焊接工艺在撬装装备制造中的应用

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【摘要】将A-TIG焊接技术应用于撬装设备管道的自动焊接，对低碳钢和不锈钢管A-TIG自动焊的焊接工艺进行试验研究。试验结果表明，自行开发的管道A-TIG焊接活性剂和自动A-TIG焊接工艺，实现了壁厚≤6mm管道的不开坡口一次性焊透，所得焊接接头外观、无损检测、宏观微观金相和力学性能达到要求。该工艺已成功应用于撬装管道焊接，取得了很好的效果。

关键词：A-TIG自动焊；焊接熔深；焊接工艺；撬装；焊接变形

1.概述

近些年来国内外撬装装备制造企业越来越多，由于撬装装备上管道长度较短，管道柔性相对较差，所以对预制精度和焊接变形提出了更高的要求。而A—TIG（ActivatingfluxTIG）焊接法对于较薄壁厚焊件不需要坡口和组对间隙就可一次熔透，大大减小了变形，满足了撬装设备管道预制的要求。为了提高焊接效率和工艺稳定性将A—TIG焊技术实现自动化，用于撬装装备制造行业管道预制生产。用自行研制的活性剂通过一系列试验，终于获得各项性能指标合格的焊接接头，并成功应用于生产实践。

2.设备和材料

经过试验和大量生产实践证明，壁厚≤6mm的碳钢不锈钢管均可使用A－TIG焊工艺进行焊接。本文以母材为20钢和06Cr19Ni10，φ60mm×4.5mm、φ60mm×6.0mm、φ114mm×6.0mm三种规格的管子为例进行说明。A—TIG焊接后，焊缝正面会有凹陷，采用填丝自动TIG焊进行盖面。所用碳钢和不锈钢活性剂均为自行研制，活性剂的成分主要由氧化物和卤化物粉末组成。各组分为分析纯粉末状或颗粒状，各组分的要求符合JB/T11084—2001不锈钢和碳钢A—TIG活性剂的要求。尤其是颗粒度要求固体颗粒直径≤74mm。根据各组元对焊缝熔深的影响规律，调整各组元的百分含量，利用正交法得到了比较满意的配方。A—TIG焊活性剂使用方法如下：步骤1：将固体粉末A—TIG焊活性剂按每10g的20~30mL的工业丙酮进行配比，均匀混合。步骤2：待焊工件表面去油、去污，并打磨出金属光泽。步骤3：用干燥清洁的刷子沾取活性剂，均匀涂敷在待焊工件表面，以覆盖金属光泽为宜，涂层宽度约为10~20mm。步骤4：待丙酮挥发后，在30min内进行常规TIG焊。

3.焊接工艺

焊接工艺为自动A-TIG焊打底，自动TIG填丝盖面，低碳钢管采用I形坡口，无间隙组对焊接位置为管子水平转动。保护气流量为8~15L/min；电弧长度1~3mm。焊接环境温度不低于-5℃，环境湿度不高于90%RH。提前送气，滞后停气，收弧可采用减少焊接电流或减慢焊速多加焊丝完成。自动A—TIG焊打底时不需焊枪、不需摆动，自动TIG填丝焊时摆动。在A—TIG焊接过程中，需要注意焊接参数不能从始至终保持不变。开始焊接时管件温度低，往往开始有一小段不容易熔透，随着焊接的进行，管件的温度越来越高，如果保持焊接参数不变，很可能发生烧穿的危险。必须在施焊过程中不断调节参数，适当减小电流或适当增大焊接速度。在试验中发现，管子的厚度、直径不同，要使管子完全熔透焊接参数也不尽相同，管子完全熔透所用参数如附表所示。A—TIG焊接完成后要打磨，采用常规自动TIG焊填丝盖面，只需盖一层即可填满焊道。

4.熔深影响因素

根据试验的结果，截取宏观金相试样，观察熔透情况。图1试件的壁厚、焊接参数完全相同，但图1a试件施焊前焊缝处涂敷了活性剂，而图1b试件则没有，经比较发现，涂敷活性剂后焊缝的熔深明显加深，熔宽明显变窄。A—TIG焊缝的熔深还与焊接规范有关。图2管件材质规格完全相同，并且焊前都涂敷了活性剂，但焊接规范不同，两者焊接速度相同，图2a试件施焊电流为150~160A，代表了较大焊接规范，图2b试件施焊电流为110A-120A，代表了较小焊接规范。从图中可以看出，图2a比图2b焊缝的熔深明显加深，说明焊接规范越大熔深越深。

5.焊接接头性能

（1）焊缝外观及无损检测φ60mm×4.5mm、φ60mm×6mm和φ114mm×6mm三种管子用A—TIG打底之后，焊缝部位向下凹陷，焊缝表面有一层薄薄的黑色渣皮。用焊丝盖面之后焊缝光滑平整，纹路均匀。焊缝背面光滑平整，焊缝背面高度在0.5~1.8mm左右，焊缝正面高度在1.5~2.0mm。焊接变形量＜0.5mm，远低于常规方法焊接，如图3、图4所示。焊接接头的无损检测按NB/T47013—2015进行焊缝等级评定，X射线透照质量等级AB级，焊接接头经射线检测后达到了I级标准。（2）力学性能按GB/T228进行拉伸试验，按GB/T232进行弯曲试验试件的力学性能达到母材标准要求，说明活性剂的使用不影响焊接接头的力学性能。（3）宏观微观金相从宏观金相上看焊缝熔合良好，没有气孔、裂纹、夹渣、未焊透及未熔合等缺陷。从放大200倍之后的焊缝、热影响区的金相组织，可看出φ60mm×6mm的0Cr18Ni9管子A—TIG焊缝金属和热影响区组织为奥氏体+铁素体+少许沉淀物，φ60mm×6mm的20钢管子焊缝组织为铁素体+珠光体+贝氏体，热影响区组织为铁素体+珠光体，均没有发现微裂纹及影响性能的有害沉淀物，如图5~图8所示。

6.与常规TIG焊相比的优缺点

（1）优点①不需要加工坡口。②焊缝截面积小，节省了焊材。③一次熔透6mm，提高了效率。④由于该工艺不需要开坡口，组对无间隙，大大减少了焊接应力的不均匀性，也使管子在定位焊后基本失去径向变形的自由空间，所以相对于传统开坡口留间隙的焊接方法，该工艺大大减小了焊接变形。⑤应用于自动焊，工艺稳定性强。（2）缺点①对焊接参数较为敏感。在生产实践中，需要对每一种规格的管子都要进行试验，然后将参数固化下来。②对组对质量要求较高。管道组对错边量≤10%壁厚，管子截面要不留间隙贴合。做到以上两点，熟练焊工可达到98%以上的一次合格率。

7.结语

通过课题研究，成功开发了应用于撬装装备管道自动化预制的A—TIG焊接活性剂和自动A—TIG焊接工艺。经过试验和生产图520钢φ60mm×6mm焊缝金属微观金相图620钢φ60mm×6mm热影响区微观金相图706Cr19Ni10φ60mm×6mm焊缝金属微观金相图806Cr19Ni10φ60mm×6mm热影响区微观金相实践证明，只要操作方法得当，完全实现了壁厚≤6mm管道的一次性焊透，所得焊接接头外观、无损、宏观微观金相和力学性能符合要求，解决了撬装装备制造行业对管道焊接变形要求高的问题。不但提高了焊接效率，而且降低了坡口加工及焊接材料成本。

作者:芦威浩 张晓宁 徐久立 单位:新地能源工程技术有限公司装备集成分公司

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