全位置窄间隙TIG焊接技术研究

2021-04-30张忠海

大型铸锻件 2021年3期

张忠海

(驻大连地区第三代表室，辽宁116113)

窄间隙TIG焊接技术，具有合金元素烧损小，焊接过程稳定可控，易于实现自动化，焊缝质量高，焊接残余应力小以及能够适应各种位置焊接等优点，在近20余年时间里，有着越来越广泛的工程应用。其中，全位置窄间隙TIG焊接的焊接位置变化大，焊缝状态和焊接过程影响因素实时发生转变，是窄间隙TIG焊接技术中最困难的。

本文以镍基合金与奥氏体不锈钢为母材，使用镍基合金作为填充金属，进行了全位置窄间隙TIG焊接技术研究。

1 焊接设备及焊接方法

本文使用窄间隙自动TIG焊接设备进行焊接试验，焊接电源为交直流两用焊接电源，焊接试验所用的焊材为镍基焊丝，类别号ERNiCrFe7A，为保证焊接质量，焊接过程中严格控制道间温度，确保道间温度不超过80℃。

焊接试验使用的试验件一侧为不锈钢试管，一侧为带有镍基隔离层的低合金钢试管。在进行全位置焊接时，以最高点为0°，在±15°位置起弧进行焊接，每道焊缝焊接357°开始自动停弧，焊接电流和送丝衰减区间共3°。为了保证每道焊缝均匀一致，焊缝从起弧电流上升阶段开始至收弧电弧熄灭期间，累计焊接角度共360°。

2 焊接工艺参数及其影响

全位置窄间隙TIG焊接过程中，涉及到的最主要焊接参数有焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度。除此以外，能够影响焊接过程的焊接参数还包括保护气体流量、钨极伸出导电嘴长度、钨极距边量等，在焊接过程中如果这些焊接参数未能匹配，同样会对窄间隙TIG焊缝质量造成较大影响。

全位置窄间隙TIG焊接过程可以分为平焊、立向上焊、立向下焊及仰焊四个不同的焊接方位，在不同的焊接位置，熔池内部的受力状态也不相同，在平焊位时能够稳定焊接的焊接参数，可能并不合适立焊或仰焊位置。关于各个焊接参数在不同焊接位置的规律变化，具体分析如下。

2.1 焊接电流

在TIG焊中，焊接电流是衡量焊接热输入量的主要参数，焊接电流越大，热输入量越大，能够熔化的焊丝量也越大。焊接电流还是影响焊缝熔深的最主要因素，在相同送丝速度的条件下，焊接电流越大，焊缝熔深越深。对于窄间隙TIG焊缝来说，适当的熔深对焊缝质量有利，当焊缝熔深低于1 mm时，焊缝的道间结合力较弱，尤其在厚度较大的焊缝中，易发生层间未熔合缺陷，因此，在窄间隙TIG焊时，一定要在不引起咬边的前提下适当提高焊接电流，保证焊缝熔深。常见的TIG焊缝熔深在1.5～2 mm范围内。

以平焊位焊接时的焊接电流为基准，当焊缝由平焊位转为立向下焊接时，熔池金属在重力的作用下，会流动到焊接电弧前，焊接电弧热量需要穿过这层液态金属才能作用于上一道焊缝，形成有效熔深，为了补偿这部分作用于液态金属的热量，在立向下焊接时，需要适当增大焊接电流确保焊接质量。

随着焊接过程的继续，焊接位置由立向下焊位，逐渐转变成仰焊位。在仰焊位焊接时，液态金属受到的重力与电弧压力完全相反，一旦液态金属的重力超过电弧压力，就会从熔池中滴落下来，脱落的液态金属极有可能滴落到钨极上，造成钨极烧损，使焊接电弧热量严重下降，并立即形成焊接缺陷。为了避免这种情况发生，在仰焊时，需要使用相对较小的焊接电流，确保焊缝中的熔融金属量比较小，无法脱离焊缝。

当焊接位置由仰焊变为立向上焊接时，在重力的作用下液态金属会落后于焊接电弧，焊接电弧热量能够直接作用于上一道焊缝，能够获得更深的熔深，从而形成质量较好的焊缝。但在重力和表面张力的共同作用下，立向上焊时的焊缝成形会优先形成中间高、两面低的形状，为了减少立向上时的液态金属量，需要适当地减小电流。

2.2 焊接电压

TIG焊的焊接电压是指TIG电弧的电压，在电极材料和气体介质一定时，焊接电弧主要受弧柱长度影响。焊接电压在焊接过程中主要影响熔宽，能够少量影响熔深，但程度远低于焊接电流。

在一定范围内，适当增大焊接电压，能够改善焊接成形，增加焊缝熔宽，但焊接电压增大到某一值时，焊缝质量会显著恶化，极易出现焊接气孔、未熔合等焊接缺陷。造成这种现象的主要原因是随着电压的升高，电弧逐渐加长，保护气体需要保护的范围也逐渐加大，一旦电弧长度超过保护气体的保护范围，就会卷入空气，在焊缝中形成气孔。同时，随着电弧的加长，弧柱区的能量密度也逐渐下降，无法获得成形良好的焊缝，容易形成未熔合缺陷。

由于目前工程中应用的机械TIG焊接设备均带有弧压跟踪，因此能够保证在各个焊接位置的弧压一致。在立向下焊时，由于液态金属流动到焊接电弧前，实际的焊接电压代表了钨极与液态金属上表面之间形成的弧柱高度，此刻钨极与焊缝的相对位置要高于平焊位时的钨极与焊缝的相对位置，故立向下时的焊缝宽度会有所增加，成形也更加平整。而在仰焊位焊接时，为了保证焊丝以短路过渡的形式平稳送入熔池中，需要在保证钨极不与焊缝接触的前提下尽量压低电弧，以免形成熔滴过渡，大大增加钨极烧损的概率，从而影响焊接质量。在立向上焊接时，由于液态金属流动到焊接电弧后面，焊接电压代表钨极与上一道焊缝之间的弧柱高度，此刻钨极与焊缝的相对位置要低于平焊位时的钨极与焊缝的相对位置，故立向上时的焊缝宽度小于平焊位和立向下焊位的焊缝宽度。

2.3 送丝速度和焊接速度

送丝速度的快慢直接影响焊接的熔敷效率，相同规格的焊丝，送丝速度越大，熔敷效率越高。在焊接电流相同的情况下，送丝速度越大，就需要越多的焊接电弧热量来熔化焊丝，而作用在上一道焊缝提供焊接熔深的热量会相对减少。当焊接电流较大时，除去熔化焊丝的热量后，其余热量能够使焊缝形成有效的熔深，焊接质量优良，但当送丝速度过大时，焊接电弧热量主要用来熔化焊丝，只有一少部分作用于上一道焊缝，使得焊缝道间结合力较差，容易在焊缝中形成层间未熔合。尤其对于窄间隙TIG焊来说，不宜为了追求较大的熔敷效率使用较大的送丝速度。

在自动TIG焊过程中，为了保证焊缝的质量，每层焊缝增厚一般控制在2 mm左右，不宜超过2.5 mm，而焊道增厚的主要影响因素除了送丝速度外，还有焊接速度。当焊接速度一定时，送丝速度越大，焊道增厚越大；当送丝速度一定时，焊接速度越慢，焊道增厚越大。

送丝速度的大小直接影响到金属的熔敷效率。大的送丝速度，对应大的电流电压，而对于一定直径的钨极，能够承受的最大电流也是有限的，因此，一个设备采用的送丝速度是有一个上限的，对于TIG焊来说，这个上限还与冷却水箱的冷却能力有关，并且焊丝的直径不同，也会得出不同的上限数值。

在普通TIG焊中，焊接速度最直接的影响是焊接热输入量，在焊接电流和送丝速度一定的前提下，焊接速度越大，焊接热输入量越小。只有通过送丝速度和焊接速度的综合搭配，才能够获得能够保证焊接质量的焊缝厚度。

以平焊位的送丝速度和焊接速度搭配所得的焊缝厚度为基准，当焊接位置逐渐转变为立向下焊时，如前所述，液态金属流动到电弧前方，并受到垂直于焊缝表面的电弧压力，焊缝尺寸变宽，相对的焊缝厚度会减小。当焊接位置转变为仰焊的时候，为了避免液体金属滴落，需要减少液体金属总量，对应焊缝厚度会减薄。当焊接位置转变为立向上焊时，焊缝尺寸变窄，焊缝的厚度会增厚，对不同焊接位置的焊缝厚度进行测量，试验结果表明上坡焊焊缝厚度会比下坡焊焊缝厚度大0.5～0.8 mm。