張忠海

(駐大連地區(qū)第三代表室，遼寧116113)

窄間隙TIG焊接技術(shù)，具有合金元素?zé)龘p小，焊接過程穩(wěn)定可控，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，焊縫質(zhì)量高，焊接殘余應(yīng)力小以及能夠適應(yīng)各種位置焊接等優(yōu)點(diǎn)，在近20余年時(shí)間里，有著越來越廣泛的工程應(yīng)用。其中，全位置窄間隙TIG焊接的焊接位置變化大，焊縫狀態(tài)和焊接過程影響因素實(shí)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變，是窄間隙TIG焊接技術(shù)中最困難的。

本文以鎳基合金與奧氏體不銹鋼為母材，使用鎳基合金作為填充金屬，進(jìn)行了全位置窄間隙TIG焊接技術(shù)研究。

1 焊接設(shè)備及焊接方法

本文使用窄間隙自動(dòng)TIG焊接設(shè)備進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接電源為交直流兩用焊接電源，焊接試驗(yàn)所用的焊材為鎳基焊絲，類別號(hào)ERNiCrFe7A，為保證焊接質(zhì)量，焊接過程中嚴(yán)格控制道間溫度，確保道間溫度不超過80℃。

焊接試驗(yàn)使用的試驗(yàn)件一側(cè)為不銹鋼試管，一側(cè)為帶有鎳基隔離層的低合金鋼試管。在進(jìn)行全位置焊接時(shí)，以最高點(diǎn)為0°，在±15°位置起弧進(jìn)行焊接，每道焊縫焊接357°開始自動(dòng)?；。附与娏骱退徒z衰減區(qū)間共3°。為了保證每道焊縫均勻一致，焊縫從起弧電流上升階段開始至收弧電弧熄滅期間，累計(jì)焊接角度共360°。

2 焊接工藝參數(shù)及其影響

全位置窄間隙TIG焊接過程中，涉及到的最主要焊接參數(shù)有焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度。除此以外，能夠影響焊接過程的焊接參數(shù)還包括保護(hù)氣體流量、鎢極伸出導(dǎo)電嘴長(zhǎng)度、鎢極距邊量等，在焊接過程中如果這些焊接參數(shù)未能匹配，同樣會(huì)對(duì)窄間隙TIG焊縫質(zhì)量造成較大影響。

全位置窄間隙TIG焊接過程可以分為平焊、立向上焊、立向下焊及仰焊四個(gè)不同的焊接方位，在不同的焊接位置，熔池內(nèi)部的受力狀態(tài)也不相同，在平焊位時(shí)能夠穩(wěn)定焊接的焊接參數(shù)，可能并不合適立焊或仰焊位置。關(guān)于各個(gè)焊接參數(shù)在不同焊接位置的規(guī)律變化，具體分析如下。

2.1 焊接電流

在TIG焊中，焊接電流是衡量焊接熱輸入量的主要參數(shù)，焊接電流越大，熱輸入量越大，能夠熔化的焊絲量也越大。焊接電流還是影響焊縫熔深的最主要因素，在相同送絲速度的條件下，焊接電流越大，焊縫熔深越深。對(duì)于窄間隙TIG焊縫來說，適當(dāng)?shù)娜凵顚?duì)焊縫質(zhì)量有利，當(dāng)焊縫熔深低于1 mm時(shí)，焊縫的道間結(jié)合力較弱，尤其在厚度較大的焊縫中，易發(fā)生層間未熔合缺陷，因此，在窄間隙TIG焊時(shí)，一定要在不引起咬邊的前提下適當(dāng)提高焊接電流，保證焊縫熔深。常見的TIG焊縫熔深在1.5～2 mm范圍內(nèi)。

以平焊位焊接時(shí)的焊接電流為基準(zhǔn)，當(dāng)焊縫由平焊位轉(zhuǎn)為立向下焊接時(shí)，熔池金屬在重力的作用下，會(huì)流動(dòng)到焊接電弧前，焊接電弧熱量需要穿過這層液態(tài)金屬才能作用于上一道焊縫，形成有效熔深，為了補(bǔ)償這部分作用于液態(tài)金屬的熱量，在立向下焊接時(shí)，需要適當(dāng)增大焊接電流確保焊接質(zhì)量。

隨著焊接過程的繼續(xù)，焊接位置由立向下焊位，逐漸轉(zhuǎn)變成仰焊位。在仰焊位焊接時(shí)，液態(tài)金屬受到的重力與電弧壓力完全相反，一旦液態(tài)金屬的重力超過電弧壓力，就會(huì)從熔池中滴落下來，脫落的液態(tài)金屬極有可能滴落到鎢極上，造成鎢極燒損，使焊接電弧熱量嚴(yán)重下降，并立即形成焊接缺陷。為了避免這種情況發(fā)生，在仰焊時(shí)，需要使用相對(duì)較小的焊接電流，確保焊縫中的熔融金屬量比較小，無法脫離焊縫。

當(dāng)焊接位置由仰焊變?yōu)榱⑾蛏虾附訒r(shí)，在重力的作用下液態(tài)金屬會(huì)落后于焊接電弧，焊接電弧熱量能夠直接作用于上一道焊縫，能夠獲得更深的熔深，從而形成質(zhì)量較好的焊縫。但在重力和表面張力的共同作用下，立向上焊時(shí)的焊縫成形會(huì)優(yōu)先形成中間高、兩面低的形狀，為了減少立向上時(shí)的液態(tài)金屬量，需要適當(dāng)?shù)販p小電流。

2.2 焊接電壓

TIG焊的焊接電壓是指TIG電弧的電壓，在電極材料和氣體介質(zhì)一定時(shí)，焊接電弧主要受弧柱長(zhǎng)度影響。焊接電壓在焊接過程中主要影響熔寬，能夠少量影響熔深，但程度遠(yuǎn)低于焊接電流。

在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大焊接電壓，能夠改善焊接成形，增加焊縫熔寬，但焊接電壓增大到某一值時(shí)，焊縫質(zhì)量會(huì)顯著惡化，極易出現(xiàn)焊接氣孔、未熔合等焊接缺陷。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著電壓的升高，電弧逐漸加長(zhǎng)，保護(hù)氣體需要保護(hù)的范圍也逐漸加大，一旦電弧長(zhǎng)度超過保護(hù)氣體的保護(hù)范圍，就會(huì)卷入空氣，在焊縫中形成氣孔。同時(shí)，隨著電弧的加長(zhǎng)，弧柱區(qū)的能量密度也逐漸下降，無法獲得成形良好的焊縫，容易形成未熔合缺陷。

由于目前工程中應(yīng)用的機(jī)械TIG焊接設(shè)備均帶有弧壓跟蹤，因此能夠保證在各個(gè)焊接位置的弧壓一致。在立向下焊時(shí)，由于液態(tài)金屬流動(dòng)到焊接電弧前，實(shí)際的焊接電壓代表了鎢極與液態(tài)金屬上表面之間形成的弧柱高度，此刻鎢極與焊縫的相對(duì)位置要高于平焊位時(shí)的鎢極與焊縫的相對(duì)位置，故立向下時(shí)的焊縫寬度會(huì)有所增加，成形也更加平整。而在仰焊位焊接時(shí)，為了保證焊絲以短路過渡的形式平穩(wěn)送入熔池中，需要在保證鎢極不與焊縫接觸的前提下盡量壓低電弧，以免形成熔滴過渡，大大增加鎢極燒損的概率，從而影響焊接質(zhì)量。在立向上焊接時(shí)，由于液態(tài)金屬流動(dòng)到焊接電弧后面，焊接電壓代表鎢極與上一道焊縫之間的弧柱高度，此刻鎢極與焊縫的相對(duì)位置要低于平焊位時(shí)的鎢極與焊縫的相對(duì)位置，故立向上時(shí)的焊縫寬度小于平焊位和立向下焊位的焊縫寬度。

2.3 送絲速度和焊接速度

送絲速度的快慢直接影響焊接的熔敷效率，相同規(guī)格的焊絲，送絲速度越大，熔敷效率越高。在焊接電流相同的情況下，送絲速度越大，就需要越多的焊接電弧熱量來熔化焊絲，而作用在上一道焊縫提供焊接熔深的熱量會(huì)相對(duì)減少。當(dāng)焊接電流較大時(shí)，除去熔化焊絲的熱量后，其余熱量能夠使焊縫形成有效的熔深，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良，但當(dāng)送絲速度過大時(shí)，焊接電弧熱量主要用來熔化焊絲，只有一少部分作用于上一道焊縫，使得焊縫道間結(jié)合力較差，容易在焊縫中形成層間未熔合。尤其對(duì)于窄間隙TIG焊來說，不宜為了追求較大的熔敷效率使用較大的送絲速度。

在自動(dòng)TIG焊過程中，為了保證焊縫的質(zhì)量，每層焊縫增厚一般控制在2 mm左右，不宜超過2.5 mm，而焊道增厚的主要影響因素除了送絲速度外，還有焊接速度。當(dāng)焊接速度一定時(shí)，送絲速度越大，焊道增厚越大；當(dāng)送絲速度一定時(shí)，焊接速度越慢，焊道增厚越大。

送絲速度的大小直接影響到金屬的熔敷效率。大的送絲速度，對(duì)應(yīng)大的電流電壓，而對(duì)于一定直徑的鎢極，能夠承受的最大電流也是有限的，因此，一個(gè)設(shè)備采用的送絲速度是有一個(gè)上限的，對(duì)于TIG焊來說，這個(gè)上限還與冷卻水箱的冷卻能力有關(guān)，并且焊絲的直徑不同，也會(huì)得出不同的上限數(shù)值。

在普通TIG焊中，焊接速度最直接的影響是焊接熱輸入量，在焊接電流和送絲速度一定的前提下，焊接速度越大，焊接熱輸入量越小。只有通過送絲速度和焊接速度的綜合搭配，才能夠獲得能夠保證焊接質(zhì)量的焊縫厚度。

以平焊位的送絲速度和焊接速度搭配所得的焊縫厚度為基準(zhǔn)，當(dāng)焊接位置逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱⑾蛳潞笗r(shí)，如前所述，液態(tài)金屬流動(dòng)到電弧前方，并受到垂直于焊縫表面的電弧壓力，焊縫尺寸變寬，相對(duì)的焊縫厚度會(huì)減小。當(dāng)焊接位置轉(zhuǎn)變?yōu)檠龊傅臅r(shí)候，為了避免液體金屬滴落，需要減少液體金屬總量，對(duì)應(yīng)焊縫厚度會(huì)減薄。當(dāng)焊接位置轉(zhuǎn)變?yōu)榱⑾蛏虾笗r(shí)，焊縫尺寸變窄，焊縫的厚度會(huì)增厚，對(duì)不同焊接位置的焊縫厚度進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明上坡焊焊縫厚度會(huì)比下坡焊焊縫厚度大0.5～0.8 mm。

表1 焊縫金屬化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Analysis of chemical composition of weld metal(mass fraction,%)

表2 焊縫金屬室溫力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of weld metalat at room temperature

3 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合各個(gè)焊接參數(shù)對(duì)焊接過程的影響，通過焊接工藝試驗(yàn)進(jìn)行了工藝參數(shù)調(diào)試，最終獲得了能夠滿足全位置焊接的焊接參數(shù)，對(duì)使用該焊接參數(shù)焊接的對(duì)接焊試管進(jìn)行了RT檢測(cè)、化學(xué)成分檢驗(yàn)和力學(xué)性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊接接頭的要求，結(jié)果見表1和表2。

4 結(jié)論

以平焊位為各個(gè)焊接參數(shù)的基準(zhǔn)，在立向下焊接時(shí)，焊接電流需適當(dāng)增大，焊接電壓設(shè)定值無變化，但電弧長(zhǎng)度會(huì)略有提高，焊縫厚度會(huì)減??；在仰焊時(shí)，焊接電流、焊接電壓以及焊縫厚度都需適當(dāng)減??；在立向上焊接時(shí)，焊接電流可適當(dāng)減小，焊接電壓設(shè)定值無變化，但實(shí)際電弧長(zhǎng)度會(huì)略有減小，焊縫厚度會(huì)增加。