張忠海，李志杰，高賀，王偉波

(1.中國第一重型機(jī)械集團(tuán)大連加氫反應(yīng)器制造有限公司遼寧大連116113;2.中廣核工程有限公司廣東深圳518124)

0 前言

母材為低合金鋼(16MND5)，焊接深度達(dá)160 mm，導(dǎo)致焊接熔池不易觀察，給焊接質(zhì)量帶來不利影響，同時(shí)焊縫坡口深，熔敷金屬量大，焊接周期長，焊接過程中缺陷產(chǎn)生的機(jī)率較大，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，需單面焊雙面成形，難以控制。

以往低合金鋼焊接根據(jù)不同的焊接厚度選取窄間隙埋弧焊，焊條電弧焊等焊接方法。窄間隙埋弧焊焊接工藝成熟［1］，在熔渣的保護(hù)和凈化作用下有助于形成無缺陷的焊縫金屬，焊接效率高，是以往低合金鋼大厚度焊縫首選的焊接方法，然而相對較大體積的熔渣和熔池限制了窄間隙埋弧焊只能用于水平位置的焊接，由于本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所限，只能采用橫焊位或全位置進(jìn)行焊接，導(dǎo)致無法采用窄間隙埋弧焊。焊條電弧焊操作靈活，可實(shí)現(xiàn)不同位置、不同工況的焊接，但由于產(chǎn)品厚度較大，整根焊條不能全部熔敷，導(dǎo)致焊道起收弧多，冷裂紋幾率增大，焊條浪費(fèi)嚴(yán)重，人為影響因素大等諸多問題。

鎢極氣體保護(hù)焊(TIG)適用于薄板焊接，以往只用來焊接不銹鋼、鎳基等材料，目前沒有類似焊接低合金鋼的經(jīng)驗(yàn)。TIG焊熔敷效率低，過大的焊接電流會引起鎢極的熔化，導(dǎo)致在焊縫金屬中夾雜鎢，使焊縫金屬中產(chǎn)生脆的缺陷。使用熱絲TIG焊可提高熔敷速率［2］。熱絲TIG焊設(shè)備可配備攝像裝置，用于裝配及調(diào)整焊槍位置，機(jī)械化程度高，可在高溫下不間斷焊接，氣體保護(hù)效果好，可適用于窄坡口。

2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1 試驗(yàn)用材料及其性能

工藝試驗(yàn)共焊接4個試件，其中2件母材選用Q235，2件選用16MND5;焊接材料均為低合金鋼焊絲，牌號TG－S620，規(guī)格φ1.2 mm。16MND5和TG－S620的化學(xué)成分見表1，主要力學(xué)性能見表2。

表1 母材及焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 材料的力學(xué)性能

2.2 試件規(guī)格及數(shù)量

工藝試驗(yàn)共4個試件，尺寸為φ外834 mm/φ內(nèi)514 mm×220 mm。其中母材為Q235的2件試件用于驗(yàn)證焊接設(shè)備、加熱方法、坡口尺寸及焊接參數(shù)等。母材為16MND5的2件試件與產(chǎn)品材料相同，經(jīng)過工藝調(diào)整后，進(jìn)行焊接，驗(yàn)證工藝方法的穩(wěn)定性、無損檢驗(yàn)及相關(guān)力學(xué)性能。

2.3 焊接方法及設(shè)備

工藝試驗(yàn)采用熱絲TIG焊方法進(jìn)行焊接，焊接位置為橫焊位，焊接設(shè)備為Polysoude PC600交直流氬弧焊機(jī)，窄間隙焊槍。

3 試驗(yàn)過程

3.1 Q235 工藝試驗(yàn)

3.1.1 裝配

試件按圖1所示加工焊接坡口。

試件裝配前將每個試件的坡口及坡口邊緣50 mm的范圍內(nèi)用丙酮擦拭干凈，避免雜質(zhì)元素在焊接過程中形成氣孔、冷裂紋。

將試件放在墊鐵上進(jìn)行裝配，滿足錯邊量≤0.5 mm，在試件內(nèi)徑點(diǎn)焊固定。試件裝配牢固后裝配焊接導(dǎo)軌，焊接導(dǎo)軌采用引管形式，由于橫焊位焊接，裝配較方便，經(jīng)調(diào)整后滿足位置公差≤1 mm。位置度的嚴(yán)格控制有利于焊接過程中熔池形態(tài)的穩(wěn)定，避免焊接缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)保證單面焊雙面成形，試件裝卡如圖2所示。

圖1 原坡口形式示意圖(mm)

圖2 試驗(yàn)件裝卡示意圖

3.1.2 預(yù)熱

焊接過程中要求預(yù)熱溫度≥150℃，由于需要單面焊雙面成形，選擇2個加熱噴管在底部進(jìn)行預(yù)熱，噴管并未直接對母材進(jìn)行加熱，所以試驗(yàn)件預(yù)熱均勻，保證焊縫裝配尺寸均勻。

3.1.3 焊接

采用熱絲TIG橫焊位進(jìn)行試件焊接，直流正極焊接工藝參數(shù)見表3。焊接首層時(shí)，調(diào)節(jié)鎢極距試件待焊部位的高度為2 mm后起弧，焊接參數(shù)較小，防止根部燒穿，其余各層的焊接可適當(dāng)調(diào)整。

焊縫至少前4 mm進(jìn)行增加坡口背面氣體保護(hù)，焊接后焊道保護(hù)良好，呈現(xiàn)金屬光澤。首層單面焊雙面成形效果較好，滿足要求，見圖3。

焊接過程中，嚴(yán)格控制層間溫度150～250℃，每個焊道表面必須連續(xù)，并與鄰近焊道表面平滑過渡。焊道與坡口側(cè)壁的熔合情況至關(guān)重要，熔合良好的焊道應(yīng)當(dāng)為飽滿、凸起的，與側(cè)壁不應(yīng)有凹槽的存在。如焊道有局部搭接不好部位，使用長桿風(fēng)銑進(jìn)行打磨處理。焊接時(shí)注意保護(hù)氣體氣壓是否正常，氣壓不足時(shí)應(yīng)立即停止焊接并更換氣瓶。

通過Q235試驗(yàn)件的焊接，驗(yàn)證了該工藝的裝配方法、預(yù)熱方式、焊接要求及焊接規(guī)范等均滿足相關(guān)要求，但其坡口尺寸根部R角尺寸和上口寬度需要進(jìn)行修改，以滿足產(chǎn)品焊接需求，R角尺寸由原先R5 mm修改為R4 mm，上口寬度有原先12 mm修改為9 mm，重新設(shè)計(jì)后的坡口形式如圖4所示。采用改進(jìn)后的坡口形式，焊道容易排布，熔敷金屬僅為原坡口焊接熔敷金屬的3/4，顯著降低了焊接成本，提高焊接效率，有效的降低了產(chǎn)品焊縫的不合格率。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖3 背面成形情況

圖4 坡口形式示意圖(mm)

3.2 16MND5 工藝試驗(yàn)

16MND5試件采用重新設(shè)計(jì)的坡口形式，驗(yàn)證過的裝配方法、預(yù)熱方式、焊接要求及焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了裝配、焊接。16MND5試驗(yàn)件焊接完成后進(jìn)行了615℃±15℃ ×29 h的消應(yīng)力熱處理。在300℃以上的升、降溫速度不高于55℃/h。

4 無損檢驗(yàn)和力學(xué)性能檢驗(yàn)

4.1 外觀檢測

試件焊接完成后進(jìn)行焊縫表面目視檢查，確認(rèn)無縮孔、弧坑、裂紋、氣孔、咬邊、氧化皮和其它有害缺陷。試件整體高度收縮1.6 mm，坡口收縮3.5～4 mm。

4.2 無損檢驗(yàn)

試驗(yàn)件焊接完成后，對焊縫表面進(jìn)行100%磁粉檢驗(yàn)(MT)、對整個焊縫進(jìn)行100%超聲波檢驗(yàn)(UT)和射線檢驗(yàn)(RT)，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足相應(yīng)要求。

4.3 力學(xué)性能檢驗(yàn)

對試件進(jìn)行接頭拉伸、彎曲及沖擊等破壞性檢驗(yàn)，結(jié)果見表4及表5。破壞性檢驗(yàn)結(jié)果均滿足相應(yīng)要求。

表4 接頭拉伸性能

4.4 金相檢驗(yàn)

對接頭進(jìn)行宏觀及微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)宏觀無任何裂紋、未焊透、未熔合以及尺寸不合格的氣孔，微觀不存在微觀裂紋和影響接頭性能的沉淀物，微觀金相照片見圖5和圖6。檢驗(yàn)結(jié)果合格。

圖5 熱影響區(qū):貝氏體回火組織+少量鐵素體

圖6 焊縫:貝氏體回火組織+鐵素體

5 結(jié)論

⑴低合金鋼環(huán)縫采用熱絲TIG焊，通過外觀檢測、無損檢測、力學(xué)性能檢測，結(jié)果滿足技術(shù)條件要求。

⑵通過工藝的固化，該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于壓力容器相應(yīng)部位焊接，外觀和無損檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 許江曉，劉曉林.熱絲TIG全位置自動焊工藝參數(shù)的匹配［J］.焊接技術(shù)，2011，40(7):38 －42.