不锈钢管自动非熔化极惰性气体钨极保护焊环焊工艺研究

王洪潇 王春生 何广忠 高文文 刘立国

(中车长春轨道客车股份有限公司工程规划发展部，130062，长春//第一作者，高级工程师)

不锈钢轨道客车的空调排水管位于司机室和客室地板下面，用于空调工作中水分的排出，需要满足密封、耐腐蚀等方面的要求。目前，排水管采用手工焊接方式安装，存在车上焊接工况。因受位置限制，车上手工焊接无法实现满焊，容易造成漏水问题，因此，探索管-管自动非熔化极惰性气体钨极保护焊(TIG)工艺在不锈钢车体管道安装中的应用具有重要意义。

目前，全位置环缝自动TIG焊设备多采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变式脉冲电源，电流输出精度在±1%以内，并采用微处理器程序控制，对焊接电弧可进行位置分区控制，即可以对平焊位区段、下坡焊区段、仰焊位区段及上坡焊区段的焊接工艺参数分别进行控制[1]。由于全位置自动TIG焊具有焊接质量好、效率高、易操作等优点，加之国内管-管自动TIG焊机装备水平的提高，近年来在国内管道安装中得到了广泛应用[2-3]。

国内市场上不锈钢管道环形焊接设备型号较多，如华恒、宝丽苏迪等品牌，可以满足管道中心距离板式障碍物仅50 mm的现场施工条件。本文研究选择昆山华恒焊接股份有限公司生产的Arc Orbital 1200程控焊接电源、H-3000管-管密封式全自动TIG空冷焊接机头、铝合金φ27 mm夹具作为焊接设备,开展焊接试验研究，同时开发管-管对接夹具，确定不锈钢钢管对接焊接工艺参数，研究焊接接头组织特征及性能，为不锈钢轨道安装焊接新工艺的制定提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

管-管对接的试验材料采用OCr18Ni9不锈钢，两个管子尺寸不同，一个管材外径φ27 mm、壁厚2 mm、长度150 mm，另一个管材外径φ27 mm、壁厚3 mm、长度150 mm。其中，不锈钢材料满足JIS G 4305标准[4]中规定的化学成分、力学性能及其他要求，其化学成分和常规力学性能如表1和表2所示。

表1 OCr18Ni9不锈钢管材化学成分的质量分数 %

表2 OCr18Ni9不锈钢管材力学性能(固溶状态)

1.2 试验设备

焊接设备选择Arc Orbital 1200程控焊接电源、H-3000管-管密封式全自动TIG空冷焊接机。焊枪是为各种管件对接而设计的密封式全位置TIG管-管(不加焊丝)焊枪(见图1和图2)。焊接前在密封腔内充保护气体，保证焊缝得到良好的保护。枪体与夹具体内进行水冷却。焊枪与程控焊接电源配套使用，可实现全位置管-管TIG精密焊接，焊接重现性高，焊接效果好。

图2 密封式全位置TIG管-管焊枪实物

1.3 试验参数

OCr18Ni9不锈钢钢管对接焊接工艺参数如表3和表4所示。

2 试验结果及分析

2.1 X射线检测结果分析

对全位置自动TIG焊焊缝目测观察，可见焊道完整，焊缝外观成形均匀，过渡平滑，焊缝表面无裂纹出现，无明显咬边、裂纹等缺陷，色泽正常，引弧及熄弧处有足够的搭接，无未熔合或过烧缺陷。

表3 壁厚2 mm不锈钢管对接焊接工艺参数

表4 壁厚3 mm不锈钢管对接焊接工艺参数

按照承压设备标准(JB/T 4730.2—2005 Ⅱ级)和照相质量(AB级)要求，委托辽宁劳安无损检测有限公司进行检测,检测结果显示(见图3)，所有两种壁厚组合各45根管的焊接均符合标准。

图3 焊缝X射线检测结果

2.2 接头拉伸强度分析

参照ISO 4136—2001《金属材料焊缝破坏性试验—横向拉伸试验》中规定的程序对拉伸试样进行抗拉强度试验。接头试验合格的标准为：拉伸试样为同种母材时，每件试样的抗拉强度应不低于母材标准值的下限；无论数量多少，每件试样的抗拉强度都应符合该条规定。

试验采用带肩拉伸试样，焊接参数为：焊接电压9.5 V，焊接电流90 A，焊接速度100 mm/min，氩气保护流量15 L/ min，钨级伸长30 mm。

编号11～20焊接接头平均抗拉强度为696.67 N/mm2，焊接接头性能最好，断裂处基本位于1/3处(见图4a)); 31～40号次之；编号1～10平均抗拉强度最低，断裂位置大部分为焊缝处(见图4b))。拉伸结果对比如图5所示。

a) 11～20号接头 b) 1～10号接头

图4 焊接试样拉伸试验后形貌

图5 焊接试样拉伸结果对比曲线

2.3 接头弯曲强度分析

参照ISO 5173—2000《金属材料焊缝破坏性试验—弯曲试验》中规定的程序对弯曲试样进行弯曲试验。接头试验合格的标准为：弯曲试样达到规定的弯曲角度(180°)后，其受弯面出现长度大于1.5 mm的任一裂纹或缺陷则不合格；无论数量多少，每件试样均应符合该条规定。试样弯曲180°后，对焊接接头进行外观观察，均未发现存在裂纹的情况(见图6)。

图6 焊接试样弯曲试验后试样形貌

2.4 接头显微硬度分析

参照ISO 9501.1—2001《金属材料焊缝破坏性试验—硬度试验—电弧焊接头硬度试验》中规定的程序进行硬度测定。对焊接接头的维氏硬度检测区域包括焊缝、热影响区(左右)及母材(左右)(见图7)。硬度检测主要用于对比接头各区域性能上的差别，分析时效软化的微观机理。

根据硬度试验数据可知：焊缝中心处硬度最高，其次为热影响区，最后为母材；所有焊接工况下的焊接接头硬度相差不大(见图8)。

图8 焊接接头硬度试验结果

2.5 接头宏观及微观组织分析

用目视或20～30倍的光学放大镜检查经侵蚀的接头表面，确定其宏观组织及缺陷类型。对材料的不均匀性、宏观组织的分布和类型进行检测评定，同时研究焊缝组织特征，积累焊缝熔深与熔宽数据。

由图9可见,焊接接头形状呈梯型结构，管子外侧焊接熔宽1～10号焊接接头较窄(平均4.61 cm)，11～20号焊接接头较宽(平均5.09 cm)，所有焊接接头形貌较好，均已焊透。

a) 11～20号接头b) 1～10号接头

图9 焊接接头宏观金相图

通过微观组织分析(见图10)，管-管TIG自动环焊焊缝组织均为典型的柱状奥氏体枝晶，而熔合区奥氏体呈不规则的等轴晶形态。

a) 焊缝

b) 熔合区

3 结论

(1) 为了解决不锈钢轨道客车空调管道焊接密封不严、焊不全问题，根据实际生产条件，采用密封式自动TIG环焊夹具及焊接机头进行焊接可解决该问题并具有可行性。

(2) 对于壁厚为2 mm的不锈钢管材，通过焊接接头无损检测、拉伸、弯曲、硬度等试验,以及宏观、微观组织分析，得出以下结论：采用焊接电压9.5 V、焊接电流90 A、焊接速度100 mm/min、氩气保护

流量15 L/min、钨级伸长30 mm的焊接参数，能够使焊接接头性能相对较好。

(3) 对于壁厚为3 mm不锈钢管材，通过焊接接头无损检测、拉伸、弯曲、硬度等试验，以及宏观、微观组织分析，得出以下结论：采用焊接电压为9.5 V、焊接电流78 A、焊接速度85 mm/min、氩气保护流量15 L/min、钨级伸长30 mm的焊接参数，能够使焊接接头性能相对较好。

(4) 采用环缝全位置自动TIG焊机焊接不锈钢管，其焊缝的硬度、拉伸性能均好于母材，其宏观形貌呈梯形结构，焊缝中心组织为典型的柱状奥氏体枝晶，熔合区奥氏体呈不规则的等轴晶形态。