手工活性TIG焊修復(fù)熱力管道裂紋的成型工藝參數(shù)分析

張治國，張丹丹

(隴南師范高等?？茖W(xué)校機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 隴南 742500)

大量集中供暖項(xiàng)目實(shí)施中，熱力管道的安裝多為地埋式，管道的焊接安裝質(zhì)量要求較高，焊后檢測發(fā)現(xiàn)缺陷要及時(shí)進(jìn)行返修。埋地?zé)崃艿涝谑褂眠^程中發(fā)生泄漏，修復(fù)方式有開挖式和非開挖式兩種，但熱力管道修復(fù)環(huán)境苛刻，修復(fù)質(zhì)量要求高，非開挖技術(shù)應(yīng)用還不夠成熟，目前仍然以開挖后補(bǔ)焊為主要修復(fù)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(jìn)行焊接修復(fù)時(shí)，傳統(tǒng)修復(fù)方法是先去除原有缺陷，打磨出坡口再進(jìn)行焊接[2]，焊接修復(fù)效率較低，勞動強(qiáng)度大。活性TIG焊作為一種高效的焊接方法，既具有TIG焊成型美觀優(yōu)點(diǎn)，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(shù)應(yīng)用在熱力管道修復(fù)中，可實(shí)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(fù)[5]，但修復(fù)效果受工藝參數(shù)的影響非常大。在大壁厚不開坡口修復(fù)時(shí)，管道內(nèi)外側(cè)焊縫的成型控制難度很大，如工藝參數(shù)匹配不當(dāng)，將直接導(dǎo)致管道在活性劑作用下燒穿、裂紋熔不透、內(nèi)側(cè)焊縫成型不連續(xù)等現(xiàn)象的發(fā)生。利用活性TIG焊實(shí)現(xiàn)熱力管道不去除缺陷直接修復(fù)，并保證管道內(nèi)外側(cè)焊縫成型質(zhì)量，需要對焊接工藝參數(shù)和操作技巧進(jìn)行研究。本文對活性TIG焊修復(fù)6 mm壁厚的低碳鋼供熱管道裂紋的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，為后續(xù)活性TIG焊在熱力管裂紋修復(fù)中的應(yīng)用提供支持。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)設(shè)備采用山東奧太電氣有限公司的手工/氬弧兩用焊機(jī)，型號為WSM-400d。試驗(yàn)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(yàn)前去除鋼管外側(cè)的保護(hù)殼和保溫層，并將鋼管外側(cè)的鐵銹打磨干凈?；钚詣┻x用自制熱力管道修復(fù)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(fù)周向裂紋為研究對象，試驗(yàn)前采用適量有機(jī)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(shí)際應(yīng)用過程中，活性劑可以沿裂紋進(jìn)行涂覆。為了便于觀察焊道，采用從下往上的推焊法進(jìn)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(cè)焊縫成形情況，調(diào)整、優(yōu)化工藝參數(shù)并記錄操作要點(diǎn)。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(chǔ)，經(jīng)多次試驗(yàn)，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(diào)整主要的影響參數(shù)，實(shí)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(fù)，試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)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(dǎo)致管道裂紋熔不透，達(dá)不到裂紋修復(fù)的目的；另一方面管道容易被燒穿，反而適得其反。壁厚達(dá)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(cè)焊縫成形良好，實(shí)現(xiàn)難度非常大，需通過多次試驗(yàn)匹配、優(yōu)化工藝參數(shù)，才能獲得良好的修復(fù)成型效果。

圖3 試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)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(jié)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(yàn)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(jìn)行裂紋修復(fù)時(shí)，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(shí)現(xiàn)單道焊接修復(fù)，保證內(nèi)外側(cè)焊縫的成型，且在實(shí)際操作時(shí)不能形成熔孔，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，根據(jù)多次試驗(yàn)分析，要依靠控制焊接過程中熔池內(nèi)陷的程度來實(shí)現(xiàn)，熔池內(nèi)陷程度的控制需要嚴(yán)格的工藝參數(shù)和操作技巧來支撐。

活性劑涂覆 外側(cè)焊縫成型 內(nèi)側(cè)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(diào)整

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)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(fù)效率，試驗(yàn)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(diào)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。可以看出焊接速度調(diào)整后，管道燒穿的現(xiàn)象有明顯改善，但實(shí)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(rèn)為大幅提升焊接速度后，焊接操作時(shí)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(diào)整不及時(shí)也容易出現(xiàn)焊縫成形不連續(xù)的現(xiàn)象。

外側(cè)焊縫成形 內(nèi)側(cè)焊縫成形圖5 焊接速度調(diào)整效果

2.3 焊接電流與焊接速度匹配調(diào)整

總結(jié)先前試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，通過適當(dāng)提升焊接速度，減小焊接電流的方式，進(jìn)行工藝參數(shù)的匹配調(diào)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(diào)整為70 mm/min，焊接電流調(diào)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(yùn)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(yàn)結(jié)果對比分析和施焊操作分析，認(rèn)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(shí)隨著管道壁的彎曲進(jìn)行調(diào)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(cè)焊縫成形 內(nèi)側(cè)焊縫成形圖6 焊接電流、焊接速度匹配調(diào)整效果

2.4 焊槍角度調(diào)整

手工活性TIG焊修復(fù)管道周向裂紋時(shí)，焊槍的角度時(shí)刻要隨著焊接位置的變化調(diào)整，使焊槍在焊接點(diǎn)處與焊縫的夾角保持合理的角度。工藝參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)中，多次出現(xiàn)焊縫內(nèi)部成形不連續(xù)情況，及時(shí)調(diào)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(dāng)焊槍與焊接點(diǎn)處焊縫切線夾角始終保持在70°～90°之間時(shí)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(shí)，焊接過程中對熔池的觀察受到影響，所以焊接操作時(shí)將夾角控制在70°～80°即可。當(dāng)焊槍與焊縫角度大于90°時(shí)，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(cè)成形寬度相對較窄，而內(nèi)側(cè)成形余高較大，分析后認(rèn)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(dǎo)致。

外側(cè)焊縫成形 內(nèi)側(cè)焊縫成形圖7 焊槍角度調(diào)整效果

2.5 鎢極尖端夾角調(diào)整

要實(shí)現(xiàn)對裂紋的高質(zhì)量修復(fù)，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(shí)，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(yàn)將鎢極端部夾角由原來的45°提高到60°～90°進(jìn)行焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎢極端部夾角增加后焊縫變寬，內(nèi)側(cè)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(dāng)鎢極夾角在90°左右時(shí)焊接熔深減小，不利于裂紋深度方向的熔合；當(dāng)鎢極夾角在60°左右時(shí)外側(cè)焊縫變寬，且熔合效果較好，如圖8所示。

外側(cè)焊縫成形 內(nèi)側(cè)焊縫成形圖8 鎢極尖端夾角調(diào)整效果

2.6 弧長的調(diào)整

對于內(nèi)側(cè)焊縫余高的控制，除了調(diào)整鎢極尖端夾角之外，還可以通過調(diào)整弧長來實(shí)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(cè)余高明顯下降，焊縫外側(cè)成形也相對更寬、更平整。如果將焊接電弧調(diào)整在2～3 mm，焊縫外側(cè)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(cè)焊縫成形 內(nèi)側(cè)焊縫成形圖9 弧長調(diào)整效果

2.7 其它工藝參數(shù)調(diào)整

考慮到戶外作業(yè)的影響，往往通過增加保護(hù)氣體流量的方式來消除自然風(fēng)對焊接過程的影響。但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)保護(hù)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(hù)氣體流量適量增加，可以采用其它方式避免自然風(fēng)對焊接過程造成的影響，否則會影響活性TIG焊的焊接質(zhì)量?；钚詣┩扛埠穸葘附映尚我泊嬖谝欢ㄓ绊?，一般情況下活性劑涂覆層厚度以完全覆蓋焊道為準(zhǔn)，不宜過厚或者露出焊道金屬。焊槍與焊道兩側(cè)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(jìn)行適當(dāng)?shù)臄[動。

2.8 工藝參數(shù)綜合調(diào)整后焊接效果

綜合調(diào)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(fù)。外側(cè)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(cè)焊縫平整連續(xù)，未出現(xiàn)燒穿、熔池嚴(yán)重下墜、焊不透等焊接缺陷。

表1 綜合調(diào)整后的工藝參數(shù)

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

3 結(jié)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(fù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。供熱管道裂紋修復(fù)工藝過程繁瑣，將活性TIG焊應(yīng)用到管道裂紋修復(fù)中，可以在不處理原有裂紋的情況下直接進(jìn)行修復(fù)。

(2)對于6 mm壁厚的管道，在修復(fù)焊接中要實(shí)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(fù)效果的參數(shù)很多，通過試驗(yàn)匹配、優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接修復(fù)效果，是利用活性TIG焊修復(fù)熱力管道裂紋的關(guān)鍵步驟。

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