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[摘 要]清华大型氦气工程试验回路主线0Gr18Ni9不锈钢的焊接，确定采用氩弧焊打底焊条电弧焊盖面的焊接工艺，这个项目的重点是使用脉冲电源进行焊接防止氦气在接头处的渗漏超过5‰。
[关键词]0Gr18Ni9不锈钢 氩弧焊打底 脉冲电源
中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0040-02
0 前言
清华大型氦气工程试验回路项目为科研开发项目，建厂地点为清华大学核能与新能源技术研究院。该项目目前用于解决高温气冷堆得氦气系统工程技术问题，进行氦工艺、氦技术、氦设备的开发和关键设备工程验证试验。由北京石油化工设计院有限责任公司设计，主要包括：氦气回路，氦气储存系统，软水，冷却水系统，厂用水系统，抽真空系统等，工作的温度为 -168℃，百分百检测，要求更高的焊接质量，要求焊后抗低温冲击韧性，所以严格的控制焊接热输入，小电流，快速不摆动焊接，要求严格的控制层间温度。
1 焊前准备
1.1 焊接方法和焊接电源选择
采用氩弧焊打底，焊条盖面的焊接工艺。采用具有脉冲式的焊接电源。采用脉冲焊接电源是因为瞬间的电流变化可以降低焊接熔池的温度，防止因温度过高使其焊缝和热影响区的组织变得粗大，影响力学性能，防止氦气在接头处的渗漏超过5‰，
1.2 母材、焊材型号和坡口形式
焊接材料：0Gr18Ni9不锈钢，直径为219mm，壁厚13.22mm
焊接方法：手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面。
根据等成分原则，焊丝选用H0Cr21Ni10，焊条选用E308-16
坡口角度60±2度，如图3所示。
1.3 主要焊接工艺参数
热输入是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能。热输入等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值。焊接电流、电压、焊接速度是决定焊缝尺寸的主要能量参数。
焊接电流增大时（其他条件不变），焊缝的熔深和余高增大，熔宽没多大变化（或略为增大）。这是因为：电流增大后，工件上的电弧力和热输入均增大，热源位置下移，熔深增大。熔深与焊接电流近于正比关系。电流增大后，焊丝融化量近于成比例地增多，由于熔寬近于不变，所以余高增大。电流增大后，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽近于不变；电弧电压增大后，电弧功率加大，工件热输入有所增大，同时弧长拉长，分布半径增大，因而熔深略有减小而熔宽增大。余高减小，这是因为熔宽增大，焊丝熔化量却稍有减小所致；速提高时能量减小，熔深和熔宽都减小。余高也减小，因为单位长度焊缝上的焊丝金属的熔敷量与焊速成反比，熔宽则近于焊速的开方成反比。
经过前期的焊接工艺评定，我们选择了这样的焊接工艺参数，如表1所示：
1.4 层间温度选择
对焊件进行多层多道焊时，当焊接后道焊缝时，前道焊缝的最低温度，称为层间温度。一对于要求预热焊接的材料，当需要进行多层焊时，其层间温度应等于或略高于预热温度，如层间温度低于预热温度，应重新进行预热。层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降。如低于预热温度则可能在焊接过程中产生裂纹。因此规定道间温度不得低于预热温度，最高不得大于某一界线的温度。
由于不锈钢焊接前不用预热，层间温度选择为60℃，可以用手触摸为准。
1.5 对口方式和点焊位置
对口间隙6点间隙为3.2mm，12点为4.0mm坡口形式为V型坡口，点焊点为9点、3点、12点。采用搭桥点不损坏坡口边缘。点焊点位置如图4所示：
2 焊接过程
焊接前将坡口面及坡口两侧20mm范围内用不锈钢刷打磨出金属光泽。点固后将管线的间隙用胶带缠好保护氩气的纯度，采用氩气充氩，氩气流量20ml.在焊道两侧20cm处用橡胶板封堵，一面有氩气进口，另一面胶板封堵，防止氩气漏气。在焊接前氩气先通3到5分钟，在用焊丝将胶带扎一个小孔，用打火机的火焰来试，如果把火焰吹走火焰不熄灭，则里面有氧气，氩气纯度不够应在充一会，到吹出的氩气给打火机的火焰熄灭后，就可以焊接。
2.1 焊接
2.1.1打底焊，采用TIG脉冲焊
起弧在6点前一点处引弧，电弧在坡口两侧将坡口和填充焊丝熔化，由于6点处受重力影响熔化的铁水在形式内部焊道时产生内凹，为改变内凹，要求焊丝在送进时焊丝在坡口内侧，也叫内送丝。让熔池的上边缘与焊丝的下边缘接触形成熔滴，熔池在焊接第二滴铁水时，电弧在坡口的一侧向另一侧行进中焊丝端部在电弧的作用下形成铁水，与原熔池熔合形成焊道，当电弧摆动到坡口边缘时应该进行回焊，防止产生根部未熔合现象，就这样一步一步的焊接，待一根焊丝焊完后熄弧，熄弧时焊接电弧在坡口一侧慢慢的收弧，防止产生缩孔，熔池的颜色慢慢的由鲜红变为暗红再停止，接头时由于熔池温度低，在以焊完焊道熔池前5mm出引弧，慢慢的摆动到熔池，使熔池完全熔化后在进行正常的焊道焊接，内部焊道要求不低于母材，要用点滴送丝的方法，以防止连续送丝造成焊丝有时不完全熔化而造成栽丝或未熔的现象。焊到立位时焊丝的送进应在熔池中心，为保证焊缝内部的余高，在立位时不要太高，到平位时焊丝的送进要在熔池的上边缘也是点滴送丝，由于铁水受重力的作用自动下垂，易造成内部焊道成形超高，焊到12点收弧处时多焊一点，便于另一侧12点钟接头处圆滑过渡，如不打磨或者打磨小时会产生内凹或未焊透现象，焊接另一面时电弧从仰位起弧在接头处熔化后焊接，焊到12点处时，由于管内的氩气量大，给焊接带来困难，所以选择把氩气流量关小的方法来焊接，焊到最后收弧氩气的流量应关闭，如果控制不好会造成背面有凹坑，影响拍片合格。 2.1.2填充焊：填充焊采用断弧方法
打底焊完成后为保证焊缝内部不被氧化要小电流快速焊，防止坡口两侧未溶。焊条在坡口根部小幅摆动，焊条角度在仰位时焊条角度与焊接方向成80-85度角，与管子的夹角为90度角，在焊接时采用断弧的方法，焊条焊打底层焊道与坡口两侧完全熔化形成3mm厚度的焊道在收弧看熔池由鲜红变为暗红在焊第下一步。在下爬坡时焊条角度与焊接方向成100-105度角，与管子的夹角为90度角，在立位时与焊接方向成90度角，与管子的夹角为90度角。在上爬坡时焊条角度与焊接方向成85-90度角，与管子的夹角为90度角，在平位时焊条角度与焊接方向成80-85度角，与管子的夹角为90度角。焊条角度太大或太小对焊接都有影响，如果平位时焊条角度太大，会造成药皮超出熔池前面形成夹渣或未溶合的现象。如果仰位时焊条角度过小会造成焊道中心太高，给下层焊接带来困难，易形成内部夹渣或未溶合现象。 焊条角度如图5所示：
2.1.3填充最后一层要控制熔池的位置与焊接表面的距离，要求仰位时距坡口表面在1mm左右在立焊时在1.5mm左右，在平位时在在0.5mm左右便于盖面。焊接方法、焊条角度与填充第一层、第二层相同。
2.1.4盖面焊接：从6点前引弧摆动，坡口两侧熔化焊道表面形成一个熔池后熄灭电弧，然后在焊下一部分，焊条端部在熔池中心引弧左右摆动，形成熔池后在熄灭电弧，盖面层施焊时，焊条角度、运条方法及接头方法与填充层相同。但盖面层施焊时焊条摆动的幅度要比填充层大。擺动时要注意摆动幅度一致，运条速度均匀。同时注意观察坡口两侧的熔化情况、施焊时在坡口两侧稍作停顿，以便使焊缝两侧边缘熔合良好，避免产生咬边，以得到优质的盖面焊缝。
2.2 焊后清理及外观检验
焊后认真清理焊道表面的焊渣及飞溅。试件的焊缝外观检查符合要求并达到无损检测二级以上的检测标准。
3 结论
由于试验项目的最终目的防止氦气在接头处的渗漏超过5‰，采用脉冲焊接电源手工钨极氩弧焊打底时，一定要在坡口边缘回焊，这样的焊接方法可以防止利用脉冲电源施焊时产生根部未熔合，使熔池的冷却速度变慢，晶粒细化，提高组织性能。
参考文献：
[1] 宋天虎等.焊接手册.第2卷，材料的焊接/中国机械工程学会焊接学会编.北京：机械工业出版社，2001.8.
[2] 张连生等.金属材料焊接/国家机械职业教育热加工类专业教学指导委员会会编.北京：机械工业出版社，2007.7.
[关键词]0Gr18Ni9不锈钢 氩弧焊打底 脉冲电源
中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0040-02
0 前言
清华大型氦气工程试验回路项目为科研开发项目，建厂地点为清华大学核能与新能源技术研究院。该项目目前用于解决高温气冷堆得氦气系统工程技术问题，进行氦工艺、氦技术、氦设备的开发和关键设备工程验证试验。由北京石油化工设计院有限责任公司设计，主要包括：氦气回路，氦气储存系统，软水，冷却水系统，厂用水系统，抽真空系统等，工作的温度为 -168℃，百分百检测，要求更高的焊接质量，要求焊后抗低温冲击韧性，所以严格的控制焊接热输入，小电流，快速不摆动焊接，要求严格的控制层间温度。
1 焊前准备
1.1 焊接方法和焊接电源选择
采用氩弧焊打底，焊条盖面的焊接工艺。采用具有脉冲式的焊接电源。采用脉冲焊接电源是因为瞬间的电流变化可以降低焊接熔池的温度，防止因温度过高使其焊缝和热影响区的组织变得粗大，影响力学性能，防止氦气在接头处的渗漏超过5‰，
1.2 母材、焊材型号和坡口形式
焊接材料：0Gr18Ni9不锈钢，直径为219mm，壁厚13.22mm
焊接方法：手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面。
根据等成分原则，焊丝选用H0Cr21Ni10，焊条选用E308-16
坡口角度60±2度，如图3所示。
1.3 主要焊接工艺参数
热输入是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能。热输入等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值。焊接电流、电压、焊接速度是决定焊缝尺寸的主要能量参数。
焊接电流增大时（其他条件不变），焊缝的熔深和余高增大，熔宽没多大变化（或略为增大）。这是因为：电流增大后，工件上的电弧力和热输入均增大，热源位置下移，熔深增大。熔深与焊接电流近于正比关系。电流增大后，焊丝融化量近于成比例地增多，由于熔寬近于不变，所以余高增大。电流增大后，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽近于不变；电弧电压增大后，电弧功率加大，工件热输入有所增大，同时弧长拉长，分布半径增大，因而熔深略有减小而熔宽增大。余高减小，这是因为熔宽增大，焊丝熔化量却稍有减小所致；速提高时能量减小，熔深和熔宽都减小。余高也减小，因为单位长度焊缝上的焊丝金属的熔敷量与焊速成反比，熔宽则近于焊速的开方成反比。
经过前期的焊接工艺评定，我们选择了这样的焊接工艺参数，如表1所示：
1.4 层间温度选择
对焊件进行多层多道焊时，当焊接后道焊缝时，前道焊缝的最低温度，称为层间温度。一对于要求预热焊接的材料，当需要进行多层焊时，其层间温度应等于或略高于预热温度，如层间温度低于预热温度，应重新进行预热。层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降。如低于预热温度则可能在焊接过程中产生裂纹。因此规定道间温度不得低于预热温度，最高不得大于某一界线的温度。
由于不锈钢焊接前不用预热，层间温度选择为60℃，可以用手触摸为准。
1.5 对口方式和点焊位置
对口间隙6点间隙为3.2mm，12点为4.0mm坡口形式为V型坡口，点焊点为9点、3点、12点。采用搭桥点不损坏坡口边缘。点焊点位置如图4所示：
2 焊接过程
焊接前将坡口面及坡口两侧20mm范围内用不锈钢刷打磨出金属光泽。点固后将管线的间隙用胶带缠好保护氩气的纯度，采用氩气充氩，氩气流量20ml.在焊道两侧20cm处用橡胶板封堵，一面有氩气进口，另一面胶板封堵，防止氩气漏气。在焊接前氩气先通3到5分钟，在用焊丝将胶带扎一个小孔，用打火机的火焰来试，如果把火焰吹走火焰不熄灭，则里面有氧气，氩气纯度不够应在充一会，到吹出的氩气给打火机的火焰熄灭后，就可以焊接。
2.1 焊接
2.1.1打底焊，采用TIG脉冲焊
起弧在6点前一点处引弧，电弧在坡口两侧将坡口和填充焊丝熔化，由于6点处受重力影响熔化的铁水在形式内部焊道时产生内凹，为改变内凹，要求焊丝在送进时焊丝在坡口内侧，也叫内送丝。让熔池的上边缘与焊丝的下边缘接触形成熔滴，熔池在焊接第二滴铁水时，电弧在坡口的一侧向另一侧行进中焊丝端部在电弧的作用下形成铁水，与原熔池熔合形成焊道，当电弧摆动到坡口边缘时应该进行回焊，防止产生根部未熔合现象，就这样一步一步的焊接，待一根焊丝焊完后熄弧，熄弧时焊接电弧在坡口一侧慢慢的收弧，防止产生缩孔，熔池的颜色慢慢的由鲜红变为暗红再停止，接头时由于熔池温度低，在以焊完焊道熔池前5mm出引弧，慢慢的摆动到熔池，使熔池完全熔化后在进行正常的焊道焊接，内部焊道要求不低于母材，要用点滴送丝的方法，以防止连续送丝造成焊丝有时不完全熔化而造成栽丝或未熔的现象。焊到立位时焊丝的送进应在熔池中心，为保证焊缝内部的余高，在立位时不要太高，到平位时焊丝的送进要在熔池的上边缘也是点滴送丝，由于铁水受重力的作用自动下垂，易造成内部焊道成形超高，焊到12点收弧处时多焊一点，便于另一侧12点钟接头处圆滑过渡，如不打磨或者打磨小时会产生内凹或未焊透现象，焊接另一面时电弧从仰位起弧在接头处熔化后焊接，焊到12点处时，由于管内的氩气量大，给焊接带来困难，所以选择把氩气流量关小的方法来焊接，焊到最后收弧氩气的流量应关闭，如果控制不好会造成背面有凹坑，影响拍片合格。 2.1.2填充焊：填充焊采用断弧方法
打底焊完成后为保证焊缝内部不被氧化要小电流快速焊，防止坡口两侧未溶。焊条在坡口根部小幅摆动，焊条角度在仰位时焊条角度与焊接方向成80-85度角，与管子的夹角为90度角，在焊接时采用断弧的方法，焊条焊打底层焊道与坡口两侧完全熔化形成3mm厚度的焊道在收弧看熔池由鲜红变为暗红在焊第下一步。在下爬坡时焊条角度与焊接方向成100-105度角，与管子的夹角为90度角，在立位时与焊接方向成90度角，与管子的夹角为90度角。在上爬坡时焊条角度与焊接方向成85-90度角，与管子的夹角为90度角，在平位时焊条角度与焊接方向成80-85度角，与管子的夹角为90度角。焊条角度太大或太小对焊接都有影响，如果平位时焊条角度太大，会造成药皮超出熔池前面形成夹渣或未溶合的现象。如果仰位时焊条角度过小会造成焊道中心太高，给下层焊接带来困难，易形成内部夹渣或未溶合现象。 焊条角度如图5所示：
2.1.3填充最后一层要控制熔池的位置与焊接表面的距离，要求仰位时距坡口表面在1mm左右在立焊时在1.5mm左右，在平位时在在0.5mm左右便于盖面。焊接方法、焊条角度与填充第一层、第二层相同。
2.1.4盖面焊接：从6点前引弧摆动，坡口两侧熔化焊道表面形成一个熔池后熄灭电弧，然后在焊下一部分，焊条端部在熔池中心引弧左右摆动，形成熔池后在熄灭电弧，盖面层施焊时，焊条角度、运条方法及接头方法与填充层相同。但盖面层施焊时焊条摆动的幅度要比填充层大。擺动时要注意摆动幅度一致，运条速度均匀。同时注意观察坡口两侧的熔化情况、施焊时在坡口两侧稍作停顿，以便使焊缝两侧边缘熔合良好，避免产生咬边，以得到优质的盖面焊缝。
2.2 焊后清理及外观检验
焊后认真清理焊道表面的焊渣及飞溅。试件的焊缝外观检查符合要求并达到无损检测二级以上的检测标准。
3 结论
由于试验项目的最终目的防止氦气在接头处的渗漏超过5‰，采用脉冲焊接电源手工钨极氩弧焊打底时，一定要在坡口边缘回焊，这样的焊接方法可以防止利用脉冲电源施焊时产生根部未熔合，使熔池的冷却速度变慢，晶粒细化，提高组织性能。
参考文献：
[1] 宋天虎等.焊接手册.第2卷，材料的焊接/中国机械工程学会焊接学会编.北京：机械工业出版社，2001.8.
[2] 张连生等.金属材料焊接/国家机械职业教育热加工类专业教学指导委员会会编.北京：机械工业出版社，2007.7.