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1、窄间隙脉冲热丝窄间隙脉冲热丝 TIG 焊在集箱环缝焊接中的应用焊在集箱环缝焊接中的应用 刘自军 潘乾刚 东方锅炉 集团 股份有限公司 自贡 643001 摘摘 要要 本文介绍了窄间隙脉冲热丝TIG焊在集箱环缝焊接中技术难点 工艺试验情况 并通过试验确定了合适的坡口型式 得到了合理的焊接工艺规范 选择了匹配的焊接材料 焊接质量较好目前已在生产中推广应用 关键词 窄间隙脉冲热丝 TIG 焊 集箱环缝 1 试验背景试验背景 筒身环缝拼接是锅炉集箱制造的关键 焊接工序 常规集箱筒身规格为 219 1000 壁厚为 18 135mm 材料为碳钢 低合金耐热钢和高合金耐热钢 这类集箱 环缝拼接一般采用手工
2、钨极氩弧焊 焊条 电弧焊 埋弧自动焊工艺 随着大容量高 参数锅炉的发展 锅炉集箱的直径越来越 小 材料等级越来越高 在 1000MW 超超 临界锅炉中 有大量的小直径 190 355 壁 厚 20 70mm 材 料 为 SA 335P91 SA 335P92 的集箱 这类小 直径 高等级材料的集箱环缝焊接如果采 用埋弧焊工艺 由于直径较小 壁厚大 焊接过程中容易出现金属熔池的流淌从而 产生焊接质量问题 同时埋弧焊焊接材料 开发和采购困难很大 当然也可采用手工 焊方法 但效率低 工人劳动强度大 焊 缝合格率低 目前国内其他锅炉厂在这类 集箱环缝焊接一般采用埋弧自动焊或手工 电弧焊焊接 在国外发达
3、国家如日本 法 国等一般采用窄间隙热丝 TIG 焊进行焊 接 焊接质量较好 窄间隙脉冲热丝 TIG 焊是一种优质 高效 的焊接方法 它具有焊接质量好 焊接过 程稳定 与窄间隙埋弧焊相比 其填充金 属量仅为其 1 2 可以提高焊接效率节约 焊接材料 同时焊接过程中没有熔滴过渡 合金元素烧损少 因此对焊丝质量要求相 对较低 尤其是在高等级材料的焊接中 与埋弧焊相比其焊接材料的选择更为容 易 目前国外窄间隙热丝TIG焊按钨极是否摆 动主要分为三大类 见图 1 每种方法各 有优缺点 1 每层单道钨极摆动焊 其优点是坡口加 工精度相对较低 焊炬可达性好 缺点是 焊炬结构复杂 控制系统较复杂 生产效 率较
4、低 侧壁熔深较浅 2 每层两道钨极摆动焊 其优点是坡口范 围较宽 坡口加工精度相对较低 缺点是 生产效率较低 AVC 控制较复杂可靠性较 差 每层单道钨极摆动 每层两道钨极摆动 每层单道钨极不摆动 图 1 窄间隙热丝 TIG 焊分类 3 每层单道钨极不摆动焊 其优点是焊炬 结构简单 控制系统不复杂 易于操作 生产效率高 侧壁熔合较好 缺点是焊接 工艺调节难度大 坡口加工精度要求高 综合考虑 我公司决定选择第三种方法为 此公司于去年从法国 POLYSOUDE 公司 引进窄间隙脉冲热丝 TIG 焊机 其原理见 图 2 焊接电源为 PC600 电流在 460A 时 暂载率为 100 热丝电源为直流
5、最大容量为 250A 可焊最大壁厚达 150mm 产品规格为 190 355mm 最 大重量为 5 吨 图 2 窄间隙热丝 TIG 焊设备原理图 2 技术难点技术难点 2 1 焊缝的坡口型式 在窄间隙TIG焊根部打底时既要焊透同时 又不能烧穿 因此坡口需要有合适的钝边 同时在焊接过程中由于在坡口里面焊接时 焊枪不摆动 加之TIG焊的规范调整有限 因此焊接时对坡口圆弧半径R及坡口角度 要求较高 在焊接时每焊一层坡口都有一 定的收缩 窄间隙热丝焊的理想状态是每 一层焊缝宽度几乎相等 因此需要根据不 同材料及规格的产品确定合适的坡口角 度 以使焊接过程中焊缝宽度变化与工艺 参数相匹配 保证焊接质量
6、2 2 焊接工艺参数的匹配 根部打底焊的工艺参数应与坡口型式相匹 配 保证根部焊接质量 在其它层焊接时 由于坡口间隙的变化直接影响到侧壁的熔 合情况 因此其焊接规范与焊缝坡口间隙 的变化匹配是很重要的 2 3 钨极夹角 钨极 焊丝夹角 钨极 焊丝 距离及与管子的偏移距离等固定参数的调 节 这些参数直接关系到焊接过程的稳定 焊 缝成型及焊接质量 因此合理调节这些参 数是得到满意焊接质量的重要保证 2 4 焊接材料匹配试验 高合金耐热钢的焊接接头不但要保证常温 力学性能的要求 更重要的是要保证其高 温持久强度以及高温抗氧化性符合要求 因此所选择的焊接材料不但要满足母材常 温性能的要求 同时还要满足
7、母材的高温 性能 另外窄间隙热丝 TIG 焊焊接电流较 大 焊接速度慢 同时有热丝电流 因此 焊接过程中热输入量较大 焊缝金属结晶 的方向性较强 焊缝偏析较严重 从而会 影响焊接接头的性能 因此对焊接材料的 要求较高 3 焊接工艺试验焊接工艺试验 试验材料分别为 SA 335P91 219 40 273 20 20G 325 55 12Cr1MoVG 194 20 下 面 以 SA 335P91 化学成分及力学性能见表 1 规格为 219 40 为例进行介绍 其坡口型 式见图 4 焊接材料为 Thermanit MTS3 化 学成分见表 2 1 0 由于 TIG 焊为低 氢型焊接方法 因此我们
8、将预热温度降至 150 3 1 焊缝坡口型式的确定 每层单道不摆动窄间隙热丝TIG焊坡口间 隙的理想状态如图 3 由图可以看出 坡 口表面间隙始终收缩变小 施焊位置的坡 口间隙保持不变从而每层焊缝宽度一致 通过试验我们选择图 4 所示的坡口型式 表 1 SA 335P91 管子化学成分及力学性能 s Mpa b Mpa Akv J 4 415 585 20 C Si Mn S P Cr Mo V N Nb Al Ni 0 08 0 1 2 0 20 0 5 0 0 30 0 6 0 0 010 0 020 8 00 9 5 0 0 85 1 0 5 0 18 0 25 0 03 0 07 0
9、06 0 10 0 04 0 40 表 2 Thermanit MTS3 化学成分 C Si Mn S P Cr Mo V N Nb Al Ni Cu 标准 0 07 0 13 0 15 0 30 1 25 0 010 0 010 8 00 9 50 0 80 1 10 0 15 0 25 0 03 0 07 0 02 0 10 0 04 1 00 0 20 检验值 0 08 0 28 0 57 0 007 0 006 9 08 0 94 0 18 0 04 0 64 0 02 图 3 窄间隙热丝 TIG 焊坡口间隙变化图 图 4 窄间隙热丝焊坡口 由于枪体最大宽度为 6mm 因此窄间隙热 丝
10、TIG每层单道不摆动焊接时其焊缝宽度 一般在 8 5mm LB 10 5mm 时较为合 适 LB 7 5mm 枪体容易与侧壁相碰 LB 11mm 焊缝侧壁熔合不好 容易产生 未熔合 坡口钝边一般推荐为 2 0 3 5mm 钝边太小打底焊时容易烧穿 钝 边太大不容易焊透 因此我们在试验时将 坡口钝边定为 2 3 2 7mm 同时为保证焊 接过程中焊缝宽度 LB 在 8 5mm 10 5mm 范围内 根据 P91 材料的特点将坡口角度 定为 2 坡口根部圆弧为 R4 圆弧 R 太 小时根部焊接时应力较大 容易产生裂纹 圆弧 R 太大在第二 三层焊接时根部容易 烧穿 焊接过程中焊缝宽度 LB 及坡口
11、最大间隙 变化见表 3 由表 3 可以看出 前三层焊 接收缩量最大 焊缝坡口变宽量比焊接收 缩量小 焊缝宽度变窄 从第四层开始由 于焊缝刚性增加 焊接收缩量小于坡口宽 度增加量 因此焊缝宽度逐渐增加 为适 应焊缝宽度的变化 在焊接过程中焊接参 数也做相应的变化以保证焊接质量 由表 3 可知每层焊缝的宽度 LB 在 8 9mm 10 10mm 之间 通过相应的焊接规范匹配 可以得到较好的焊接质量 表 3 焊缝宽度测定值 LH LB 备注 程序代号 焊接层数 11 20 9 30 21root 1 11 00 9 10 打底层 22hotpass 1 10 80 8 90 过渡层 23fill 1
12、 10 60 8 90 24fill 2 10 20 9 00 25fill 2 10 20 9 20 26fill 3 10 10 9 70 27fill 3 10 10 9 90 28fill 1 10 10 10 10 29fill 1 10 00 10 00 填充层 30cap 1 10 00 10 00 盖面层 3 2 焊前固定参数的调节 焊前固定参数主要包括钨极 焊丝夹角 2 钨极 焊丝距离 H 及钨极与管子中心的 偏移距离 OF 焊丝干伸长度 L 钨极伸出 长度 S 等 见图 5 这些参数是在焊接前 调好 焊接过程中这些参数保持不变 同 时这些参数是否合理直接影响到焊接过程 的稳
13、定 焊接质量的好坏 1 钨极夹角 1 与焊接电流 钨极与管子 偏移距离 坡口钝边等有关系 1 太大 焊接电弧能量不集中 容易产生焊接缺陷 1 太小 焊接熔池不稳定 熔深较大焊 缝成形变差 在其它参数一定的情况下可 以通过调节 1 来保证焊接熔池的稳定以 及得到合适的熔深 一般在 0 10 之 间 通过试验我们将 1 定在 5 2 钨极 焊丝夹角 2 一般情况下在 60 90 之间 2 小于 60 时热丝电流 的磁场与TIG焊接电流的磁场容易发生干 扰 影响焊接过程的稳定 2 大于 90 时焊丝不容易准确插入熔池 我们在焊接 时将 2 定在 60 65 之间 效果较好 3 由于热丝热量 Q 0
14、24I2Rt 同时 R L S 因此 Q 0 24I2 L S 其中 I 为热丝 电流 为焊丝电阻率 L 为焊丝干伸长 度 S 为焊丝横截面积 因此可以看出 在热丝电流一定时其热丝热量Q与焊丝干 伸长度 L 成正比 L 较长时所需热丝电流 较小是有利的 但焊丝直线度受影响 焊 接过程中焊丝不能准确的插入熔池 影响 焊接质量 L 太短所需热丝电流较大 从 而对热丝电源要求较高 综上考虑将焊丝 干伸长 L 定为 18mm 20mm 是合适的 既能保证焊丝的直线度 又使热丝电源在 正常的负荷下工作 4 钨极 焊丝距离 H 必须进行合适调节以 使焊丝在快熔化时能进入熔池 H 过大时 焊丝在熔池前插入不
15、能进入熔池 H 较小 时焊丝在熔池上方熔化以熔滴形式进入熔 池影响焊接过程的稳定性 通过试验观察 H 在 3mm 0 5 mm 是比较合适的 5 钨极伸出长度 S 的调节不会影响其它 焊接参数 主要是从气体保护效果考虑 在坡口根部和中间进行焊接时由于熔池位 置周围密封性好 保护气体不容易逸走 钨极伸出长度可达到 50mm 另外基于保 护考虑管子表面与焊枪喷嘴的距离最多 5mm 若此距离过大有一部分气体就到不 了坡口里面 从而影响保护效果 因此每 焊接 2 层左右需要调节钨极伸出长度 S 以满足管子表面与焊枪喷嘴距离在 5mm 以内 6 钨极与管子中心的偏移距离 OF 是否合 适直接关系到焊缝的
16、成型和根部焊接质 量 偏移距离 OF 与管子直径成正比 管 子直径越大 OF 越大 反之亦然 在相 同管径的情况下 偏移距离 OF 太大焊缝 熔池重力的切向分量大于熔池表面张力 熔池就会往下淌导致成形不良或产生焊接 缺陷 另外焊接位置的根部钝边也与偏移 距离 OF 存在关系 见图 6 由图可知当 OF 变大时其钝边厚度 t 也增大 因此偏移 距离 OF 有时也应根据钝边厚度在保证熔 池稳定的前提下做适当调整 以保证根部 焊接质量 根据试验情况 在 219 40 规格 根部钝边 2 5mm 的情况下其钨极与 管子中心的偏移距离 OF 在 15mm 20mm 之间是合适的 图 5 钨极 焊丝及工件的相对位置 图 6 根部钝边与偏移距离的关系 3 3 焊接工艺规范 焊接坡口型式确定以后 根据坡口型式进 行焊接规范的匹配试验 焊接过程中热丝 电流与送丝速度 焊丝干伸长及焊丝电阻 率有关系 热丝 TIG 焊时热丝电源对填充 丝加热的理想状态是焊丝插入熔池时差不 多达到熔点 为此必须合理选择焊丝直径 焊丝干伸长度 热丝电流 送丝速度 焊 丝插入角度及插入点与电弧中心之间的距 离等参数 同时焊接电流
