0 前言

焊接不仅是海工装备制造的关键工艺，也是改造及维修的常用方法，焊接工作量约占海洋工程装备制造工作量的30%～40%[1]。近年来，我国的海洋工程装备制造取得了长足进步，海工装备设计制造水平达到了全球领先，但在海工装备实际生产建造中仍使用焊条电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊等手工和半自动等焊接方法，这些焊接方法虽然能满足海工装备制造的基本要求，但存在自动化程度低、生产效率低、对焊工技术水平要求较高等问题。匙孔型钨极气保焊（keyhole gas tungsten arc welding，KTIG）技术[2]是一种新型的锁孔深熔焊接工艺，它是利用较大直流电（＞300 A）所产生的高能量电弧来实现深熔焊接，并且在KTIG焊接过程中还会产生类似穿孔型等离子焊所产生的小孔，可实现单面焊接双面成型。与激光电弧复合焊接[3]和等离子焊接[4]相比，KTIG单面焊双面成型的装配容忍量更高，而且能够大大降低设备投资成本和运转维护成本。目前，KTIG深熔焊接在石油化工、航空航天、锅炉及压力容器等领域得到了较广泛的应用，但是在海洋工程装备制造领域的应用并不多。文中以标准AWSD1.1[5]和 DNV－OS－C401[6]为指导，采用 KTIG 打底焊接、埋弧焊填充盖面的工艺方法完成了A36、E36等级钢板焊接，对KTIG的单面焊双面成型能力、深熔能力、焊接接头的力学性能进行研究和测试，探索KTIG焊接技术在海洋工装备制造领域应用的可行性。

1 试验设备、材料和方法

试验设备是由某公司研发的HTIG－1000焊接系统，该系统由一体化焊机、专用焊枪、弧长控制装置、冷却水箱和相应的连接电缆及管配件组成，电流调节范围50～1 000 A。试验选用船舶与海洋工程用A36和E36等级钢板，尺寸分别为1000mm×200mm×12 mm和1 000 mm×200 mm×32 mm。A36试板单面开60°坡口，留8 mm钝边进行装配；E36试板双面开60°坡口，留4mm钝边装配；装配间隙为0～2mm；采用TIG焊接进行定位焊，长度10mm，间距200mm。试验采用KTIG完成根部焊道焊接，埋弧焊完成填充盖面焊接，试板编号及焊接工艺参数如表1所示。

KTIG焊接不填充焊丝；A36试板埋弧焊接选用四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的CHWS3焊丝和CHF101焊剂；E36试板埋弧焊接选用韩国现代焊接材料株式会社生产的H14焊丝和S460Y焊剂。焊接完毕后，试板焊道根部和表面进行100%外观检测和100%磁粉检测；试板A－1和A－2进行100%的射线检测；试板E进行100%超声波检测。检测焊接接头的力学性能，取样及检测标准参照美国焊接协会钢结构焊接规范AWS D1.1和挪威船级社DNVGL－OS－C401执行，具体检测内容如表2所示。

表1 焊接工艺参数Table 1 Welding parameters试板编号A－1，3，4 A－2 E焊接方法K T I G S A W K T I G S A W K T I G S A W材质A 3 6 A 3 6 E 3 6背部保护气A r（9 9.9 9 5%）无A r（9 9.9 9 5%）电流I/A 4 8 0～5 2 0 6 0 0～6 2 0 4 8 0～5 2 0 6 0 0～6 2 0 4 6 0～5 0 0 6 0 0～6 2 0电压U/V 2 9.2～3 0.8 3 0.0～3 1.0 2 9.2～3 0.8 3 0.0～3 1.0 2 8.4～3 0.0 3 0.0～3 1.0焊接速度 v/m m·s－1 3 1 0 3 1 0 2 1 0

表2 力学性能测试Table 2 Mechanical properties tests注：①取样位置：焊缝中心，熔合线，熔合线+2 mm，熔合线+5 mm；②取样位置：焊缝中心，熔合线，熔合线+2 mm，熔合线+5 mm，根部焊缝中心，根部熔合线。硬度测试3 8点3 8点3 8点试板编号A－1 A－2 E拉伸测试2组2组2组弯曲测试侧弯4组侧弯4组侧弯4组冲击测试4组①4组①6组②宏观金相测试1组1组1组

2 试验结果和分析

2.1 KTIG单面焊双面成型及深熔效果验证

装配间隙、坡口形式和背部保护气[7]均会对KTIG焊接单面焊双面成型效果产生重要影响，分别在不同条件下进行KTIG根部焊道焊接，其典型根部焊道背部成型效果如图1所示。由图1a、1e可知，在装配间隙0～1 mm、有背部保护气的状态下，Y型坡口和X型坡口均可实现单面焊双面成型，且成型效果良好，磁粉检测无裂纹、未熔合缺陷；对比图1a、图1b可知，当装配间隙在0～1 mm范围内，去除背部保护气后，仍能够实现单面焊双面成型，但是根部焊道失去金属光泽，呈暗灰色氧化颜色，磁粉检测无裂纹、未熔合缺陷；由图1c可知，当装配间隙增加到1～2 mm，仍可以实现单面焊双面成型，磁粉检测合格；由图1d可知，当装配间隙增加到2 mm以上，不能实现单面焊双面成型。

典型的焊缝横截面宏观形貌如图2所示。由图2a可知，对于Y型坡口，当装配间隙在0～1 mm、钝边8 mm，有背部保护气的状态下，焊缝截面形貌为“钉子形状”，根部焊道成形良好，射线探伤焊缝，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，KTIG焊接表现出良好的深熔和单面焊双面成型能力。由图2b可知，对于Y型坡口，在装配间隙在0～1 mm、钝边8 mm、无背部保护气的状态下，焊缝截面形貌与图2b相似，但根部焊道明显突起，射线探伤焊缝，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。由图2c可知，对于X型坡口，在装配间隙在0～1 mm、钝边3 mm、无背部保护气的状态下，焊缝截面形貌未呈现出典型“钉子形状”，在没有清根状态下完成填充盖面焊接，根部熔合良好，射线探伤焊缝金属，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。在KTIG焊接过程中，液态金属必须在其凝固时通过表面张力的作用保持在适当位置，才能保证双面成型和熔深，其理论公式[8]为