不锈钢小管子热丝TIG焊为什么会发生未熔合缺陷？
1 序言
在东方电气集团东方锅炉股份有限公司大型发电设备电站锅炉制造中，每年仅蛇形管小口径管子对接焊口就超过50万只，大量采用SA-213TP347HFG、Super304H、HR3C等新型不锈钢材料焊接接头，焊接材料选用YT-304H、ERNiCr-3、ERNiCrCoMo-1等高等级焊接材料，焊接难度大。而热丝TIG焊以其焊接接头成形完美、无损检测合格率高、焊接质量稳定、生产效率高、操作方便，以及适合于产品大批量生产等特点，在电站锅炉受热面小口径管子对接焊上得到了广泛的使用[1-2]。
随着热丝TIG焊在碳素钢、低合金钢、不锈钢、镍基材料小口径管对接焊中的大量工程应用，也出现了一些新的技术问题，在不锈钢小口径管热丝TIG焊产品试样进行断口试验时，发现了接头断口出现层间未熔合缺陷（见图1、图2）。
图1 断口宏观形貌
图2 断口表面形貌
2 缺陷特性
不锈钢接头试样层间未熔合缺陷存在以下特点：层间未熔合主要出现于打底层焊道与第二层焊道间，少量出现在第二层焊道与第三层焊道间；未熔合界面前后两个道次的晶粒差异大，发现界面有晶粒断裂现象。该缺陷无损检测没能检测出，只能用破坏性试验（如断口试验、金相试验）才能检测出来。
未熔合是一种类似于裂纹的危险缺陷，是焊缝中最危险的缺陷之一，层间未熔合缺陷危害性大，焊缝金属在未熔合处形成明显的分界面，产生强烈的应力集中，极易诱发裂纹的产生。在电站锅炉运行中，如果存在层间未熔合等缺陷，则容易发生接头泄漏、爆管等问题，对接焊缝不允许该类缺陷存在。而按照TGS G0001—2012《锅炉安全技术监察规程》规定，对接焊缝需进行射线检测，检测过程按照NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测标准要求 射线检测》规定进行椭圆成像或垂直成像，受射线检测透照方向的影响，射线检测对焊缝层间未熔合类缺陷难以发现，检出率极低，容易出现漏检现象。因此在产品制造过程中，必须采取有效措施，避免此类缺陷的产生。
3 原因分析
根据管子壁厚不锈钢小口径管对接，一般采用多层焊，通常焊接层次为2~5层，经过试验分析，热丝TIG焊对接焊缝造成层间未熔合的主要原因如下。
1）在焊接过程中，管子工件逆时针旋转（见图3），焊接处于下坡焊位置，上层焊缝金属未充分熔化时已被液态金属覆盖，熔深较浅，多层焊时，层间没有达到完全的冶金结合，容易产生层间未熔合类缺陷。
2）送丝位置靠后（见图3），熔池的前半部熔化时，熔池的后半部开始凝固，熔滴过渡到熔池时熔池已经处于冷态，熔滴过渡到熔池后温度过低，能量不足以熔化上层焊道就已经凝固，容易产生未熔合缺陷。
3）偏移距离太大，当焊缝熔池重力的切向分量大于熔池表面张力，熔池就会往下淌，导致成形不良或产生焊接缺陷。
4）送丝速度过快，熔化填充金属消耗能量过多，造成熔池热量不够，使先焊的焊道未得到充分熔化就被熔化金属覆盖，单层焊道厚度增加明显，而新型不锈钢对接焊采用镍基焊材，熔敷金属流动性差，也容易产生层间未熔合。
4 预防改进措施
4.1 调整工件旋转方向
对焊机旋转方向进行了调整，将原来的工件逆时针旋转改为顺时针旋转（见图3、图4），使其焊接由原来的下坡焊改为上坡焊，焊丝位置在电弧的前端，避免了送丝位置靠后，熔滴过渡到熔池时熔池已经处于冷态。
图3 改进前旋转方向 图4 改进后旋转方向
4.2 改变焊机送丝结构
改进送丝机构、导电嘴。优化机械部件设计，对热丝部分和导电嘴进行改进（见图5），使其与改变旋转方向后的焊机更好地匹配使用。
图5 改进后送丝结构
通过工艺试验，调整确定钨极与管子中心的偏移距离、钨极与焊丝距离、钨极与焊丝夹角、焊丝干伸长度、钨极伸出长度等参数；调整焊机送丝角度后，使熔池相对位置保持在11点钟附近。这些参数焊接前调好后，在焊接过程中保持不变，其参数是否合理，直接影响到焊接过程的稳定、焊接质量的好坏。
4.3 优化焊接参数
根据工艺试验，结合设备实际操作情况，确定热丝TIG焊焊接电流、焊接速度、送丝速度、焊接层数等关键焊接参数。针对不同材质、规格加工试管，调整焊接参数，严格控制送丝速度，按管子不同壁厚，确定焊接层次。经射线检测，断口试验、解剖焊缝断面（见图6、图7），确定固化最佳匹配的焊接参数，设计、编制焊接程序，输入系统保存。焊工在焊接时，直接调用相应的热丝TIG焊程序进行焊接作业。
图6 焊缝断面解剖
图7 试样断口
5 预防改进效果
采取上述预防改进措施，有效地避免了不锈钢小口径管对接接头层间未熔合等缺陷的产生，对接接头断口试验未再发现层间未熔合缺陷，有效地消除了产品的隐藏缺陷，焊接接头质量明显改善，提高了焊接接头的性能。产品焊缝一次探伤合格率达99.51%，减少了大量的焊缝返修、探伤工作量，加快了产品制造节奏，提高了生产效率，缩短了产品制造周期，降低了产品制造成本。
6 结束语
通过调整热丝TIG焊焊机焊接旋转方向和送丝位置，优化焊接参数，控制送丝速度、焊接层次，可以改善焊接接头熔深，有效地避免不锈钢小口径管对接焊缝层间未熔合等缺陷，提高了焊接接头的性能，焊接接头质量明显改善。
参考文献：
[1]张杰，钟正彬，杨韬君，等.高效热丝TIG焊在电站锅炉中的应用[J].焊接技术，2018，47（11）：34-37.
[2]田金华，刘伟，吴智，等.316LN奥氏体不锈钢超低温结构件热丝TIG焊工艺研究[J].金属加工（热加工），2020（3）：49-51.