孔慶勇

摘 ?要：針對中厚板焊接，高效深熔弧焊與傳統(tǒng)焊接方法相比能實現(xiàn)單面焊雙面成型，背面不需清根重焊，消除了清根以及清根打磨帶來的粉塵和噪音污染。高效深熔弧焊焊接過程的精確控制，可重復(fù)而穩(wěn)定的高焊接質(zhì)量從而實現(xiàn)焊接作業(yè)的自動化，大大提高了焊接效率，減輕了操作人員的勞動強度，減少了人力、焊材、能源的消耗。高效深熔弧焊成功應(yīng)用于化工裝備制造行業(yè)中，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：K-TIG ?雙面成型 ?碳弧氣刨 ?小孔效應(yīng) ?深熔

中圖分類號：TG456.9 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（b）-0050-03

Abstract： Deep penetration arc welding process can realize single-side welding and double-sided forming with higher efficiency compared with traditional welding methods， especially for medium and thick plate welding. In the process， back gouging and re-welding on the back side are not required， the associated dust and noise pollution can be eliminated accordingly. Due to precise control over the process ， high repeatable and stable welding quality can be achieved， which makes automated welding process come true and improves the welding efficiency significantly with great decrease of labor intensity，reduction of manpower，welding materials and energy. High efficiency deep penetration arc welding has been successfully applied in chemical equipment manufacturing industry， and good economic and social benefits have been achieved.

Key Words： K-TIG;Double-sided forming; Carbon arc air gouging; Keyhole effect; Deep penetration

國內(nèi)鍋爐、管道、壓力容器大型化工裝備制造中，基本要用到4.5～25mm中厚板。而這些中厚板焊接，通常采用埋弧焊（SAW）焊接，如鍋爐、LNG/LPG貯罐、運輸槽罐車、運輸半掛車的筒體縱、環(huán)焊縫的焊接。盡管許多廠家也采用了一些新工藝新方法，如對于鋼板≤8mm焊接時，采用等離子弧焊（PAW）、惰性氣體保護焊（TIG）、熔化極惰性/活性氣體保護焊（MIG/MAG）等焊接方法，但當(dāng)鋼板>8mm時，這些焊接方法就難以發(fā)揮優(yōu)勢，甚至已經(jīng)不適用了，因此當(dāng)鋼板>8mm情況下，仍然優(yōu)先采用SAW焊接方法。

采用SAW焊接時通常要做焊縫清根處理，即使在一些薄板采用不清根SAW中，焊縫余高超高問題，焊縫一次拍片合格率問題解決得并不理想。焊縫清根有碳弧氣刨、氧乙炔割炬、機械加工方法等，而大多公司常用的焊縫清根方法為碳弧氣刨。碳弧氣刨勞動強度大，生產(chǎn)效率低，對技能員工的依賴程度高，并且碳弧氣刨伴有煙霧、粉塵污染和弧光輻射，此外，操作不當(dāng)容易引起槽道増?zhí)肌A碳、粘渣、刨槽不正或深淺不均、刨偏、銅斑等缺陷。

隨著新型工業(yè)產(chǎn)業(yè)化道路的發(fā)展，充分發(fā)揮科技，提高勞動生產(chǎn)率，降低能耗，減少環(huán)境污染，充分發(fā)揮人力資源優(yōu)勢必然是各大制造業(yè)改造的方向和目標(biāo)。為此我司聯(lián)合Guangdong FrorWeld公司進行新型的高效深熔弧焊（下文稱K-TIG）的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以解決以上問題。

1 ?K-TIG特點及應(yīng)用

（1）高效深熔弧焊系統(tǒng)在自動化氬弧焊焊接系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行研發(fā)，是一種創(chuàng)新的鎢極氣體保護電弧焊（GTAW）。K-TIG系統(tǒng)包括一體化焊機（計算機嵌入式操作系統(tǒng)與高效逆變式氬弧焊機）、深熔弧專用焊槍、冷水機、焊接輔助工裝（縱/環(huán)焊縫焊接工裝、專機，多自由度機械臂等）及其他焊接配件（見圖1、圖2）;另外實現(xiàn)焊接自動化可對自動送絲機、焊縫自動跟蹤系統(tǒng)、自動弧長裝置、焊縫成像系統(tǒng)等進行選裝。

常規(guī)非熔化極惰性氣體保護焊（TIG）通常為φ1.6～4.0mm細(xì)鎢棒，鎢極載流能力限制，電弧功率較小，比如φ1.6mm鎢棒通常可承載電流50～160A。由公式ρ=--RS-L， 推導(dǎo)得出I=--US-ρL，根據(jù)設(shè)定的電壓值，載流的電流就越大，鎢棒的截面積就需要越大。

上述公式中，ρ為電阻率;R為電阻值;S為橫截面積;L為導(dǎo)線的長度;I為電流;U為電壓。鎢熔點（3410±20）℃;18℃時電阻率為0.0532Ω·m。

K-TIG輸出電流范圍為50～1000A，輸出空載電壓為（23±3）V。因此K-TIG設(shè)計采用φ6.4mm鈰鎢粗鎢棒，即使在鎢棒從導(dǎo)電咀干伸10mm情況下，依然可承受1300A的電流。常規(guī)TIG焊接，由鎢極發(fā)射出來的自由電弧，這種電弧形態(tài)上為圓錐形。在4000～10000K的溫度區(qū)域延展過于寬大，因而有很大一部分能量散射到周圍環(huán)境，并且輻射的最高溫度由于太靠近陰極而不能被利用。在TIG焊中這個溫度區(qū)適當(dāng)增加表層的熔寬，為焊縫和母材之間提供了一個緩沖帶，使穿透能力變小，工藝受到限制。K-TIG配以粗鎢棒、大直徑噴嘴的專用焊槍，在深熔焊機控制系統(tǒng)控制下，驅(qū)動大電流產(chǎn)生強勁的電弧壓力，在焊槍特有的設(shè)計功能、電機特性以及焊弧內(nèi)部的自感作用下使電弧徑向收縮;自由電弧能在4000～10000K的溫度延展區(qū)域收縮狹窄，使更集中更密集的能量束過渡到工件，得到更深的“熔透”焊接，直至產(chǎn)生類似小孔效應(yīng)對工件進行穿透焊接;并由精密的計算機系統(tǒng)（電弧壓力模塊、焊接電流平衡模塊和焊接信號反饋模塊）對焊接過程進行實時的調(diào)整控制，使電流形成的電弧力與液體金屬靜壓力、表面張力保持熔池的動態(tài)平衡。TIG與K-TIG如圖3對比。

（2）我們針對碳鋼厚度4～16mm，不銹鋼厚度8～16mm進行了大量試驗去驗證，并將K-TIG應(yīng)用在LPG運輸罐車/半掛車和LNG運輸罐車/半掛車生產(chǎn)中，達到中厚板焊接無需清根效果。

焊接采用K-TIG-1000高效深熔弧操作系統(tǒng)與HTIG-1000高效逆變式氬弧焊機組成的一體化焊接系統(tǒng)。我們利用K-TIG進行打底焊接，背面全焊透雙面成型無需清根，而蓋面層采用埋弧焊（SAW）或者TIG填絲焊接。

采用K-TIG打底，坡口形式分幾種情況。

①碳鋼薄板≤8mm，不銹鋼≤12mm，不開坡口焊接，如圖4（a）所示。

②碳鋼>9mm板，不銹鋼>12mm進行開“V”（Y型）坡口，坡口角度60°～70°，鈍邊7～9mm，間隙0～1.5mm。K-TIG打底焊接時分為在坡口面焊接和在坡口背面焊接兩種情況，如圖4（b）（c）所示。

在焊接過程中發(fā)現(xiàn)，無論是開或不開坡口，從正面或背面K-TIG未填絲打底焊接后，正面焊縫邊緣熔合線附近區(qū)呈現(xiàn)咬邊，或焊縫中間區(qū)少量內(nèi)凹塌陷（未焊滿）以及收弧小坑（對于有色金屬出現(xiàn)多為咬邊，黑色金屬出現(xiàn)多為內(nèi)凹），如圖5、圖6所示。這是由于K-TIG形成的小孔效應(yīng)（見圖7），接頭母材自熔形成焊縫，未進行填絲焊接，熔敷金屬不足，接口間隙未得到補償造成的。在焊接厚板時，為了達到背面熔透又不焊穿，K-TIG隨著弧長的增加，其正面熔寬增大，而熔深減小，焊縫截面形狀呈長U形接近V形，如圖8所示（類似于等離子弧焊的“酒杯”狀）。正面焊縫寬度通常為板厚度的1.5倍左右，而背面只有2～3mm寬的小而窄的焊縫。

K-TIG屬于明弧焊接，能清楚觀察電弧及熔池，電弧燃燒穩(wěn)定，無飛濺，焊后不須去渣，所以利用K-TIG進行打底焊接，可實現(xiàn)免清根。K-TIG單面焊雙面成型相對于SAW清根焊接，在時間對比上（假設(shè)號料、卷制、組對、焊接準(zhǔn)備時間不變）K-TIG減少了SAW清根焊接所需的碳弧氣刨與砂輪打磨時間;減少了碳弧氣刨的噪音、煙霧、弧光輻射、粉塵等環(huán)境污染，改善勞動條件（K-TIG焊接時是明弧，增加了弧光輻射），并且減少了人力、焊材、能源的消耗，大大提高了焊接效率，減輕了操作人員的勞動強度。

對于在K-TIG打底焊接后出現(xiàn)的咬邊和凹陷未焊滿，仍須再用TIG填絲或者SAW等焊接方法進行蓋面焊接，才能保證焊縫外觀的良好成型，符合鍋爐、壓力容器要求的焊接接頭表面不得有弧坑、未填滿缺陷。

構(gòu)件組裝的質(zhì)量影響焊縫的全熔透性與外觀形狀，間隙均勻度對焊縫的邊緣直線度，錯邊量則對焊縫的熔透和余高差皆有影響。K-TIG的容錯率比等離子弧焊高，但焊接構(gòu)件的間隙及錯邊量仍需控制在2mm以內(nèi)，對比原適用于埋弧焊焊接的一些組裝要求，K-TIG對筒體的坡口及組對質(zhì)量則相對要嚴(yán)格許多?？刂坪煤秆b配質(zhì)量，背面這焊透的2～3mm寬自由成型焊縫是均勻美觀的，這與我們試驗以及在LPG運輸罐車/半掛車和LNG運輸罐車/半掛車的筒體縱縫、環(huán)縫制造生產(chǎn)中的結(jié)果是一致的。

2 ?結(jié)語

K-TIG是經(jīng)嚴(yán)格的焊縫檢測證實的高質(zhì)量焊接方法，焊縫美觀，變形量小，母材的化學(xué)成分變化小，保證焊接接頭的力學(xué)和機械性能。K-TIG焊接有著卓越的可重復(fù)生產(chǎn)性能，操作簡單，操作工人經(jīng)過2d培訓(xùn)便可獨立操作;操作速度快，可實現(xiàn)焊接過程自動化。碳鋼≤8mm，不銹鋼≤12mm，不開坡口焊接;碳鋼>9mm板，不銹鋼>12mm進行開“V”（Y型）坡口，能實現(xiàn)單面焊雙面成型，背面無需清根，減少了焊縫后續(xù)處理的工作量;配合SAW蓋面焊接或者其他焊接方法添加焊材便可實現(xiàn)凸焊縫，必要時可同步焊接蓋面。

K-TIG焊接自動化，焊接效率高，能耗低，操作簡單，是中厚板焊接良好的選擇。

參考文獻

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 機械工業(yè)技師考評培訓(xùn)教材編審委員會編.焊工技師培訓(xùn)教材[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 焦馥杰.焊接結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1990.

[4] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接結(jié)構(gòu)（修訂本）[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5] 傅積和，孫玉林.焊接數(shù)據(jù)資料手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.