為了能夠使中石化普光氣田分公司天然氣運輸管道檢修工作順利開展，我公司按照簽訂的合同要求，進(jìn)行焊接技術(shù)研發(fā)。經(jīng)過第一階段的焊接工藝研發(fā)所得經(jīng)驗和結(jié)果，組織和實施第二階段的焊接工藝篩選和正式焊接工藝評定。經(jīng)試驗結(jié)果比對，可見試件在耐腐蝕（點蝕、晶間腐蝕開裂）試驗中所出現(xiàn)的問題較多。針對以上問題的出現(xiàn)，各專家和教授進(jìn)行了討論和研究，通過革新改進(jìn)焊接方法等措施，以減小焊接過程中的熱輸入，減少晶粒組織變大幾率，提高焊縫金屬的組織穩(wěn)定性和塑韌性。

下面介紹革新工藝當(dāng)中的直流脈沖鎢極氬弧焊（GTAW+P）根焊打底及熱焊層焊接工藝。

1. 材料特性

鎳基合金具有良好的高溫強度和優(yōu)良的耐磨損、耐高溫、抗熱震沖擊、抗氧化性能和優(yōu)良的耐強酸、堿性介質(zhì)和含有氯離子的氧化還原介質(zhì)等物質(zhì)的腐蝕，主要用于石油、化工、環(huán)保、航天以及核工業(yè)等行業(yè)各類零部件的制造、修復(fù)和預(yù)保護。但鎳基合金導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大、冷卻速度較快、熔合性能較差，焊接過程中保護不當(dāng)會產(chǎn)生熔池氧化等，增加了焊接難度，因此應(yīng)該選擇操作技能水平較高、有豐富經(jīng)驗的焊工進(jìn)行施焊。材料的化學(xué)成分如表1所示，常溫下力學(xué)性能如表2所示。

2. 直流脈沖鎢極氬弧焊原理及特點

脈沖鎢極氬弧焊的原理是用可控的脈沖電流加熱熔化工件，每一個脈沖會形成一個點狀熔池。脈沖頻率間歇時，僅有維弧電流繼續(xù)工作，熔池凝固而形成一個有效焊接接頭。當(dāng)下一個脈沖電流作用時，在已凝固焊接接頭的局部和母材上產(chǎn)生第二個點狀熔池，當(dāng)出現(xiàn)第二個脈沖頻率間歇時，熔池又凝固成第二個有效焊接接頭并與前一個相連接。依此周而復(fù)始地進(jìn)行，便形成一條完整的焊接接頭。

脈沖鎢極氬弧焊的特點是：①可以精確控制對工件的熱輸入和熔池尺寸，提高焊縫抗燒穿和熔池的保護能力，易獲得均勻的熔深，特別適用薄板、全位置焊接和單面焊雙面成形。②由于每個焊點加熱和冷卻迅速，所以也適用于焊接導(dǎo)熱性能差和厚度較大的工件。③脈沖電弧熱輸入較低且熔深較大，因此在同樣條件下，能減小焊接熱影響區(qū)和焊接變形，這對薄板、超薄板焊接有更顯著地效果，能夠改善鎳基合金熔合性較差現(xiàn)象。④焊接過程中熔池金屬冷凝快，高溫停留時間短，可減小對熱量特別敏感材料焊接時產(chǎn)生裂紋的傾向。

綜合上述材料特性與工藝特性的比較，可以發(fā)現(xiàn)直流脈沖鎢極氬弧焊，能夠滿足焊接鎳基合金的要求，并能夠減少鎳基合金焊接過程中易出現(xiàn)熔合性能不好、過熱組織、晶粒長大、裂紋等傾向。

3. 焊接材料選擇

根據(jù)SH/T3523《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳基合金焊接工藝規(guī)程》規(guī)定，鎳基合金鋼氬弧焊接時應(yīng)按與材料等成分的原則選擇焊接材料，根據(jù)以上材料所含化學(xué)成分含量篩選，可發(fā)現(xiàn)ERNiCrMo—3的化學(xué)成分，能夠滿足母材焊接的需求，所選焊接材料為實芯氬弧焊絲，根焊打底時需要進(jìn)行背面充氬氣保護。焊接材料合金成分實測值如表3所示。

4. 焊前準(zhǔn)備和坡口組對

在焊接前確認(rèn)設(shè)備的可調(diào)節(jié)性、電流輸出的穩(wěn)定性。焊接電源絕緣良好，有可靠的接地。正確穿戴勞保防護用品，打磨時要帶上打磨面罩或防護眼鏡。焊接前確認(rèn)焊接電流和坡口間隙大小是否合適。組對前檢查坡口的角度是否適合施工要求，并把坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)油污、銹跡等打磨干凈。用丙酮擦拭坡口和焊絲，戴干凈的手套，并保持場地整潔。組對前對母材的材質(zhì)、管徑、厚度、焊絲型號進(jìn)行確認(rèn)，是否匹配合適。焊接前確認(rèn)施工環(huán)境是否滿足焊接要求，做好擋風(fēng)等防護措施。準(zhǔn)備背面充氬氣保護的工具和設(shè)備，并保證背面保護氬氣純度≥99.99%。點固組對采用搭橋或夾具連接組對，點固位置應(yīng)在基層側(cè)，焊接完成后把焊點打磨圓滑。層間打磨清理時采用不銹鋼砂輪片或不銹鋼絲刷。

5. 焊接過程

坡口組對前應(yīng)在管道內(nèi)側(cè)靠近坡口200~300mm處放置充氣工具（或背部拖罩），如巖綿等不易熔化、燃燒的材料。施焊前確認(rèn)施焊環(huán)境溫度，當(dāng)溫度低于0℃時，要做焊前預(yù)熱，預(yù)熱寬度為焊縫及坡口兩側(cè)100mm范圍，并且預(yù)熱溫度≥15℃。

將焊絲端部用氬弧焊加熱后快速放進(jìn)管道內(nèi)部，用來檢查背面充氬氣保護濃度，當(dāng)焊絲端部呈現(xiàn)銀白色時，說明管道內(nèi)部保護氬氣的濃度已經(jīng)達(dá)到焊接要求。檢測管道內(nèi)部充氣合格如圖1所示。

圖1     檢測管道內(nèi)部充氣合格

脈沖鎢極氬弧焊打底過程中，焊槍角度應(yīng)該隨著焊接位置的變化而變換，并且為了能夠更好的熔合，焊槍要與母材保持合適的后傾角度。焊接過程中焊槍做輕微擺動，減小焊接熱輸入對熱影響區(qū)的影響，防止焊道晶粒組織變大，提高焊接接頭的塑韌性，降低出現(xiàn)熱裂紋的傾向。脈沖鎢極氬弧焊打底焊接時要在脈沖高峰值出現(xiàn)并打開熔孔時續(xù)送焊絲，續(xù)送的焊絲量要充足，主要根據(jù)間隙和熔孔大小而定，以保證背面兩側(cè)融合良好和足夠的背面穿透高度。采用點續(xù)送方式，送進(jìn)焊絲的端部不得脫離氬氣保護區(qū)域，以防焊絲端部產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，再次送進(jìn)時氧化雜質(zhì)溶進(jìn)到液態(tài)熔池中。用于送進(jìn)焊絲的手應(yīng)找到牢固可靠的支撐點，以免手腕抖動造成焊絲送進(jìn)不良，產(chǎn)生內(nèi)部焊縫凹陷、焊縫金屬連接不良、焊縫夾鎢等缺陷。停弧時，應(yīng)把停弧處拉到母材的坡口處，熄弧采用電弧衰減法或熄弧前點送焊絲增加收弧處的厚度，防止產(chǎn)生弧坑裂紋及縮孔。再次起弧前對停弧處進(jìn)行砂輪打磨，修出斜面的接頭形式，待接頭部位處充分熔孔后方可繼續(xù)送焊絲，保證背面接頭處熔合良好。

脈沖鎢極氬弧焊固定口打底焊接時，由于鎳基合金材料下墜和流動性較差的原因，在6點位置焊絲端部的送進(jìn)位置應(yīng)在坡口根部，并適當(dāng)增加焊絲送進(jìn)量，以保證坡口背面焊接質(zhì)量。在3、9點位置焊接時應(yīng)適當(dāng)加快焊接速度、點送絲速度，以降低熔池高溫停留時間，減少晶粒粗大傾向。打底焊接過程中，盡量減少使用磨光機打磨焊道，過多使用砂輪打磨會破壞管道內(nèi)部充氬氣保護的氣體濃度，造成背面保護不良。根焊打底成形如圖2所示。

圖2   根焊打底成形

根焊打底層的正面厚度不得超過3mm，以防止基層材料對根部焊道的稀釋。由于根焊打底層較薄，不適于大直徑焊接材料的填充焊接，故在熱焊層也采用脈沖鎢極氬弧焊工藝進(jìn)行填充。對完成根焊打底的焊道用不銹鋼絲刷清理，完成清理后進(jìn)行熱焊層的焊接，熱焊層最好采用搖把方法焊接，這樣可以將殘留的氧化物甩到焊道邊緣，保證熔池內(nèi)的清潔度并提高焊道的熔合性。熱焊層成形如圖3所示。

鎳基合金材料焊接過程中要嚴(yán)格控制層道間溫度，溫度控制在100℃以下。在焊縫厚度未達(dá)到8~10mm以前，不得撤離背面充氬氣保護措施。脈沖鎢極氬弧焊根焊打底及熱焊層焊接參數(shù)如表4所示。

圖3   熱焊層成形

6. 質(zhì)量檢查

對完成根焊和熱焊的試件進(jìn)行質(zhì)量檢查，以采用高倍放大鏡進(jìn)行外觀檢測為主。要求焊道背面和正面不得有未融合、氣孔、咬邊、墜瘤、裂紋、弧坑及保護不良等缺陷。鎳基合金的試件檢查不得使用滲透劑等有機物進(jìn)行檢測，以防止有機物滲透到熔池中，造成開裂現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)缺陷時要及時修補，對于問題較嚴(yán)重，機械清理不理想的試件，應(yīng)進(jìn)行整口切割重新焊接。檢查合格后的焊道可采用焊條電弧焊、熔化極脈沖MIG焊、埋弧焊工藝進(jìn)行填充蓋面。

7. 結(jié)語

脈沖鎢極氬弧焊與無脈沖鎢極氬弧焊相比較：熱輸入小、熱影響區(qū)寬度小、增加熔池攪拌能力使液態(tài)熔池合金元素分布更均勻、增加熔敷深度、脈沖電流峰值能夠增加電弧挺度，使電弧燃燒更穩(wěn)定等優(yōu)點。通過實踐對比，發(fā)現(xiàn)脈沖鎢極氬弧焊比無脈沖鎢極氬弧焊，更能夠勝任鎳基合金根焊打底層的焊接。

作者簡介：劉立永等，中國石化集團第十建設(shè)有限公司。