)現(xiàn)根部完全焊透。

(2)在160～210 A峰值電流范圍以內(nèi)，打底自熔焊縫3點(diǎn)鐘位置熔深隨著峰值電流的遞增先遞增，達(dá)到峰值后由于管材熔化導(dǎo)致實(shí)際焊接厚度增加，熔深又逐漸減小。

(3)隨著焊接速度、電弧長(zhǎng)度、側(cè)壁距離的遞減及脈沖頻率的遞增，打底自熔焊縫3點(diǎn)鐘位置熔深逐漸增加，其中以降低焊接速度效果最為明顯。