管道A-TIG自動焊焊接工藝研究

蔣冬冬 路書永

1. 概述

隨著公司項目的增加，優(yōu)秀焊工缺口越發(fā)明顯，提升管道自動焊的能力和技術(shù)成為一個趨勢。A—TI G焊接法是指在材料表面涂上一層很薄的活性劑，達(dá)到改善熔深的方法。與普通TIG焊相比具有焊接熔深大，生產(chǎn)率高；對材料的微量元素波動不敏感；成本低，易實現(xiàn)自動化、變形小等優(yōu)點。將A-TI G應(yīng)用到管道自動焊技術(shù)上，顯著提升公司安裝焊接技術(shù)水平。

2. A—TIG焊接法原理

A—TIG焊接法是指在施焊板材的表面涂上一層很薄的表面活性劑，從而大大改善焊接熔深的方法。利用這種方法，可使焊接熔深達(dá)到傳統(tǒng)TIG 焊的2~3 倍。

表面活性劑是通過改變?nèi)鄢乇砻鎻埩囟忍荻?，從而改變了熔池?nèi)液態(tài)金屬流動方向，即由傳統(tǒng)TI G焊時的從熔池中心向熔池邊緣流動變?yōu)閺娜鄢剡吘壪蛉鄢刂行牧鲃?，使得焊接熔深顯著增加。同時表面活性劑還使得電弧明顯收縮，導(dǎo)電面積減小，電流密度增大，同時也使電弧力增大，最終導(dǎo)致焊接熔深增大。

3. 材料及設(shè)備選用

蘭州南特工大焊接科技有限公司所開發(fā)的不銹鋼用A－TI G焊活性劑產(chǎn)品已經(jīng)先后獲得了中國國家發(fā)明專利。對于一定厚度的不銹鋼對接焊縫，可以不開坡口，不填絲，一次焊接完成，可輕松實現(xiàn)單面焊雙面成形，且焊縫組織和成分與傳統(tǒng)TIG焊相同，焊縫綜合性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。使用方法如下：

第一，將固體粉末A—TIG焊活性劑按（20~30）m L/10g的工業(yè)丙酮進(jìn)行配比，均勻混合。

第二，待焊工件表面去油、去污并打磨出金屬光澤。

第三，用干燥，清潔的刷子沾取活性劑，均勻涂敷在待焊工件表面，以覆蓋金屬光澤為宜，涂層寬度為10~20mm。

第四，待丙酮揮發(fā)后，在30min內(nèi)進(jìn)行常規(guī)TIG焊。

焊機選擇奧拓自動TIG 焊機，型號為AUTO CWM—A。管子工裝在自定心卡盤上，卡盤可以勻速轉(zhuǎn)動，保證焊接位置總是平焊。焊前焊槍可以前后、左右、上下調(diào)整位置，焊接過程中可實現(xiàn)焊槍左右擺動和停留。

圖1 坡口形式

4. 試驗準(zhǔn)備及要求

(1)坡口制備與組對 坡口采用機械加工方式。對于不銹鋼，φ 60mm×4mm、φ 60mm×6mm坡口形式如圖1 a 所示；φ60mm×8mm坡口形式如圖1b所示；φ133mm×14.2mm坡口形式如圖1c所示。

對于碳鋼φ60mm×4.5mm、φ60mm×6mm，φ114mm×6mm坡口如圖1a所示。φ60mm×8mm管坡口如圖1b所示。

(2)焊接 焊工按預(yù)焊工藝規(guī)程要求施焊。氬氣純度≥99.96%。環(huán)境溫度≥-5℃，環(huán)境濕度≤90%RH。采用直流正接，鈰鎢極φ2.4mm，尖角60°。噴嘴φ16mm，氣體流量為8~15L/mi n；氬氣純度為99.99%，流量為10~20L/mi n，提前送氣，滯后停氣；電弧長度1~3mm。

(3)檢測要求 首先，外觀及無損檢測。焊縫在焊接完畢后立即進(jìn)行外觀檢查，焊接質(zhì)量符合下列要求：①不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣及飛濺存在。②不得有咬邊。③焊縫表面不得低于管道表面。

管道焊接接頭的無損檢測按J B 4730—2005進(jìn)行焊縫等級評定，X射線透照質(zhì)量等級不得低于AB級，焊接接頭經(jīng)射線檢測后的合格等級不低于II級合格。

其次，理化試驗要求。對于外觀和無損檢測都合格的試樣要進(jìn)行拉伸和彎曲性能試驗。① 拉伸試驗按GB/T228，20鋼抗拉強度≥420MPa；奧氏體不銹鋼抗拉強度≥520MPa。② 彎曲試驗按GB/T232，彎軸直徑4 S，支座間距離6 S+3，彎曲角度為180°。試樣彎曲到規(guī)定角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有單條長度＞3mm的裂紋或缺陷。

表1 0Cr18Ni9 A—TIG焊縫區(qū)和母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

5. 不銹鋼A—TIG自動焊

薄壁管（φ60mm×4mm、φ60mm×8mm）的管子可以先開2mm深V形坡口進(jìn)行A—TIG焊接，然后過渡到不開坡口直接熔透8mm厚母材。焊接時取適量不銹鋼活性劑均勻地刷涂到管子待焊焊縫中間，焊接時管子內(nèi)部通氬氣保護(hù)。將管子固定在焊接工作平臺上水平轉(zhuǎn)動。A—TI G焊打底，填充蓋面用自動TIG焊。

厚壁管不銹鋼管規(guī)格φ133mm×14.2mm，加工成60°V形坡口，鈍邊為4~6mm，無間隙對中、加緊、點固，涂敷活性劑，管子內(nèi)部通氬氣保護(hù)，用A—TI G打底，填充蓋面用自動TIG焊。

（1）試驗結(jié)果 在不銹鋼管焊接試驗中，φ60mm×4.5mm、φ 60mm×6mm、φ 60mm×8mm規(guī)格的管子都達(dá)到預(yù)期效果。φ133mm×14.2mm管未能達(dá)到要求主要出現(xiàn)未焊透、焊穿、收弧裂紋。厚壁管φ133mm×14.2mm的管子坡口鈍邊有4mm、5mm、6mm各3種，鈍邊的厚度越厚，未焊透的部位越多，焊穿的部位越多，越易出現(xiàn)收弧裂紋。

第一，無損及力學(xué)性能：φ 60mm×4mm、φ 60mm×6mm和φ 60mm×8mm開2mm深坡口的管子探傷結(jié)果均能達(dá)到I I級以上標(biāo)準(zhǔn)。用焊絲蓋面之后焊縫光滑平整，紋路均勻，背面光滑平整，背面高度及焊縫正面高度符合要求。通過試驗證明，焊接外觀、無損合格的試件力學(xué)性能能夠達(dá)到要求，說明活性劑的使用不影響焊接接頭的力學(xué)性能。

第二，化學(xué)成分。分別對0Cr18Ni9 A—TIG焊縫區(qū)和母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分測定，焊縫區(qū)與母材化學(xué)成分比較如表1所示。

由上表可以看出，與“GB/T14976—2002流體輸送用不銹鋼管”中對0Cr18Ni9鋼管化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)比較發(fā)現(xiàn)，A—TI G焊縫區(qū)的化學(xué)成分除P略高外均在母材標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明A—TIG對化學(xué)成分影響不大。

第三，宏觀、微觀金相。以φ60mm×8mm管子A—TIG打底，普通TI G焊蓋面的試樣為例說明不銹鋼宏觀金相和微觀組織。

從宏觀金相上看焊縫熔合良好，沒有氣孔、裂紋、夾渣、未焊透及未熔合等缺陷如圖2所示。

圖3~圖5為放大200倍之后的母材、焊縫、熱影響區(qū)的金相組織，可看出φ60mm×8mm不銹鋼管母材組織為奧氏體+少量鐵素體，焊縫組織為奧氏體+鐵素體+少許沉淀物，熱影響區(qū)組織為奧氏體+鐵素體+少許沉淀物。未發(fā)現(xiàn)微裂紋及影響性能的有害沉淀物。

第四，熔深對比。根據(jù)不銹鋼A—TI G焊接試驗的結(jié)果，截取宏觀金相試樣，觀察熔深情況。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，涂敷活性劑后焊縫的熔深明顯加深，熔寬明顯φ60mm×6mm）采用無間隙點固，一次焊接成形。薄壁管變窄。不銹鋼A—TI G焊接參數(shù)越大，焊縫熔深越深。

（2）焊接參數(shù) 合適的焊接參數(shù)才能使焊縫完全焊透。在試驗中發(fā)現(xiàn)焊接電壓基本穩(wěn)定在10~1 4V，焊接速度變化范圍不大，基本維持在60~90mm/mi n。通過大量試驗總結(jié)出3種規(guī)格不銹鋼管的A—TI G焊接參數(shù)，如表2所示。

表2 薄壁不銹鋼管A—TIG焊接參數(shù)

表3 碳鋼A—TIG焊活性劑配方

圖2 φ60mm×8mm宏觀金相

圖3 φ60mm×8mm母材微觀觀金相

圖4 φ60mm×8mm焊縫微觀觀金相

圖5 φ60mm×8mm熱影響區(qū)微觀觀金相

6. 碳鋼A—TIG自動焊

（1）活性劑研制 由于A-TIG焊接活性劑的成分和配方有專利限制，必須自行研制活性劑配方?；钚詣┑某煞种饕裳趸锖望u化物粉末組成，通過查閱資料，氧化物對熔深的影響大于鹵化物，常用的活性劑成分氧化物中首先以Si O2的改善熔深作用最明顯，其次是Ti O2，鹵化物中以Na Cl改善熔深的效果最明顯，所以在活性劑的配方中，以Si O2、Ti O2和Na Cl粉末為主要成分，另外加入Mn O2、Cr2O3作為補充。最終確定配方成分如表3所示。

各組分為分析純粉末狀或顆粒狀，各組分的要求符合J B/T11084—2001不銹鋼和碳鋼A—TIG活性劑的要求，顆粒度要求固體顆粒直徑≤74μm。

（2）試驗結(jié)果 在碳鋼管焊接的試驗中，φ 60mm×4mm、φ60mm×6mm，φ114mm×6mm規(guī)格的管子都達(dá)到了預(yù)期效果，φ60mm×8mm的管子未能達(dá)到要求主要問題是在焊接過程中難以控制焊接參數(shù)，使部分部位由于積溫過高而突然焊穿。而手工調(diào)節(jié)參數(shù)很難保證φ60mm×8mm的管子既要焊透又不焊穿。

碳鋼管φ 60mm×4.5mm、φ60mm×6mm和φ114mm×6mm的管子探傷結(jié)果最后均能達(dá)到I I級以上標(biāo)準(zhǔn)。外觀、無損合格的試件的力學(xué)性能能夠達(dá)到要求，說明活性劑的使用能滿足焊接接頭的力學(xué)性能要求。

分別對碳鋼A—TI G焊縫區(qū)和母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分測定，測定方法為直讀光譜法，將焊縫區(qū)與母材化學(xué)成分比較如表4所示。

由表4可以看出，A—TIG焊縫區(qū)和母材的化學(xué)成分大部分元素質(zhì)量百分含量相差不大，只有Si、Mn的百分含量比母材稍低。沒有達(dá)到“GB/T699—1999優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼”中對20鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求。其主要原因是母材的Si、Mn的百分含量偏低，接近標(biāo)準(zhǔn)下限。

（3）宏觀、微觀金相 以φ 60mm×6mm管子A—TIG打底，普通TI G焊蓋面的試樣為例說明不銹鋼薄壁管的宏觀金相和微觀組織。

從宏觀金相上看焊縫熔合良好，沒有氣孔、裂紋、夾渣、未焊透及未熔合等缺陷。

圖6~圖9為放大200倍之后的母材、焊縫、熱影響區(qū)的金相組織，可看出φ60mm×6mm 碳鋼管子母材組織為鐵素體+珠光體，焊縫組織為鐵素體+珠光體+貝氏體+少量魏氏體，熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體。沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋及影響性能的有害沉淀物。

在A—TI G焊縫中沒有魏氏組織，并且晶粒細(xì)小，與母材組織及其相近。少量魏氏組織是出現(xiàn)在填絲蓋面與A—TI G焊接打底層之間的熔合線處。原因可能是A—TI G打底焊接完全冷卻后進(jìn)行的填絲蓋面，由于填絲蓋面的電流稍大，溫度偏高，冷卻速度過快，而蓋面層和打底層接觸的地方冷卻速度是最大的，所以產(chǎn)生了少量魏氏組織。

（4）熔深對比 根據(jù)低碳鋼A—TI G焊接試驗的結(jié)果，截取宏觀金相試樣，觀察熔透情況發(fā)現(xiàn)，涂敷活性劑后焊縫的熔深明顯加深，熔寬明顯變窄。同時通過對比發(fā)現(xiàn)焊接參數(shù)越大熔深越深，與不銹鋼的結(jié)論相同。

（5） 焊接參數(shù) 碳鋼焊接需要合適的焊接參數(shù)才能使焊縫完全焊透。在試驗中發(fā)現(xiàn)焊接電壓基本穩(wěn)定在10~14 V，焊接速度浮動范圍也不是很大，基本維持在60~80mm/mi n。通過大量試驗，總結(jié)出3種規(guī)格管子的A—TIG焊接參數(shù)，如表5所示。

圖6 φ60mm×6mm宏觀金相

圖7 φ60mm×6mm母材微觀金相

圖8 φ60mm×6mm焊縫微觀金相

圖9 φ60mm×6mm熱影響區(qū)微觀金相

表4 碳鋼A—TIG焊縫區(qū)和母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 低碳鋼薄壁不銹鋼管A—TIG焊接參數(shù)

7. 試驗問題及分析

（1）焊接缺陷預(yù)防 不論是低碳鋼還是不銹鋼，壁厚≤6mm的管A—TI G焊總體較為成功，但有些缺陷在低碳鋼和不銹鋼管道中不容忽視。

焊穿：由于加工的原因管子組對后有的地方有少量間隙，有間隙的地方容易焊穿，所以加工質(zhì)量要保證。

氣孔：管子組對后受潮、碳鋼管坡口處有鐵銹、配置活性劑的丙酮中含水分可導(dǎo)致氣孔出現(xiàn)。因此管子組對前要將坡口打磨干凈，去除油、銹；碳鋼管當(dāng)天焊接當(dāng)天組對，防止受潮生銹。

咬邊：由于有活性劑覆蓋在管道組對縫隙上，所以不注意焊接位置偏離中心線就會導(dǎo)致咬邊，此外焊接電流過大也有可能引起咬邊。因此焊接時需要選擇合適的電流，焊接操作工需集中注意力，發(fā)現(xiàn)焊接電弧偏離焊縫中心要立即調(diào)整。

（2）起焊處熔透問題 開始焊接時管件溫度低，不容易熔透，往往開始有一小段不能完全熔透。解決方法：①加大初始的焊接電流，減小焊接速度。②打底焊時焊完一圈后使初始部位二次熔透。

（3）熱量傳導(dǎo)問題 隨著焊接的進(jìn)行，管件的溫度越來越高，如果保持焊接參數(shù)不變，很可能發(fā)生燒穿的危險。必須在施焊過程中不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，適當(dāng)減小電流或適當(dāng)增大焊接速度。

（4）活性劑涂覆 焊接時取適量活性劑粉末置于燒杯中，加入丙酮將其調(diào)成糊狀，采用刷子均勻地刷涂到管子待焊焊縫中間，一旦脫落可以補刷?；钚詣┩扛惨⒁猓孩倩钚詣┩康焦茏由弦芡耆采w金屬顏色。②溫度較高時涂覆活性劑會使活性劑迅速變干然后爆皮脫落，所以要等管子冷卻后再涂覆活性劑。

（5）組對問題 無縫鋼管的壁厚不是很均勻是常見現(xiàn)象，組對時需要注意尋找兩節(jié)管子的最佳組對位置，即較厚部位和較厚部位組對，較薄部位和較薄部位組對，盡量做到不錯邊，否則容易出現(xiàn)未熔合缺陷。

8. 結(jié)語

（1）在相同焊接參數(shù)下，活性劑能使熔深增大，熔寬變窄。

（2）增大熱輸入對增大A-TIG焊縫熔深有直接影響，熱輸入不能過大或過小，熱輸入過大會使焊縫焊穿，熱輸入過小會使焊縫出現(xiàn)未焊透的缺陷。調(diào)節(jié)熱輸入的途徑主要是調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度。

（3）在管子A—TIG自動焊接過程中，要保證焊接質(zhì)量熱輸入不能一成不變，開始需要較大熱輸入量，隨著積溫的增大，需要逐步減小熱輸入量，防止焊穿。

（4）管子A—TIG自動焊壁厚≤6mm的管子能夠符合焊縫成形，力學(xué)性能等要求。

（5）低碳鋼A—TI G焊活性劑可以實現(xiàn)自行研制，且已經(jīng)達(dá)到預(yù)期效果。