張治國，張丹丹

(隴南師范高等?？茖W校機電工程學院，甘肅 隴南 742500)

大量集中供暖項目實施中，熱力管道的安裝多為地埋式，管道的焊接安裝質量要求較高，焊后檢測發(fā)現(xiàn)缺陷要及時進行返修。埋地熱力管道在使用過程中發(fā)生泄漏，修復方式有開挖式和非開挖式兩種，但熱力管道修復環(huán)境苛刻，修復質量要求高，非開挖技術應用還不夠成熟，目前仍然以開挖后補焊為主要修復方式[1]。不論在管道安裝檢測中發(fā)現(xiàn)缺陷，還是在使用過程中發(fā)現(xiàn)泄漏，進行焊接修復時，傳統(tǒng)修復方法是先去除原有缺陷，打磨出坡口再進行焊接[2]，焊接修復效率較低，勞動強度大?；钚訲IG焊作為一種高效的焊接方法，既具有TIG焊成型美觀優(yōu)點，又能使焊接熔深明顯增加，且對焊縫性能無明顯不良影響[3]，所以被廣泛研究并使用于工業(yè)生產(chǎn)。管道活性焊的研究已取得了一定的成效[4]，將活性TIG焊接技術應用在熱力管道修復中，可實現(xiàn)對6 mm壁厚的管道在不去除缺陷情況下直接高效焊接修復[5]，但修復效果受工藝參數(shù)的影響非常大。在大壁厚不開坡口修復時，管道內(nèi)外側焊縫的成型控制難度很大，如工藝參數(shù)匹配不當，將直接導致管道在活性劑作用下燒穿、裂紋熔不透、內(nèi)側焊縫成型不連續(xù)等現(xiàn)象的發(fā)生。利用活性TIG焊實現(xiàn)熱力管道不去除缺陷直接修復，并保證管道內(nèi)外側焊縫成型質量，需要對焊接工藝參數(shù)和操作技巧進行研究。本文對活性TIG焊修復6 mm壁厚的低碳鋼供熱管道裂紋的焊接工藝參數(shù)進行系統(tǒng)分析，為后續(xù)活性TIG焊在熱力管裂紋修復中的應用提供支持。

1 試驗條件與方法

試驗設備采用山東奧太電氣有限公司的手工/氬弧兩用焊機，型號為WSM-400d。試驗材料選用熱力管道常用材料Q235B保溫鋼管，壁厚為6 mm，外徑為219 mm。如圖1所示，試驗前去除鋼管外側的保護殼和保溫層，并將鋼管外側的鐵銹打磨干凈?；钚詣┻x用自制熱力管道修復用手工A-TIG焊活性劑[6]，如圖2所示。

圖1 6 mm壁厚熱力管道 圖2 自制活性劑

以修復周向裂紋為研究對象，試驗前采用適量有機溶劑與活性劑混合攪拌成糊狀，沿管道圓周方向均勻涂抹，實際應用過程中，活性劑可以沿裂紋進行涂覆。為了便于觀察焊道，采用從下往上的推焊法進行焊接。焊接完成后用等離子槍將管道焊切割成兩半，通過內(nèi)外側焊縫成形情況，調整、優(yōu)化工藝參數(shù)并記錄操作要點。以活性劑在6 mm厚板材上發(fā)揮最大熔深效果的工藝參數(shù)為基礎，經(jīng)多次試驗，根據(jù)焊縫成型效果和操作過程中熔池狀態(tài)的變化等因素，由主到次逐個調整主要的影響參數(shù)，實現(xiàn)6 mm壁厚的熱力管道裂紋在不去除缺陷的情況下高效修復，試驗過程設計如圖3所示。焊接工藝參數(shù)對成型效果影響非常大，工藝參數(shù)不合理，一方面導致管道裂紋熔不透，達不到裂紋修復的目的；另一方面管道容易被燒穿，反而適得其反。壁厚達到6 mm的管道，要保證裂紋熔透、避免管道被燒穿，且使內(nèi)外側焊縫成形良好，實現(xiàn)難度非常大，需通過多次試驗匹配、優(yōu)化工藝參數(shù)，才能獲得良好的修復成型效果。

圖3 試驗過程設計

2 試驗過程與分析

2.1 采用6 mm厚板材焊接工藝參數(shù)試焊

采用活性劑在6 mm厚鋼板上發(fā)揮最大熔深效果的工藝參數(shù)，在鋼管上施焊的結果如圖4所示，可以看出，在焊接開始部位管道已經(jīng)被燒穿，焊縫正面燒穿部位附近有明顯的下沉現(xiàn)象，焊縫背面燒穿部位有鐵水下墜，部分鐵水有掉落現(xiàn)象。通過對焊接過程的觀察發(fā)現(xiàn)，在管道被燒穿前存在一個明顯的變化過程：焊接熔池出現(xiàn)輕微的下沉——熔池下沉程度加劇——出現(xiàn)孔洞——鐵水下墜——產(chǎn)生大的孔洞。經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，焊接過程中一旦出現(xiàn)類似熔孔的孔洞，熔池很快下塌，發(fā)生燒穿現(xiàn)象，所以在利用活性TIG進行裂紋修復時，不能通過熔孔來保證管道背面的成型。對于一定壁厚的管道，要在不去除裂紋的情況下實現(xiàn)單道焊接修復，保證內(nèi)外側焊縫的成型，且在實際操作時不能形成熔孔，實現(xiàn)單面焊雙面成型，根據(jù)多次試驗分析，要依靠控制焊接過程中熔池內(nèi)陷的程度來實現(xiàn)，熔池內(nèi)陷程度的控制需要嚴格的工藝參數(shù)和操作技巧來支撐。

活性劑涂覆 外側焊縫成型 內(nèi)側焊縫成型圖4 采用活性劑發(fā)揮最大熔深效果工藝參數(shù)的焊接效果

2.2 焊接速度調整

根據(jù)前期試驗結果，利用活性劑發(fā)揮最大熔深效果的工藝參數(shù)施焊，管道非常容易被燒穿，另外考慮到修復效率，試驗中通過不同程度地提高焊接速度來控制焊接成形效果。將焊接速度調整到90 mm/min，其他工藝參數(shù)保持不變的焊接效果如圖5所示?？梢钥闯龊附铀俣日{整后，管道燒穿的現(xiàn)象有明顯改善，但實際成形效果并不好，出現(xiàn)部分位置被燒穿、部分位置焊不透的情況。根據(jù)成形情況和焊接操作觀察分析，認為大幅提升焊接速度后，焊接操作時熔池內(nèi)陷的程度不容易被控制，內(nèi)陷程度大則管道容易被燒穿，內(nèi)陷程度小或者無內(nèi)陷，就出現(xiàn)焊不透的情況。另外，焊槍角度調整不及時也容易出現(xiàn)焊縫成形不連續(xù)的現(xiàn)象。

外側焊縫成形 內(nèi)側焊縫成形圖5 焊接速度調整效果

2.3 焊接電流與焊接速度匹配調整

總結先前試驗的經(jīng)驗，通過適當提升焊接速度，減小焊接電流的方式，進行工藝參數(shù)的匹配調整。通過多組參數(shù)匹配焊接效果分析，發(fā)現(xiàn)將焊接速度調整為70 mm/min，焊接電流調整為160 A的焊接成形效果較好，如圖6所示。焊接過程中，熔池輕微內(nèi)陷，焊槍勻速運動，可以看出焊縫外部成形較好，沒有燒穿現(xiàn)象，表面相對平整。從內(nèi)部成形上看，焊縫熔透效果較好，但內(nèi)部焊縫不連續(xù)，對多組試驗結果對比分析和施焊操作分析，認為焊縫成形的不連續(xù)是由于在焊接操作中，焊槍的角度沒有及時隨著管道壁的彎曲進行調整。焊槍相對于焊縫切線的角度對焊接成形的影響非常大。

外側焊縫成形 內(nèi)側焊縫成形圖6 焊接電流、焊接速度匹配調整效果

2.4 焊槍角度調整

手工活性TIG焊修復管道周向裂紋時，焊槍的角度時刻要隨著焊接位置的變化調整，使焊槍在焊接點處與焊縫的夾角保持合理的角度。工藝參數(shù)調整試驗中，多次出現(xiàn)焊縫內(nèi)部成形不連續(xù)情況，及時調整焊槍角度后，焊縫內(nèi)部連續(xù)成形有了很好的改善。如圖7所示，當焊槍與焊接點處焊縫切線夾角始終保持在70°～90°之間時焊縫成形連續(xù)，成形效果良好。但焊槍角度與焊縫夾角成90°時，焊接過程中對熔池的觀察受到影響，所以焊接操作時將夾角控制在70°～80°即可。當焊槍與焊縫角度大于90°時，熔池在電弧力的作用下容易下塌產(chǎn)生孔洞。通過圖8可以看出，焊縫的外側成形寬度相對較窄，而內(nèi)側成形余高較大，分析后認為是鎢極的端部夾角過小，電弧橫截面積小，能量密度大、電弧壓力大所導致。

外側焊縫成形 內(nèi)側焊縫成形圖7 焊槍角度調整效果

2.5 鎢極尖端夾角調整

要實現(xiàn)對裂紋的高質量修復，除了保證深度方向的熔合，還要保證寬度方向的熔合，焊縫寬度不能太窄，通過增加鎢極尖端夾角可以增加焊縫的寬度，在必要時，還可通過擺動焊槍來增加焊縫寬度，從而保證裂紋的熔合。本組試驗將鎢極端部夾角由原來的45°提高到60°～90°進行焊接，結果發(fā)現(xiàn)鎢極端部夾角增加后焊縫變寬，內(nèi)側焊縫余高也有一定的降低，這是由于電弧截面積增加，熔池變大，熔池單位面積上受到的電弧力減小，熔池內(nèi)陷程度相對減小所致。當鎢極夾角在90°左右時焊接熔深減小，不利于裂紋深度方向的熔合；當鎢極夾角在60°左右時外側焊縫變寬，且熔合效果較好，如圖8所示。

外側焊縫成形 內(nèi)側焊縫成形圖8 鎢極尖端夾角調整效果

2.6 弧長的調整

對于內(nèi)側焊縫余高的控制，除了調整鎢極尖端夾角之外，還可以通過調整弧長來實現(xiàn)。如圖9所示，將焊接弧長由原來的3～4 mm提高到4～5 mm，焊縫內(nèi)側余高明顯下降，焊縫外側成形也相對更寬、更平整。如果將焊接電弧調整在2～3 mm，焊縫外側的平整成型將變的很差，且熔池狀態(tài)不容易控制，很容易出現(xiàn)焊不透、焊穿等缺陷。

外側焊縫成形 內(nèi)側焊縫成形圖9 弧長調整效果

2.7 其它工藝參數(shù)調整

考慮到戶外作業(yè)的影響，往往通過增加保護氣體流量的方式來消除自然風對焊接過程的影響。但通過試驗發(fā)現(xiàn)保護氣體的流量過大在焊接過程會影響涂覆在焊道表面的活性劑，所以在特殊情況下保護氣體流量適量增加，可以采用其它方式避免自然風對焊接過程造成的影響，否則會影響活性TIG焊的焊接質量。活性劑涂覆厚度對焊接成形也存在一定影響，一般情況下活性劑涂覆層厚度以完全覆蓋焊道為準，不宜過厚或者露出焊道金屬。焊槍與焊道兩側盡量保證90°夾角，否則焊縫外部成形不平整，裂紋的熔合也會受到影響。焊槍可以根據(jù)裂紋的形狀、尺寸進行適當?shù)臄[動。

2.8 工藝參數(shù)綜合調整后焊接效果

綜合調整后的工藝參數(shù)如表1所示，焊接效果如圖10所示，可以看出，對于6 mm壁厚的熱力管道裂紋，可以在不去除原有缺陷的情況下直接修復。外側焊縫成形均勻、美觀，未出現(xiàn)下淌、咬邊、駝峰焊道等缺陷，由于活性劑的存在，表面存在一些氧化渣。內(nèi)側焊縫平整連續(xù)，未出現(xiàn)燒穿、熔池嚴重下墜、焊不透等焊接缺陷。

表1 綜合調整后的工藝參數(shù)

外側焊縫成形 內(nèi)側焊縫成形圖10 工藝參數(shù)綜合調整后焊接效果

3 結論

(1)手工活性TIG焊具有良好的成形特征，且操作非常靈活，對于供熱管道裂紋的修復具有獨特的優(yōu)勢。供熱管道裂紋修復工藝過程繁瑣，將活性TIG焊應用到管道裂紋修復中，可以在不處理原有裂紋的情況下直接進行修復。

(2)對于6 mm壁厚的管道，在修復焊接中要實現(xiàn)單面焊接雙面成形，這對焊接工藝和操作技巧提出了很高的要求。影響活性TIG焊焊接修復效果的參數(shù)很多，通過試驗匹配、優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)高質量的焊接修復效果，是利用活性TIG焊修復熱力管道裂紋的關鍵步驟。

(3)手工活性TIG焊修復熱力管道裂紋過程中，深度方向的熔合主要依靠調節(jié)焊接速度與焊接電流實現(xiàn)；寬度方向的熔合與焊縫內(nèi)側余高的控制主要通過調節(jié)弧長與鎢極的尖端夾角來實現(xiàn)，必要時進行焊槍擺動控制；長度方向連續(xù)均勻的熔合主要通過調節(jié)焊槍角度實現(xiàn)。