管排镜面焊焊接技术的模拟应用

华能淮阴电厂 李京泽

由于大容量、高参数的超超临界火电机组锅炉的组件管排数量大，节距较小，为机组管道的安装和检修带来技术上的高要求，主要集中体现在某些焊接位置无法用肉眼直接观察到。为了获得高质量的焊缝，在这些部件的焊接过程中必须采取特殊的焊接工艺，这就需要镜面焊来完成。所谓镜面焊就是在肉眼无法观察到的焊口位置附近放置一面镜子，利用镜子的反射成像原理观察镜子内的熔池来进行焊接，即利用镜子的反射原理进行焊接来完成焊口焊接的一种操作方法。需要用到镜面焊的位置包括锅炉炉膛内再热器、省煤器、过热器的密集管排，空间位置受限的承压管道等。

1 镜面焊的模拟与试验

1.1 焊接设施及工器具

模拟操作架的制作。为了更准确的模拟现场困难位置的焊接，参照现场管道困难位置的实际情况制作了密集管排模拟焊接架（图2）。选用具备高频引弧和电流衰减功能的直流逆变焊机，电弧燃烧稳定，以确保模拟焊接过程的顺利和获得高质量的焊缝。镜面焊用氩弧焊枪应根据现场困难位置的具体情况选用可以360°改变焊枪角度的挠性氩弧焊枪，且瓷导嘴根据管子间距大小可选用不同规格的，使得焊接作业能够顺利完成。

图1 镜面焊示意图

图2 密集管排模拟焊接架

专用不锈钢反射镜。在镜面焊所用镜片的选择方面，考虑到玻璃镜片易碎，所以选择了不锈钢镜面板，并在其尾部有一块强磁场吸附件，主要起固定镜架的作用，头部是一块不锈钢双面镜板，厚度为1mm 左右，中间是一根挠性金属软管，连接尾部和头部，其中在与头部连接时采用万向节，可以360°旋转镜子，在实际焊接过程中观察熔池和成像较为清晰，方便焊工操作。

图3 焊枪的选用

图4 专用不锈钢反射镜

1.2 镜面焊的模拟操作

考虑镜面焊模拟操作的难度，选择现场焊接工作五年以上，氩弧焊技术过硬且经验丰富的焊工来进行操作。根据经验模拟操作的过程共分为二个阶段。

1.2.1 第一阶段

第一阶段主要是要解决镜面焊接过程中通过镜子观察熔池和反向加丝的问题，也就是解决适应反向操作的问题，此阶段的操作约用了两周时间，参与模拟操作的焊工基本掌握镜面焊的技术要领。刚开始先掌握镜子、焊枪、焊丝的摆放位置和通过镜子的反射用肉眼观察焊缝，最初的操作中，有时不是焊丝粘在焊缝上就是钨棒粘在上面，而且在焊接过程中钨极和焊丝经常会打架，这些都是在刚开始遇到和解决的问题。

第一阶段使用小直径（φ42×6）的碳钢管子，采用焊丝是TIG-J50、φ2.5mm，刚开始练习时大家比较习惯和顺的右手操作，镜面焊位置是比较容易的4点到2点位置。在这阶段练习中，逐步的适应焊接程序的改变，掌握焊接机巧，成型明显好转。在经过一段时间的练习后，焊缝的表面已达到焊接规程要求的合格标准，挑选了9只焊口对其内部质量进行了一次检验，经射线和断口检验评定，检查焊缝中存在的较多缺陷。拍片情况：九只焊口经射线探伤检验的结果是五道为Ⅲ级片，四只Ⅳ级片；断口情况：存在少量气孔、缩孔、内咬边、焊瘤、夹钨等。

图5 断口情况

1.2.2 第二阶段

经过第一阶段的模拟操作已基本掌握较容易位置的镜面焊接，第二阶段的模拟实验主要换成薄壁、管径较大、规格为φ60×4的管子，薄壁管焊接难度由此增大，镜面焊位置一不小心就会烧穿，而且成型不易控制；管径增大，管间距就相对减小，焊枪的空间减小，焊枪摆动困难，因此较上个规格的管子难度加大了。而且这个阶段在已经适应镜面观察焊缝的习惯，所以不但要进行全方位的焊接，而且要从比较熟练右手进行焊接改成左右双手焊接，镜面焊焊接的位置在6点到9点和6点到3点之间；采用内外加丝的焊接操作以及打底层与盖面层焊接操作要领；该位置的焊接较前一阶段的镜面焊位置难度增大且掌握时间较长，须进行反复高强度的练习以完全掌握镜面焊的技巧。

在经过第二阶段的模拟练习后，焊工已掌握了小径管全位置镜面焊的操作要领，焊缝的表面成型美观，焊道均匀，无明显表面缺陷。再次挑选了8只焊口对其内部质量进行检验，经射线和断口检验评定内部质量合格。拍片情况：8只焊口经射线探伤检验的结果均合格，其中有4只焊口被评定为Ⅰ级焊缝。

2 镜面焊的技艺难点和重要技术环节

技艺难点。镜面焊时在习惯性的影响下会出现正常的送丝在镜面反射情况下送入到镜面板的现象，会导致焊丝送不到位或漂浮于坡口外侧，影响正常焊接。镜面焊时由于弧光反射非常强烈，易造成钨极与焊丝发生碰撞而引起电弧不稳定，从而会使缺陷产生。由于镜面板反射的图像立体感不强且电弧光强烈刺眼，对于操作人员控制熔池的难度加大，会造成焊缝外观的高低和宽窄差变化较大，影响焊缝的美观度。镜面焊使用的必须可以360°改变焊接角度的挠性氩弧焊枪，在特殊的间距特困难位置时须选用特制的短枪和瓷导嘴，以满足现场焊接质量的要求。

重要技术环节。氩弧焊打底必须采用内加丝法焊接，便于从间隙和镜面观察熔池成型，控制焊缝质量。镜面焊接填充层时应以两侧坡口线为基准线，控制熔池的大小，为下一层镜面焊道创造清晰的基准线，降低在镜面焊时的焊工操作难度。镜面的固定位置要便于肉眼通过镜子的反射观察焊缝的熔池状况。要不影响氩弧焊焊枪的位置摆放和焊接过程中焊枪的行走和摆动。镜面焊时氩弧焊枪弯曲角度和操作角度应根据焊接速度做必要的调整，以免发生熔池控制不到位或移动过慢导致熔池温度过高产生焊瘤和气孔等缺陷。

3 结语

在现场检修过程中，密集管排存在肉眼无法看到的困难位置焊口，可采用镜面焊的方法进行焊接来解决这一难题。镜面焊有一套严格的操作流程和方法，完成镜面焊要选择技术达标、经验丰富的焊工来进行操作，并经过不少于一月的严格训练，以掌握镜面焊全部技术要领，并经过射线和断口检查，焊缝内部质量得到保证。镜面焊中控制层间温度和线能量的输入是关键，操作焊工适应镜中成像的反向操作是实现镜面焊的基本条件。为了降低镜面焊接的难度，保证质量，镜面焊焊口往往只能按照先后工序顺序的焊接，完成的焊口数量也是有限的，因此它的效率必然有所降低。