大口径厚壁钢管全位置窄间隙热丝焊技术

　　徐祥久张宇黄超陈怡
　　摘要：针对钢管环缝全位置焊接的特点，分析了厚壁大口径钢管环缝焊接的工艺难点，讨论了首层焊接时熔池金属的受力状态。采用专用全位置窄间隙热丝TIG焊接设备，利用钨极运动和分区段工艺参数的设定，克服了厚壁大口径管全位置焊的难点，获得了无缺陷的优良全位置焊接接头。
　　关键词：大口径管；全位置；窄间隙；热丝TIG焊
　　中图分类号：TG444。74
　　Abstract：Accordingtothepeculiarityofallpositionwelding，thedifficultiesincircularseamweldingoflargediameterheavywallsteelpipewereanalyzed。Theforceonweldpooloffirstlayerwasdiscussed。WeldjointwithoutdefectsweregainedbyuseingspecialallpositionnarrowgaphotwireTIGweldingequipment，whichconqueredthedifficultiesbyemployingthemovementoftungstenelectrodeandsettingprocessingparameters。
　　Keywords：largediameterpipe；allposition；narrowgap；hotwireTIGwelding
　　0前言
　　由于15CrMoG、12Cr1MoVG、SA335P91等低合金钢大口径管具有优良的高温使用性能，被广泛应用于火力发电站锅炉的高温压力结构中〔13〕，如锅炉集箱筒体、主蒸汽管道、再热蒸汽管道等重要部件。在这些部件的制造与安装过程中，会产生大量的环形对接焊缝，以满足电站锅炉产品的结构要求。对于这些部件在锅炉制造厂内的直管拼接，一般可采用焊接滚轮架配合，在平焊位置实现焊接。然而对于弯管的环缝，或者直管现场安装时的环缝，焊接时工件无法转动而不能实现平焊，因此有大量的环缝是在全位置进行焊接。目前对于这些环缝的全位置焊接采用的主要是手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充并盖面焊的工艺方法〔4，5〕。这种焊接生产方式效率低，工人劳动强度高，焊缝质量受焊工操作水平影响大，焊接材料消耗量大。大口径管全位置窄间隙热丝TIG焊接技术正是为改变这种落后的生产方式而开发出来的一种新技术。
　　1焊接结构分析
　　对于位置固定的大口径管环缝，在同一条焊缝焊接过程中会同时存在平焊、立焊和仰焊等位置的焊接操作，而且同时存在立向下焊和立向上焊情况（图1）。由于重力的作用，焊接过程中熔池形态随着焊接位置的变化会产生较大的变化，这种重力的作用将直接影响着焊缝的最终成形与内在品质。因此在焊接过程中需在不同的位置采用不同的工艺参数，以保证在整个圆周方向上均获得优良的焊缝。
　　1。1首层焊接要求
　　由于空间小而无法在大口径管内部进行焊接操作，为了保证环缝的全焊透，在外部进行环缝的首層焊接时，要求实现单面焊双面成形。而这种单面焊双面成形为无背面衬垫的自由成形，焊接时主要依靠液态金属的表面张力来实现，使之在自由状态实现焊缝的背面成形。这种自由成形的难度在于对熔池温度、体积及电弧停留时间的要求较高，否则极易产生烧穿或未焊透缺陷，对于全位置焊则更加难以控制。图2为首层焊接时熔池金属的受力情况示意图（仅示出平焊和仰焊位置）。
　　2a的熔池金属受力可以表示为：FG，其中为熔池金属的表面张力在竖直方向的分量，F为电弧对熔池的作用力，G为熔池金属所受的重力。当熔池尺寸增加时，表面张力增加，同时熔池体积增加，而且这种熔池体积增加带来的重力增量远大于表面张力增量，当熔池体积增加到表面张力小于电弧作用力与熔池重力之和时，熔池将会下沉，导致焊缝背面余高过大或熔池金属突然坠落产生焊穿现象。图2b可表示为：FG，当熔池尺寸增加时，表面张力和熔池体积均增加，若电弧对熔池的作用力小于表面张力与熔池重力的和，则熔池中液态会出现下沉，焊缝背面出现凹坑、咬边等缺陷或熔池流淌散落损坏钨极。
　　全位置焊接时，在整个圆周方向重力、表面张力、电弧力对熔池的作用是连续变化的，而且这些力均与焊接参数有关，当焊接电流、电压发生变化时，这些力的大小会随之变化。因此焊接过程中需根据熔池所在位置的不同设定不同的焊接参数，既要保证焊缝根部全焊透，又要保证熔池的稳定和焊缝的成形。
　　1。2窄间隙坡口
　　对于厚壁管，特别是壁厚大于30mm的大口径管，为了减少焊缝金属的填充量，提高生产效率、降低生产成本，需要加工窄间隙焊接坡口，焊接时每层只需焊接一道。这种窄间隙焊接坡口宽度一般为10～15mm，坡口面角度一般为0。5～2。0，随着坡口的填充焊接，坡口宽度会不断收缩，坡口面与工件表面接近垂直。因此就要求所采用的焊接工艺及设备能保证坡口侧壁的完全熔合。
　　大口径钢管外径会存在一定的椭圆度，且管径越大椭圆度越大，也就是说焊接过程中，不同位置的坡口深度是不同的。另外焊接坡口机械加工和装配的尺寸会存在一定的误差。这就需要在焊接过程中，焊接机头能自动识别焊接坡口深度，保证电弧长度始终在合理的范围内，同时还能自动识别坡口中心位置，以保证获得坡口两侧均熔合良好的优良焊缝。
　　2原理与设备
　　2。1全位置焊原理
　　对于位置固定的大口径无缝钢管环缝焊接，所采用的全位置窄间隙热丝TIG焊接设备，是通过行走小车沿固定在钢管上的轨道转动，窄间隙热丝TIG焊枪在行走小车的带动下对焊缝进行全位置焊接。与常规热丝TIG焊相同，通过热丝电源对焊丝进行预热，提高焊接过程中焊丝的熔化速度，增加单位时间内焊缝金属的熔敷量〔6〕。
　　2。2设备组成
　　采用大口径管全位置窄间隙热丝TIG焊接设备进行焊接，该成套设备主要由焊接电源（含热丝电源）、过程控制器、水冷系统、焊接机头、行走小车以及行走轨道等部分组成（图3）。
　　采用直流窄间隙热丝TIG焊接技术，焊接过程中，管件固定不动，行走小车搭载窄间隙焊接机头沿轨道方向行走，实现大口径厚壁管的全位置窄间隙热丝TIG焊接。
　　2。3设备功能与特点
　　全位置窄间隙热丝TIG焊接设备行走小车可沿轨道进行360旋转运动，焊接时可在正、反两个方向进行切换，由于每个方向均有一个送丝系统，这样便免除了单一方向焊接电缆缠绕后反向空转的过程，且正、反两个方向交替进行焊接，可有效减小焊接应力。
　　为了更好的保证深坡口侧壁的熔合，焊接过程中钨极可进行左右摇动，并可在极限位置驻留一定的时间。实际焊接时钨极的位置是不断变化的，图4a为焊接时钨极位置示意图，图4b为钨极安装照片。这种连续摇动可有效保证坡口侧壁熔合，每层均能获得圆滑的凹状笑脸形焊缝成形。更為重要的是在不断的摇动过程中，控制系统可根据电弧电压对钨极位置进行跟踪，即可同时捕捉坡口左、右侧壁和高度三个方向的电弧压力反馈，通过这些反馈信号，焊枪可不受加工和装配精度的影响而自动保持在坡口中心位置。
　　焊接机头除可进行钨极摇动外，还可进行水平摆动，以满足焊缝宽度要求。例如盖面焊接时，同时开启设备的摇动和摆动功能，便可一次完成盖面宽焊道的焊接。同时在钨极摇动、摆动焊接时，焊丝也随之运动，使焊丝始终能送入到熔池最佳位置，增大了电弧热的利用率。
　　设备配有离线编程功能，可通过计算机编制焊接控制程序，然后导入焊接过程控制器进行应用。为了更好的控制全位置焊接过程中的焊缝成形，可根据不同位置熔池的受力情况分区段进行焊接参数设定，克服重力等因素对焊接过程带来的不利影响。
　　3焊接工艺
　　根据上述设备的能力与特点采用图5所示的焊接坡口形式进行焊接。焊接时首先采用全位置焊设备将组对好的工件进行点焊，根据工件直径和重量确定点焊的数量，一般为3～5点，每点长度约10mm。然后进行全位置打底焊，从工件最高点（平焊位置）引弧，焊接口机头沿同一方向进行运动，经360旋转后返回至引弧点，为了更好的搭接，一般再焊接3～5后熄弧。然后再反向焊接下一层，这样正向、反向交替进行焊接，直至填满整个焊接坡口，最后进行盖面焊接。焊接过程中根据坡口宽度和钨极长度调整摇动角度，以保证坡口两侧均熔合良好，盖面焊接时同时开启摇动和摆动功能，保证最终焊缝的成形饱满、平滑。
　　在进行分区段焊接工艺参数设定时，应根据不同的焊接位置对焊接参数进行修正，下坡焊位置最容易控制焊缝成形，可适当增加焊接电流和送丝速度。而在上坡焊位置对焊缝成形的控制最为困难，应将焊接电流减小10～20A，同时将电弧电压和送丝速度适当减小，使焊丝准确送入熔池，且熔池中液态金属不倒流，从而保证上坡焊时的焊缝成形。焊接工艺参数的修正应连续平缓过渡，以免引起焊缝形貌的突变。
　　对于不同的焊接材料的大口径管焊接参数会有较大的差异。例如，碳钢材料液态金属流动性好，焊接时应采用较小的热输入和较低的送丝速度，防止焊接过程中熔池金属流淌。而对于不锈钢材料，可适当采用稍大些的焊接参数，但应严格控制层间温度在合理的范围内。对于要求焊前预热温度较高的低合金钢，焊接时还应考虑预热温度对熔池的影响。实践表明，采用大口径管全位置窄间隙热丝TIG焊接技术，应控制单层焊缝厚度在1。5～2。5mm范围内，才能保证所获得的焊缝成形美观、性能优良。
　　采用全位置窄间隙热丝TIG焊工艺，分别焊接了20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、SA335P91共4种电站锅炉常用材料厚壁（壁厚范围为40～70mm）大口径管环缝，焊缝经UT和RT检测均合格。图6为焊缝表面形貌照片。
　　相对于可转动的工件采用埋弧焊方法在平焊位置进行焊接，这种全位置窄间隙热丝TIG焊接的效率明显偏低，但与采用焊条电弧焊方法的全位置焊接效率一致。
　　采用窄间隙全位置热丝TIG焊接方法，可弥补埋弧焊无法全位置焊接的缺点，并可克服焊条电弧焊手工操作质量不稳定的问题，并且可极大地降低工人劳动强度。同时，对于全位置焊接，这种正、反两个方向交替焊接的窄间隙焊接方式，更有利于减小焊接接头的应力。
　　4结论
　　根据大口径钢管环缝全位置焊接结构，讨论了首层焊接时熔池金属的受力状态，分析了厚壁钢管环缝全位置焊接的难点。
　　采用专用的全位置热丝TIG焊接设备，通过钨极运动和分区段工艺参数设定，克服了厚壁大口径管全位置焊的困难，对不同材料厚壁大口径管环缝进行焊接，获得了无缺陷的优良全位置焊接接头。
　　参考文献
　　〔1〕袁超，胡正飞，吴细毛。热电厂15CrMo钢管高温蒸汽氧化腐蚀机理研究〔J〕。材料热处理学报，2012（增刊）：9095。
　　〔2〕吴志亚，张建军。P91集箱与12Cr1MoV端盖的焊接技术〔J〕。焊接，2009（6）：4850。
　　〔3〕张缓，张宏伟，王世强，等。超临界机组TP91集箱管座焊接工艺研究〔J〕。热加工工艺，2012，41（21）：210212。
　　〔4〕赖寿祝。SA335P91钢的焊接〔J〕。焊接，2001（8）：2123。
　　〔5〕吕宏斌，李汉清。SA335P92钢焊接技术试验研究〔J〕。广东电力，2012，25（3）：4851。
　　〔6〕杨春利，林三宝。电弧焊基础〔M〕。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003。