張治國(guó)， 張丹丹

（隴南師范高等專(zhuān)科學(xué)校機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 隴南742500）

集中供暖是一種綠色供暖方式， 近年來(lái)隨著能源供應(yīng)的緊缺， 人們環(huán)保意識(shí)逐漸提高， 集中供暖逐漸成為人們冬季取暖的不二之選。 集中供暖工程中， 熱力管網(wǎng)的焊接是管道施工中非常重要的部分， 由于受到施工環(huán)境和施工條件的約束， 手工焊接往往是管道焊接中首選的焊接方法。 另外熱力管道在工作過(guò)程中承受的載荷復(fù)雜， 并且存在較大的腐蝕性， 所以對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有較高的要求， 在實(shí)際施工中采用氬弧焊打底以實(shí)現(xiàn)較好的背面成形， 保障焊接質(zhì)量[1]。 氬弧焊加焊條電弧焊是熱力管道焊接的主流方法。在一些監(jiān)管不嚴(yán)的工程中， 不排除直接用手工電弧焊打底的焊接方式， 導(dǎo)致焊接質(zhì)量無(wú)法保證，焊接接頭開(kāi)裂、 腐蝕等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。

A-TIG 焊作為一種新型高效的焊接方法， 既具有氬弧焊焊接質(zhì)量可靠的優(yōu)勢(shì)， 又具有熔深大、 對(duì)一定厚度工件不開(kāi)坡口一次性焊透的優(yōu)點(diǎn)， 所以被焊接技術(shù)人員廣泛關(guān)注， 利用活性焊焊接管道的研究屢見(jiàn)不鮮[1-4]。 受施工原因及工作環(huán)境的影響[5]， 熱力管道焊接接頭處開(kāi)裂的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。 熱力管道焊接接頭處裂紋的修復(fù)要求較高， 如果修復(fù)工藝不規(guī)范， 極易發(fā)生再次開(kāi)裂。 利用A-TIG 焊對(duì)熱力管道進(jìn)行修復(fù)， 在壁厚允許的范圍內(nèi)， 可以不去除裂紋直接進(jìn)行修復(fù)焊接， 且可以保證較好的焊接質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)選用奧太手工焊與氬弧焊兩用焊機(jī)。 母材選用熱力管道用低碳鋼Q235B， 其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1， 試樣規(guī)格為300 mm×100 mm×8 mm，鎢極選用Φ2.5 mm 釷鎢極。

表1 Q235B 試板主要化學(xué)成分 %

在活性劑配方的組分選擇方面， 根據(jù)相關(guān)研究， 能達(dá)到實(shí)現(xiàn)熔深增加的組元有單質(zhì)組元、 非金屬氧化物組元、 金屬氧化物組元以及鹵化物組元。 單質(zhì)組元有Se、 Te、 Si、 Ti 等[6-7]， 但單質(zhì)組員對(duì)于焊接熔深的增加影響效果不明顯， 并且成本相對(duì)較高， 所以在活性劑配方中沒(méi)有選擇單質(zhì)組元為活性劑配方的成分。 非金屬氧化物組元主要有SiO2和B2O3， 由于其對(duì)焊接熔深影響較大，所以在大多數(shù)活性劑配方中都有非金屬氧化物[8-10]。金屬氧化物組元相對(duì)較豐富， 主要有Fe2O3、MgO、 Al2O3、 TiO2、 Cr2O3、 NiO2、 MnO2等， 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[11-14]， 金屬氧化物是活性劑配方中必不可少的組分。 鹵化物由于其特殊的物理性質(zhì)，對(duì)焊縫熔深有較大的影響[15]， 但考慮到手工焊接對(duì)操作人員身體健康及環(huán)境的影響， 活性劑配方中應(yīng)不含鹵化物。 綜合考慮各組元的情況， 本試驗(yàn) 初 選SiO2、 Fe2O3、 MgO、 TiO2、 Cr2O3、 MnO2、Al2O3等氧化物為組分研制活性劑。

2 試驗(yàn)方法

對(duì)初選的氧化物進(jìn)行單組元活性劑焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)前先對(duì)試板進(jìn)行打磨， 然后將單組元活性劑和成稀糊狀， 均勻涂抹到試板表面， 如圖1 所示。待試板表面的涂覆活性劑中丙酮完全揮發(fā)后， 在涂覆層上進(jìn)行TIG 焊， 焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 活性劑涂覆前后照片

表2 TIG 焊接工藝參數(shù)

通過(guò)分析單組元活性劑對(duì)焊縫成形、 熔深、熔寬等因素的影響， 最終選用效果相對(duì)好的4 種氧化物為組分， 通過(guò)正交試驗(yàn)法進(jìn)行多組元活性劑的配制。 4 種選用的單組元活性劑各取4 個(gè)水平， 對(duì)應(yīng)各因素分別為1 g、 2 g、 3 g 和4 g， 因素水平表見(jiàn)表3。

表3 因素水平表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單組元活性劑對(duì)焊接熔深的促進(jìn)效果以及對(duì)焊縫成形的影響， 初選的氧化物中SiO2、Fe2O3、 TiO2、 Cr2O3及MnO2都可以使焊接熔深增加1.5 倍左右， MgO、 Al2O3對(duì)熔深的促進(jìn)效果較差， 且焊縫表面成形相對(duì)較差， Fe2O3表面成形相對(duì)稍差。 所以最終選擇SiO2、 TiO2、 Cr2O3及MnO2為多組元活性劑的組分進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)， 分別為因素A、 因素B、 因素C 及因素D。

采用表2 的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表4。 由表4 可以看出， 能將8 mm 厚試板焊透的試驗(yàn)有試驗(yàn)1、 試驗(yàn)9、 試驗(yàn)15 及試驗(yàn)16， 其中試驗(yàn)15 效果最好（如圖2所示）， 所以通過(guò)直接對(duì)比法得到的最佳配方為A4B3C2D1。 這個(gè)結(jié)果只代表16 組試驗(yàn)中的最佳方案， 不能代表全部試驗(yàn)組合中的最佳方案。 為了確定最優(yōu)組合， 采用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析。

極差分析是以焊縫熔深指數(shù)為指標(biāo)， 由表4可以看出， 完全焊透的試驗(yàn)熔深指數(shù)為1； 不能完全焊透， 但熔深較大的試驗(yàn)熔深指數(shù)為0.5； 熔深較小的試驗(yàn)熔深指數(shù)為0。 根據(jù)分析結(jié)果， 最優(yōu)組合有A4B1C1D1與A4B3C1D1兩組，其中SiO2的含量都大于40%， MnO2與Cr2O3含量在10%～15%， 這與直接對(duì)比法得到的試驗(yàn)結(jié)果相近。 TiO2含量變化相對(duì)較大， 但根據(jù)極差R 的值， 發(fā)現(xiàn)對(duì)焊縫熔深影響比較大的為因素D、 因素A 和因素C， 所以在配方中要優(yōu)先保證MnO2、 SiO2及Cr2O3的含量。 綜合分析， 組合活性劑中， SiO2的含量不能太低， 根據(jù)焊透效果好的幾組試驗(yàn)及極差分析結(jié)果， SiO2的含量達(dá)到40%以上時(shí)， 熔深增加效果最好。 MnO2含量稍大于10%時(shí)， 熔深增加效果較好。 根據(jù)直接對(duì)比結(jié)果及極差分析結(jié)果， TiO2與Cr2O3的含量應(yīng)小于50%， 其中Cr2O3的含量在10%～20%為宜， 所以最終確定A4B3C1D1為最佳組合方案。 采用A4B3C1D1組合配制的活性劑， 焊接效果如圖3 所示， 可以看出焊接效果略?xún)?yōu)于試驗(yàn)15。利用最優(yōu)方案配制的活性劑可以在不去除裂紋的情況下， 對(duì)壁厚為6 mm 的熱力管道進(jìn)行修復(fù)， 修復(fù)效果如圖4 所示。

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖2 多組元活性劑正交試驗(yàn)焊接效果

圖3 優(yōu)選配方活性劑焊接效果

焊接電流在120 A 時(shí)， 采用優(yōu)選配方無(wú)法將8 mm 厚板焊透， 焊接電流調(diào)至180 A 時(shí)可以輕易將8 mm 厚板焊透。 焊接速度應(yīng)控制在70～80 mm/min， 焊速太慢容易將試板燒穿， 焊速太快無(wú)法將試板焊透， 焊接效果如圖5 所示。 焊接弧長(zhǎng)3～4 mm， 弧長(zhǎng)過(guò)大起不到保護(hù)作用， 弧長(zhǎng)過(guò)小熔深增加效果不顯著 （如圖6所示）。 保護(hù)氣體流量為10～12 L/min， 流量過(guò)大會(huì)將涂覆層吹散， 從而影響活性劑對(duì)焊接熔深的促進(jìn)作用。

圖4 6 mm 壁厚熱力管道裂紋修復(fù)效果

圖5 焊接速度過(guò)小及過(guò)大時(shí)焊接效果

圖6 弧長(zhǎng)1～2 mm 時(shí)焊接效果

4 結(jié) 論

熱力管道焊縫發(fā)生開(kāi)裂后， 在裂紋較窄的情況下， 可利用A-TIG 焊進(jìn)行修復(fù)。 針對(duì)熱力管道常用材料Q235B 研制了手工A-TIG 焊活性劑。 綜合考慮單質(zhì)活性劑、 非金屬氧化物活性劑、 金屬氧化物活性劑及鹵化物活性劑的特點(diǎn)及機(jī)理， 以及手工焊接對(duì)操作人員與環(huán)境的保護(hù)等因素， 選用氧化物作為活性劑組分配制活性劑。 將SiO2、TiO2、 Cr2O3及MnO2作為單組元活性劑時(shí)， 焊接熔深相對(duì)較大， 焊縫成形較好。 采用這4 種氧化物作為多組元活性劑的組分， 進(jìn)行4 因素4 水平的正交試驗(yàn)， 結(jié)果表明， 多組元活性劑中試驗(yàn)15 的焊接熔深大， 焊接效果好， 可以將8 mm 厚試板一次性焊透。 根據(jù)極差分析， 發(fā)現(xiàn)最優(yōu)方案為A4B3C1D1，該方案焊接效果優(yōu)于試驗(yàn)15。 同時(shí)， 對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了規(guī)范， 發(fā)現(xiàn)在合理的工藝參數(shù)下， 活性劑才能發(fā)揮最大的作用， 如工藝參數(shù)不合理，則利用活性劑增加焊接熔深， 提高焊接效率的目的無(wú)法達(dá)到。