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摘要:本文介紹了窄間隙焊接工藝在電站鍋爐小口徑管制造中的應用，闡述了窄間隙坡口的加工要求、窄間隙熱絲TIG焊的參數設定、窄間隙手工氬弧焊的操作要點及窄間隙坡口焊接接頭在力學性能方面的優勢等。

關鍵詞:窄間隙焊接工藝;小口徑管;鍋爐

1963年7月美國Battelle研究所開發了窄間隙焊接技術。經過多年發展，目前窄間隙焊接方法主要有窄間隙熔化極氣體保護焊、窄間隙鎢極氬弧焊、窄間隙埋弧焊。窄間隙焊接不僅可以大幅度減少坡口截面積、大大減少焊縫金屬的填充量，而且可以在較低的焊接熱輸入下實現高效焊接，因而被作為一種經濟的、能夠得到優良力學性能的、變形小的優質焊接接頭的焊接方法。傳統的窄間隙焊接技術在厚壁工件的焊接中應用廣泛，而電站鍋爐中壁厚在16mm以下的小口徑管對接焊口數量通常有數萬個，因而采用窄間隙坡口也具有較高的焊接經濟性。

1應用背景

國內電站鍋爐受熱面部件的小口徑管接長焊接工藝經歷了從摩擦焊、熔化極氣保焊、鎢極氬弧焊+熔化極氣保焊、熱絲TIG焊的焊接工藝方法變化過程，使20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、SA－213T91、SA－213TP347H、SA－213TP347HFG、SA－213S30432、SA－213TP310HCbN等全系列電站鍋爐小口徑管的直管接長焊接全部實現了機械化，焊接接頭在高溫下運行的可靠性也得到了逐步提高。目前國內的哈電、東電、上氣等電站鍋爐制造企業在小口徑管的接長焊接中均采用熱絲TIG焊。傳統的V型坡口具有加工簡單、設備造價低的優點，但當管子壁厚在8mm～15mm以上時，V型坡口的熔敷金屬填充量比窄間隙坡口增加約20%～40%左右，在制造經濟性上處于劣勢。V型坡口與窄間隙U型坡口的截面對比見圖1。

2小口徑管窄間隙焊接工藝應用要點

在小口徑管熱絲TIG焊工藝中采用窄間隙坡口替代傳統的V型坡口，可以達到經濟、高效的目的。2．1坡口加工要求。小口徑管窄間隙焊接工藝通常采用帶鈍邊的U型坡口。推薦坡口尺寸范圍:鈍邊厚度1．5～2．5mm，鈍邊長度1～1．5mm，R1．5～2．5mm，U型傾角12～20o。坡口確定后，鈍邊的厚度、長度、U型的傾角等必須控制在一個嚴格的公差帶內，否則易導致未焊透、側壁未熔合等缺陷。2．2機械焊與手工焊的通用性。通常，在小口徑管的焊接生產中，為了保證不同焊接方式的靈活變換，希望機械焊和手工焊采用同種焊接坡口。而窄間隙坡口在手工焊的可達性、可視性、焊炬擺動空間等方面都存在一定難度。2．3焊接接頭性能。對一些塑性差的焊接熔敷金屬，窄間隙坡口形式更容易在ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅸ卷、NB/T47014－2011《承壓設備焊接工藝評定》等標準要求的彎曲試驗中獲得合格的結果。

3焊接工藝試驗

為了驗證窄間隙焊接工藝接頭的性能，采用熱絲TIG焊及手工鎢極氬弧焊進行小口徑管對接試樣的焊接，并按照ASME第Ⅸ卷、NB/T47014進行了焊接工藝評定。3．1機械焊焊接工藝參數的設定。窄間隙熱絲TIG焊易產生側壁未熔合，相比大壁厚的管道、集箱類產品需采用特殊窄間隙焊槍的方式，小口徑管的窄間隙熱絲TIG焊采取加大鎢極伸出長度和保護氣流量、鎢極微幅擺動的方式可以使電弧熱量更充分地作用于坡口側壁，從而保證熔融的填充金屬與母材充分熔合。根據坡口寬度設定合適的擺動幅值，避免鎢極與側壁接觸短路。坡口鈍邊的長度設計很關鍵，太長增加填充量，太短易導致未焊透。需通過實驗確定最佳值，單側不宜小于R+1mm，達到焊接經濟性及高質量的目的。3．2手工焊操作方式。常規坡口的手工氬弧焊操作中，焊工通常采用焊炬(鎢極)在坡口內左右擺動的方式使熔融的填充金屬與母材側壁充分熔合，但在窄間隙坡口中，焊炬擺動空間受限，試驗證明，采用不擺動、分道焊接技術可以保證焊接質量，從而使窄間隙坡口在制造過程中的通用性得到了保證。3．3焊接接頭力學性能。窄間隙焊接接頭由于熱輸入量低，通常具有更優異的塑、韌性。另外，當焊接填充材料的延伸率較低時，在考核焊接接頭塑性的彎曲試驗中，窄間隙坡口也體現出了一定的優勢，甚至直接影響焊接填充材料的可用與否。例如，超超臨界鍋爐高溫受熱面部件中常用的奧氏體鋼SA－213S30432，在直管對接的熱絲TIG焊焊接中，當采用某一牌號的填充絲時，分別采用V型坡口和窄間隙U型坡口，其對接接頭的彎曲試驗結果出現了明顯差異，前者的面彎試樣中出現了超標的開口缺陷。原因是同樣壁厚的情況下，V型坡口的上表面開口尺寸大，以壁厚10mm的管子為例，V型比窄間隙坡口寬約35%左右，在彎軸直徑相同的面彎試驗中，更多的熔敷金屬承受了拉應力，塑性不足即導致開裂，而窄間隙焊接接頭中熔敷金屬塑性不足部分由周圍的母材給予了補充。

4結論

通過實驗，確定了鍋爐受熱面小口徑管采用窄間隙熱絲TIG焊及窄間隙手工氬弧焊的焊接坡口形式及焊接工藝要點，按照ASME第Ⅸ卷、NB/T47014進行焊接工藝評定的結果也完全滿足標準要求。窄間隙熱絲TIG焊在電站鍋爐小口徑管焊接中的應用可以達到經濟、優質、高效的目的。

作者:王 萍 陳肈宇 單位:1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室 2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司