脈沖鎢極氬弧焊技術(shù)在雙金屬復(fù)合管中的應(yīng)用

吳穎東

摘要：鎢極氬弧焊熱量集中、熱影響區(qū)小、變形小、最適宜應(yīng)用在雙金屬復(fù)合管中。焊接時(shí)如能選用合適的工藝、設(shè)備，可得到成形較好的焊縫。

關(guān)鍵詞：脈沖鎢極、氬弧焊技術(shù)、雙金屬、復(fù)合管、應(yīng)用

引言：脈沖鎢極氬弧堆焊工藝已成為一種高效、節(jié)能的復(fù)合管管端堆焊工藝，它在復(fù)合管管端堆焊應(yīng)用中，適合于薄壁管道的焊接，也可以焊接熱敏感性高的金屬材料。脈沖鎢極氬弧焊采用低頻調(diào)制的直流脈沖電流加熱工件，焊接時(shí)通過對(duì)脈沖占空比、脈沖電流大小、脈沖電流頻率的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制焊接熱輸入量大小的目的，從而控制焊縫及熱影響區(qū)的尺寸和堆焊質(zhì)量。

1鎢極氬弧焊特點(diǎn)

1.1鎢極氬弧焊的主要特性

鎢極氬弧焊應(yīng)用了脈沖電弧，它具有熱輸入低、熱量集中、熱影響區(qū)小、焊接變形小、熱輸入均勻，能較好地控制線能量;保護(hù)氣流具有冷卻作用，可降低熔池表面溫度，提高熔池表面張力;便于操作，容易觀察熔池狀態(tài)，焊縫致密，機(jī)械性能好，表面成形美觀。

1.2鎢極氬弧焊的工藝技術(shù)要領(lǐng)

1.2.1引弧、定位焊

在實(shí)際生產(chǎn)中，鎢極氬弧焊常用引弧器引弧，在高頻電流或高壓脈沖電流的作用下，使氬氣電離而引然電弧，定位焊時(shí)，焊絲應(yīng)比常用焊絲細(xì)，因點(diǎn)焊時(shí)溫度低、冷卻快，電弧停留時(shí)閫較長，故容易燒穿，進(jìn)行點(diǎn)固定位焊時(shí)，應(yīng)把焊絲放在點(diǎn)焊部位，電弧穩(wěn)定后再移到焊絲處，待焊絲熔化并與兩側(cè)母材熔合后迅速?；?。

1.2.2正常焊接

用普通鎢極氬弧焊進(jìn)行薄板焊接時(shí)，電流均取小值，當(dāng)電流小于20A時(shí)，易產(chǎn)生電弧漂移，陰極斑點(diǎn)溫度很高，會(huì)使焊接區(qū)域產(chǎn)生發(fā)熱燒損和發(fā)射電子條件變差，致使陰極斑點(diǎn)不斷跳動(dòng)，很難維持正常焊接，而采用脈沖鎢極氬弧焊時(shí)，峰值電流可使電弧穩(wěn)定，指向性好，易使母材熔化成形，并循環(huán)交替，確保焊接過程的順利進(jìn)行，能得到性能良好、外觀漂亮、形成熔池互相搭接的焊縫。

（1）正常焊接時(shí)可采用1.0焊絲，先在定位點(diǎn)起弧，待焊點(diǎn)熔化并與工件兩側(cè)熔合后再送入焊絲，焊絲始終跟隨熔池，焊槍的噴嘴與焊件表面構(gòu)成80度左右夾角，焊絲與焊件表面夾角為10度左右，在不妨礙視線情況下，盡量采用短弧焊接以增強(qiáng)氬氣保護(hù)效果，應(yīng)注意觀察熔池的大小，焊速應(yīng)先稍慢后快，焊槍通常不擺動(dòng)、焊速和焊絲應(yīng)根據(jù)具體情況密切配合，盡量減少接頭、焊縫長度一次性不宜焊接過長，否則會(huì)囡過熱而形成塌陷甚至燒穿。就算補(bǔ)焊完整，Cr、Ni等元素大量燒損，對(duì)材料耐蝕性非常不利。

（2）焊接結(jié)束時(shí)，如果收弧方法不正確，在收弧時(shí)易產(chǎn)生弧坑、裂紋、氣孔以及燒穿等缺陷，因此，最好使用引出板，焊后將引出板切除掉，如沒有引出板或沒有采用電流自動(dòng)衰減裝置的焊機(jī)，收弧時(shí)要多向熔池送絲，填滿弧坑，然后緩慢收弧。

2脈沖鎢極氬弧堆焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

2.1脈沖電流

脈沖電流是決定焊縫成形尺寸的主要參數(shù)之一。一方面，峰值脈沖電流影響熔滴的過渡形式，采用合理的脈沖峰值、基值電流數(shù)值組合能夠促進(jìn)熔滴過渡，同時(shí)電弧穩(wěn)定性增強(qiáng);另一方面，由于脈沖電流周期性變化引起的電弧壓力也發(fā)生周期性變化，造成熔池表面液體上下振動(dòng)，有利于氣體逸出，減少氣孔的產(chǎn)生，電流的攪拌作用也使焊縫晶粒得到細(xì)化，降低裂紋敏感性，焊縫力學(xué)性能獲得提高，但是峰值脈沖電流過大，會(huì)使焊接過程不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，基值脈沖電流，它的主要作用是維持電弧燃燒，也提供一個(gè)熔池冷卻凝固條件，使焊件不致燒穿。

2.2脈沖頻率

脈沖頻率的選擇也是保證焊接質(zhì)量的重要問題，脈沖頻率對(duì)平均電流有著重要的影響，脈沖頻率主要根據(jù)焊接電流來確定，每次脈沖電流通過時(shí)，焊件上就產(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，而且冷凝結(jié)晶，這樣在下次脈沖電流到來時(shí)已存在一部分熔池凝固形成一個(gè)焊點(diǎn)。下一次脈沖電流到來時(shí)，在上一個(gè)凝固焊點(diǎn)邊緣又產(chǎn)生一個(gè)新熔池，基值電流期間又形成另一個(gè)新焊點(diǎn)。如此重復(fù)地進(jìn)行，就獲得由許多焊點(diǎn)連續(xù)搭接而成的脈沖焊縫。

2.3焊接速度

焊接速度直接影響焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。焊接速度過高，焊接時(shí)形成的熔池溫度過低，會(huì)造成未焊透、未熔合、焊縫成形不良等缺陷;焊接速度過低，高溫停留時(shí)間過長，擴(kuò)大熱影響區(qū)，導(dǎo)致焊接接頭的晶粒粗大，降低其力學(xué)性能，焊接過后管件的變形量增大。

3焊接工藝試驗(yàn)及評(píng)定

雙金屬復(fù)合管基管材料為L360QS，耐蝕合金內(nèi)襯為316L，雙金屬復(fù)合管規(guī)格為219×（10+2），在焊接材料選擇時(shí)首先考慮力學(xué)性能，同時(shí)按照母材的化學(xué)成分選擇與之匹配的焊材，此外管道的使用環(huán)境條件也是焊材選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。按照上述要求，雙金屬復(fù)合管的焊接選用規(guī)格為φ2.5mm的ERNiCrMo-3焊絲，為基層和內(nèi)襯層均適合的焊材。

3.1堆焊工藝參數(shù)的確定

根據(jù)堆焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，制定了堆焊工藝參數(shù)。焊工應(yīng)按照焊接工藝規(guī)程要求對(duì)管道進(jìn)行堆焊，試件焊接過程中管道內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)且要注意焊接表面的清理。

3.2焊接工藝評(píng)定

完成管端堆焊工藝試驗(yàn)后，按照DNV-OS-F101《海底石油管線》的要求進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

3.2.1無損檢測

根據(jù)堆焊檢測標(biāo)準(zhǔn)，首先進(jìn)行堆焊外觀檢驗(yàn)，堆焊層表面呈均勻魚鱗狀焊縫外形，沒有咬邊、裂紋和氣孔，按DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進(jìn)行射線探傷檢測，結(jié)果為Ⅰ級(jí)合格。

3.2.2金相檢驗(yàn)

復(fù)合管管端脈沖鎢極氬弧堆焊后的微觀金相組織可以看出，焊縫與母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、顯微裂紋和異常組織。堆焊焊道熔合區(qū)尺寸較小，熔合線附近的晶粒粗化不明顯，焊縫中的組織相分布均勻，晶粒細(xì)小。這主要是因?yàn)槊}沖焊熱輸入較小，冷卻速度較快，抑制了晶粒的長大，細(xì)化了奧氏體晶粒，從而獲得強(qiáng)度更高、韌性更好的焊縫組織。

3.2.3拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、屈強(qiáng)比均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且斷裂位置均位于襯層及非堆焊層區(qū)域的基層。

3.2.4彎曲試驗(yàn)

按照DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)芯棒直徑為50.8mm，兩支承輥間距離為73.8mm，彎曲角度180°;試驗(yàn)結(jié)果要求沒有開裂、裂紋、表面未發(fā)現(xiàn)氣孔和夾渣。經(jīng)檢測彎曲試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

3.2.5沖擊試驗(yàn)

試樣采用夏比V形缺口，按照ASTMA370標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，要求在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于每一組試樣，單個(gè)沖擊功≥90J，平均值≥109.5J。沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看出，堆焊層沖擊結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定值，說明采用脈沖鎢極氬弧堆焊工藝的堆焊層的沖擊性能是非常理想的。

3.2.6焊縫金屬晶間腐蝕試驗(yàn)

按照ASTM-A262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，取3個(gè)堆焊層試樣放置在腐蝕溶液中，進(jìn)行24h加熱試驗(yàn)，取出后洗凈、干燥、彎曲，其檢測結(jié)果為未發(fā)現(xiàn)晶間裂紋，也無晶間腐蝕傾向。

結(jié)束語：隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)雙金屬復(fù)合管管道焊接中，逐漸采用脈沖鎢極氬弧焊堆焊方法。脈沖鎢極氬弧焊堆焊技術(shù)具有電弧穩(wěn)定、熱輸入小、便于精確控制電弧能量分布等特點(diǎn)，該技術(shù)采用脈沖式加熱，熔池中金屬高溫停留時(shí)間短，金屬冷凝速度快，可減少熱敏感材料產(chǎn)生裂紋的傾向性。

參考文獻(xiàn)：

[1]石玗，郭朝博，黃健康，等.脈沖電流作用下TIG電弧的數(shù)值分析[J].物理學(xué)報(bào)，2011（4）：1-7.