热丝TIG焊在不锈钢管道焊接中的应用

为了提高钨极气体保护焊的的焊接效率，扩大应用范围，介绍了热丝TIG焊的特点和分类，重点阐述了单丝热丝TIG焊、窄间隙热丝TIG焊和热丝TIG复合焊在石油化工、核电以及海洋工程等不锈钢管道应用行业的现状，提出了热丝TIG焊存在的主要问题。分析认为，热丝TIG焊虽然具有优质、高效和节能等系列优点，但在焊接效率、磁偏吹等方面仍需进行改进。最后，指出了热丝TIG焊的发展趋势及未来的应用领域。

目前，焊接钢管已经广泛应用于核电、压力容器、石油化工以及海洋工程建设中，因此，其焊接质量的好坏直接关系到不锈钢管道的服役可靠性与安全性。不锈钢管道施工过程中，常用的焊接方法包括焊条电弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）、药芯焊丝电弧焊（FCAW）和钨极气体保护焊（GTAW）等。其中，钨极气体保护焊的焊丝通常是在冷态（不加热）下送入焊接熔池前沿，部分电弧的能量要用来熔化焊丝，导致电极的载流能力和电弧功率受限，焊接效率低，通常只适用于薄壁工件焊接和厚件打底焊接。

1热丝TIG焊工作原理及种类

热丝TIG焊（hot-wire welding）是在钨极气体保护焊的基础上发展起来的一种优质、高效、节能的新型焊接方法，其与传统GMAW/TIG焊的区别是在焊丝送到焊接熔池前，独立于焊接电源的另外一个电源（热丝电源）将焊丝加热到接近熔化的温度。因此，热丝TIG焊不仅具备传统TIG焊采用惰性气体（Ar、He等）保护、电弧燃烧稳定、焊缝质量优异等优点，还在很大程度上使焊丝的熔化速度加快，熔敷率提高，同时也使焊接过程中熔池的热输入量得以调整，使得母材的稀释率降低，焊接效率提高，更容易实现厚壁零部件的焊接，其工作原理如图1所示。

当前工业生产中应用的热丝TIG焊种类较多，主要包括单丝热丝TIG焊、双丝热丝TIG焊、窄间隙热丝TIG焊、新型热丝TIG焊（TOP-TIG）以及超高速热丝TIG焊等。由于双丝热丝TIG焊适于大型零部件大面积堆焊，新型热丝TIG焊（TOP-TIG）及超高速热丝TIG焊多用于表面熔敷和薄板堆焊，在不锈钢管道焊接中应用较少，不锈钢管道焊接实际以单丝热丝TIG焊和窄间隙热丝TIG焊为主。鉴于此，本研究重点阐述单丝热丝TIG焊与窄间隙热丝TIG焊两种焊接方法，同时对其他几种热丝TIG焊进行了叙述，提出了热丝TIG焊当前存在的主要问题并展望了热丝TIG焊今后一段时间内的发展趋势。

2单丝热丝TIG焊

单丝热丝TIG焊是只有一根焊丝的热丝TIG焊，其按照加热方法的不同又可分为电阻加热、高频感应加热、电弧加热3种，主要应用于电站、阀门、石油不锈钢管道等的焊接。

2.1电站不锈钢管道焊接

电站不锈钢管道焊接是不锈钢管道焊接中的一个重要组成部分，其焊接质量对电站行业的稳定运行至关重要。康健等指出热丝TIG焊在通电焊丝周围产生磁场作用于电弧中的带电粒子，进而对电弧产生一些不利的影响，但是利用偏摆电弧仍然可以获得质量良好的焊接接头。吴绍炳等进一步对AP1000核电蒸汽发生器管、封头接管等的热丝TIG焊进行了研究，有力证实了热丝TIG焊的优越性。汤建锋等对比了热丝与冷丝TIG焊接，发现在相同条件下，热丝TIG焊所需焊道层数、焊接时间以及总输入能量明显减少；他们还发现热丝TIG焊与MIG焊的熔敷系数和焊接速度比较接近，但远远高于冷丝TIG焊，同时热丝和冷丝TIG焊具有相近的力学性能。

2.2阀门内壁管焊接

对于海上和陆地的石油天然气钻采及生产系统而言，其中使用的石油钻采阀门非常重要，要求具有耐强腐蚀性，生产时通常在内壁表层堆焊耐腐蚀材料。李磊等6-将先进的专机制造技术与热丝TIG焊工艺结合，开发出Fronius ETR-S热丝TIG焊系统，为高质量高性能阀门堆焊提供了一个很好的解决方案。另外，以石油钻采阀门内壁堆焊为基础，借助Dieter Schnee实现了对焊件材料从X60、X65延伸到X70管线钢，AISI4150、4140、8630到低碳钢F22，焊接长度1000~1500mm、直径150~1000mm不锈钢管道元件的焊接。许小波等利用阀门内壁热丝电源自动堆焊机对X70不锈钢管道内壁双相不锈钢热丝TIG堆焊工艺进行了研究，得出了不锈钢管道内壁堆焊过程的影响因素，并指出只有在最优参数条件下的堆敷层金属才具有良好的抗点蚀性能。

2.3其他不锈钢管道焊接

海底不锈钢管道及运输不锈钢管道的焊接材料通常为低合金、高合金、双相不锈钢或者镍基合金钢，受环境限制，这类不锈钢管道焊接后不能进行热处理，易导致裂纹等问题。基于不锈钢管道组件加工技术，热丝TIG焊为高压力下的不锈钢管道系统提供了一种相对更为可靠的焊接方法。研究表明，无论是按照DNV（Det Norske Veritas，世界领先的海上设施技术监测所）、IPE（生产和安装设计相关要求），还是ASME（美国机械工程师协会）的标准和规范，热丝TIG焊都能满足不锈钢管道焊接实际需要，发展潜力巨大。

3窄间隙热丝TIG焊

1963年美国Batelle结合热丝TIG焊和窄间隙焊接两者的优势开发了窄间隙热丝TIG焊。与窄间隙埋弧焊等一般窄间隙焊接方法相比，窄间隙热丝TIG焊除了熔敷效率相对较低外，在侧壁熔合和焊接接头的抗裂性等方面具有较明显的优势，同时材料的适应性更广，不仅适合碳钢，还特别适合于合金钢、不锈钢、双相钢等材料的焊接。因此，在电站、阀门、转子、海洋结构物及海底不锈钢管道等重要构件的焊接中，窄间隙热丝TIG焊得到越来越广泛的应用[]。目前，窄间隙热丝TIG焊已逐渐成为国内外不锈钢管道连接的主要技术手段。

3.1核电不锈钢管道焊接

国外早在20世纪90年代就提出了将窄间隙热丝TIG焊接用于核电不锈钢管道连接的方案，但受当时设备和技术的限制，并没有达到预期的生产效率和焊接接头质量。易耀勇等也指出了窄间隙热丝TIG焊用于国内核电不锈钢管道连接的可行性，并提出了该方法尚存在较大改进空间。

随着核电设备不断升级，无论是主不锈钢管道、核级不锈钢管道，还是CPR1000反应堆压力容器管，其焊接难度也不断增加，因此，窄间隙热丝TIG焊占据了越来越重要的地位。王岚等M-国采用窄间隙热丝TIG焊接技术，研究了CPR1000反应堆压力容器进出口接管与接管安全端的焊接，分析了焊接缺陷产生的原因，优化了焊接质量，解决了系列质量不合格问题，为我国窄间隙热丝TIG焊接技术在核电设备中的推广应用提供了重要参考。

3.2阀门接管焊接

与核电不锈钢管道一样，石油天然气、海洋不锈钢管道的焊接质量要求也非常苛刻，高质量、高效率的窄间隙焊接方法成为其连接首选工艺技术。杨仁杰等口研究了常用的T91/P91（X10CrMoVNb9-1）高合金耐热钢的窄间隙热丝TIG焊工艺对其焊接接头组织和力学性能的影响，这种钢常用于阀门进气接管。朱晏等喝对中406mm×60mm的TP347不锈钢管进行了全位置高频窄间隙热丝TIG焊工艺研究，通过设计窄间隙坡口尺寸和控制焊接工艺参数来确定焊缝的成形，得到了最佳的坡口角度和焊接参数，并检测了伸长率、低温冲击功、低温CTOD值以及横向膨胀量，研究结果均满足标准要求。

3.3其他不锈钢管道焊接

随着窄间隙热丝TIG焊研究的日益深入，除了核电、石油不锈钢管道等领域的广泛应用，在锅炉、交通运输、化工等领域的不锈钢管道设备也不断引入窄间隙热丝TIG焊接。徐祥久等叫采用法国Polysoude公司的窄间隙热丝TIG焊接系统，设计仅2°±0.2°的窄间隙坡口，对锅炉SA-335P12低合金大直径356mm×60mm无缝钢管对接工艺进行了研究，焊缝成形美观且内部无缺陷。另外，Kusano等指出窄间隙热丝TIG焊也可以用于中厚容器焊接。

4热丝TIG复合焊

不锈钢管道焊接中除了大量使用单丝热丝TIG焊和窄间隙热丝TIG焊，还少量采用窄间隙双弧双丝热丝TIG复合焊、窄间隙TIG-激光电弧复合焊、激光-热丝TIG电弧复合焊等焊接方法。研究发现，利用窄间隙双弧双丝热丝TIG复合焊能很好地解决不锈钢管道熔合、接头成形和焊接裂纹等问题；为了控制质量和提高焊接效率，在大型核电不锈钢管道的焊接中采用窄间隙TIG激光电弧复合焊；而激光-热丝TIG电弧复合焊工艺在复合管焊接时则具有绝对的优势。

5结语

目前，在石油天然气、压力容器、海洋工程等领域的不锈钢管道焊接中热丝TIG焊应用越来越多，虽然其具有优质、高效和节能等优点，但是在焊接效率、磁偏吹等方面还有很大改进空间。随着微型机、数字化控制理论、质量控制等科学技术的发展，热丝TIG焊在高强高韧不锈钢管道焊接，以及高铁、航空、航天等高端工业领域的应用将逐渐扩大，集合低的热输入、窄的焊接热影响宽度、优质的焊接接头等优点，热丝TIG焊焊接技术将快速发展并应用于工业生产。