KTIG焊接单面焊双面成型工艺及其在海洋工程装备制造领域的应用

肖明颖 王琪晨 陈增铎 范振红 孔神庆 白健 姜风春

摘要：为探索匙孔型钨极气保焊（keyhole gas tungsten arc welding，KTIG）技术在海洋工程装备制造领域应用的可行性，采用KTIG打底+埋弧焊填充盖面的工艺方法完成了海洋工程用A36、E36等级钢板焊接，对KTIG焊接技术的双面成型能力、深熔能力、焊接接头的力学性能进行了研究和测试，验证了KTIG焊接技术的良好的单面焊双面成型能力、深熔能力及对装配间隙的良好容忍度。结果表明，KTIG焊接满足通用钢结构焊接标准及海洋工程装备制造行业标准要求，在海洋工程装备制造领域具备广阔的应用前景。

关键词：海洋工程;KTIG;单面焊双面成型;深熔焊

中图分类号：TG457.5 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）08-0022-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.04

0 前言

焊接不仅是海工装备制造的关键工艺，也是改造及维修的常用方法，焊接工作量约占海洋工程装备制造工作量的30%～40%[1]。近年来，我国的海洋工程装备制造取得了长足进步，海工装备设计制造水平达到了全球领先，但在海工装备实际生产建造中仍使用焊条电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊等手工和半自动等焊接方法，这些焊接方法虽然能满足海工装备制造的基本要求，但存在自动化程度低、生产效率低、对焊工技术水平要求较高等问题。匙孔型钨极气保焊（keyhole gas tungsten arc welding，KTIG）技术[2]是一种新型的锁孔深熔焊接工艺，它是利用较大直流电（>300 A）所产生的高能量电弧来实现深熔焊接，并且在KTIG焊接过程中还会产生类似穿孔型等离子焊所产生的小孔，可实现单面焊接双面成型。与激光电弧复合焊接[3]和等离子焊接[4]相比，KTIG单面焊双面成型的装配容忍量更高，而且能够大大降低设备投资成本和运转维护成本。目前，KTIG深熔焊接在石油化工、航空航天、锅炉及压力容器等领域得到了较广泛的应用，但是在海洋工程装备制造领域的应用并不多。文中以标准AWSD1.1[5]和DNV-OS-C401[6]为指导，采用KTIG打底焊接、埋弧焊填充盖面的工艺方法完成了A36、E36等级钢板焊接，对KTIG的单面焊双面成型能力、深熔能力、焊接接头的力学性能进行研究和测试，探索KTIG焊接技术在海洋工装备制造领域应用的可行性。

1 试验设备、材料和方法

试验设备是由某公司研发的HTIG-1000焊接系统，该系统由一体化焊机、专用焊枪、弧长控制装置、冷却水箱和相应的连接电缆及管配件组成，电流调节范围50～1 000 A。试验选用船舶与海洋工程用A36和E36等级钢板，尺寸分别为1 000 mm×200 mm×12 mm和1 000 mm×200 mm×32 mm。A36试板单面开60°坡口，留8 mm钝边进行装配;E36试板双面开60°坡口，留4 mm钝边装配;装配间隙为0～2 mm;采用TIG焊接进行定位焊，长度10 mm，间距200 mm。试验采用KTIG完成根部焊道焊接，埋弧焊完成填充盖面焊接，试板编号及焊接工艺参数如表1所示。

KTIG焊接不填充焊丝;A36试板埋弧焊接选用四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的CHW-S3焊丝和CHF101焊剂;E36试板埋弧焊接选用韩国现代焊接材料株式会社生产的H14焊丝和S460Y焊剂。焊接完毕后，试板焊道根部和表面进行100%外观检测和100%磁粉检测;试板A-1和A-2进行100%的射线检测;试板E进行100%超声波检测。检测焊接接头的力学性能，取样及检测标准参照美国焊接协会钢结构焊接规范AWS D1.1和挪威船级社DNVGL-OS-C401执行，具体检测内容如表2所示。

2 试验结果和分析

2.1 KTIG单面焊双面成型及深熔效果验证

装配间隙、坡口形式和背部保护气[7]均会对KTIG焊接单面焊双面成型效果产生重要影响，分别在不同条件下进行KTIG根部焊道焊接，其典型根部焊道背部成型效果如图1所示。由图1a、1e可知，在装配间隙0～1 mm、有背部保护气的状态下，Y型坡口和X型坡口均可实现单面焊双面成型，且成型效果良好，磁粉检测无裂纹、未熔合缺陷;对比图1a、图1b可知，当装配间隙在0～1 mm范围内，去除背部保护气后，仍能够实现单面焊双面成型，但是根部焊道失去金属光泽，呈暗灰色氧化颜色，磁粉检测无裂纹、未熔合缺陷;由图1c可知，当装配间隙增加到1～2 mm，仍可以实现单面焊双面成型，磁粉检测合格;由图1d可知，当装配间隙增加到2 mm以上，不能实现单面焊双面成型。

典型的焊缝横截面宏观形貌如图2所示。由图2a可知，对于Y型坡口，当装配间隙在0～1 mm、钝边8 mm，有背部保护气的状态下，焊缝截面形貌为“钉子形状”，根部焊道成形良好，射線探伤焊缝，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，KTIG焊接表现出良好的深熔和单面焊双面成型能力。由图2b可知，对于Y型坡口，在装配间隙在0～1 mm、钝边8 mm、无背部保护气的状态下，焊缝截面形貌与图2b相似，但根部焊道明显突起，射线探伤焊缝，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。由图2c可知，对于X型坡口，在装配间隙在0～1 mm、钝边3 mm、无背部保护气的状态下，焊缝截面形貌未呈现出典型“钉子形状”，在没有清根状态下完成填充盖面焊接，根部熔合良好，射线探伤焊缝金属，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。在KTIG焊接过程中，液态金属必须在其凝固时通过表面张力的作用保持在适当位置，才能保证双面成型和熔深，其理论公式[8]为

h<（1）

式中 w为根部焊缝的宽度;h为试板厚度;γ为液体金属表面张力的系数;ρ为液体金属密度;g为重力加速度。因此，理论上碳钢和低合金钢板不开坡口，KTIG可以一次性焊透的最大厚度是12 mm。由式（1）可知，KTIG的熔深能力与装配间隙密切相关，当装配间隙增大时，根部焊缝的宽度增加，KTIG的熔深能力会下降，因此试板开成X型坡口时，根部焊道变宽进而影响熔深。

2.2 KTIG焊接接头力学性能测试

KTIG焊接可以在不填加焊丝的情况下，完成根部焊道的深熔单面焊双面成型，但电弧熔化焊接会造成母材的合金元素烧损，进而可能造成根部焊道的力学性能下降。为验证KTIG焊接接头能否满足使用要求，根据美国焊接协会钢结构焊接规范AWS D1.1和挪威船级社焊接规范DNVGL-OS-C401进行了拉伸、弯曲、冲击、宏观硬度等力学性能测试，测试结果分别如表3～表6所示。由表3可知，所有焊接接头拉伸力学性能测试结果均满足规范要求，2/3的焊接接头断裂位置均位于母材，表明焊缝位置抗拉强度略优于母材。由表4可知，所有焊接接头弯曲力学性能测试结果符合规范要求，表明整个焊接接头（包括KTIG焊接的根部焊道）焊缝金属、熔合區域无气孔、夹渣、未熔合和裂纹等焊接缺陷。由表5可知，所有焊接接头冲击性能测试结果满足规范要求;对于所有焊接接头，焊缝中心位置的冲击值低于母材热影响区的冲击值，分析认为是KTIG焊接的高热输入和无焊丝添加造成的母材晶粒尺寸增大和合金元素烧损所致。由表6可知，焊接接头区域（焊缝金属、熔合线、热影响区）的宏观硬度高于母材金属硬度，满足规范要求;焊缝表面（图3中线1）和根部（图3中线2）宏观硬度无明显差异。对于A36材料，有无背部保护气对焊接接头的拉伸、弯曲、冲击、宏观硬度等力学性能没有明显影响。

3 结论及建议

（1）无论Y型还是X型坡口，KTIG焊接均具备良好的单面焊双面成型效果;建议实际生产中装配间隙控制在0～1.5 mm，局部最大间隙不超过2 mm。

（2）KTIG焊接具有良好的深熔效果，但由于装配间隙会造成熔深能力下降，建议实际生产中Y型坡口钝边保留6～10 mm，X型坡口钝边保留3～5 mm。

（3）KTIG焊接接头的力学性能（拉伸、侧向弯曲、冲击韧性、宏观硬度）均合格，满足美国焊接协会钢结构焊接规范AWS D1.1和挪威船级社焊接规范DNVGL-OS-C401中的焊接工艺评定要求，但是接头的冲击韧性因热输入量过高和不添加焊丝的原因有所降低。

（4）去掉背部保护气后，对A36进行KTIG焊接，仍能实现单面焊双面成型，背部成型形状良好，与有背部保护气的焊道相比，有明显的氧化现象;经力学性能检测后，焊接接头力学性能都合格，且与有背部保护气的焊接接头相比，无明显差异。

（5）KTIG焊接技术的单面焊双面成型能力和深熔能力可得到充分保留，同时焊接接头的力学性能满足通用焊接标准和船级社的规范要求，因此可用于海洋工程装备制造;为保证KTIG焊接技术实施落地，还应继续开展如下工作：低温冲击韧性验证;薄板焊接变形量验证;保护气对双面成型和高等级钢板性能影响验证;实际生产工艺和装备开发。

参考文献：

[1] 陈和兴，易江龙. 海洋工程焊接技术现状与分析[J]. 中国材料进展，2015，34（12）：61-65.

[2] 雷小伟，张毅，余巍，等. 高效GTAW焊接技术发展[J]. 材料开发与应用，2018，33（6）：130-134.

[3] 王治宇，王春明，胡伦骥，等. 激光-电弧复合焊接的应用[J]. 电焊机，2006，36（2）：38-41.

[4] 赵利民，潘毅，赵东宏. 大型压力容器等离子焊接技术研究[J]. 铸造技术，2019，40（3）：283-286.

[5] AWS D1.1/D.1M：2018，钢结构焊接规范[S].

[6] DNVGL-OS-C401：2015，Fabrication and testing of offshore structures[S].

[7] Jarvis B L. Keyhole gas tungsten arc welding：a new process variant[D]. Wollongong：University of Wollongong，2001.

[8] Lathabai S，Jarvis B L，Barton K J. Comparison of keyhole and conventional gas tungsten arc welds in commercially pure titanium[J]. Materials Science and Engineering A，2001，299（1）：81-93.

收稿日期：2020-05-06

基金项目：烟台市重点研发计划项目（2019ZDCX006）

作者简介：肖明颖（1980— ），男，在读博士，主要从事先进焊接技术的研究工作。E-mail：axiao176@163.com。