超高效管道焊接技巧——深熔氩弧焊（K-TIG）

管道是石化、天然气等行业常用的气体或液体介质传输装置，焊接是整个制造过程中一个重要的工艺环节。对于承压类管道因为对焊接要求很高，所以基本采用氩弧焊打底，其它焊接方式填充盖面。对于不锈钢的压力管道焊接、打底和盖面都需要使用氩弧焊。但是由于氩弧焊焊接效率低，对于压力管道的焊接耗时过长，延长了制造商的工期，增加了成本。

深熔氩弧焊又称K-TIG（Keyhole TIG），是由澳大利亚联邦科学与工业研究组织的物理学家贾维斯·劳里（Jarvis Laurie）于1997年发明的焊接新技术。K-TIG是在传统氩弧焊基础上，采用大电流配合高效冷却焊枪实现大熔深的一种焊接技术。

传统氩弧焊要完成金属中厚板的焊接必须要开坡口，实施多层多道焊。与传统氩弧焊相比，K-TIG热源能量密度高、电弧更集中。在相同电流和热输入的情况下，电弧穿透力更强，热源能量更容易通过锁孔传导到工件内部，实现深熔焊接。焊接金属中厚板（3-16mm）不需要开坡口，无需填丝，一次焊透，单面焊双面成型。

在使用K-TIG焊接管道时，焊枪的摆放需要确保其轴线通过管道的圆心，与铅垂线（蓝色虚线）之间夹角设置为8-13°，具体角度取决于材料和板厚。

焊枪装夹角度图

管道装夹在旋转器上，焊枪轴线过管道圆心，与铅垂线保持8—13°夹角。焊接时焊枪保持不动，管子旋转。

以上图为例，焊枪置于铅垂线左侧，管子逆时针旋转为下坡焊，反之顺时针旋转为上坡焊。经过试验发现采用上坡焊效果优于下坡焊。

其原理是：熔池液态，熔池的重力沿切线方向产生斜向下的分力F1；旋转器带动管道旋转，在熔池位置形成沿管道运动方向的切向力（切线力）F2。F1和F2方向一致，加剧本身由于重力导致液态熔池沿切线方向流淌的趋势；F1和F2方向相反，过轴心的焊枪轴线和铅垂线夹角在8—13°时，F1和F2二力平衡，让熔池相对于管道的运动处于静止平衡状态。因此，下坡焊，即F1和F2方向一致，效果很差；上坡焊，即F1和F2方向相反，效果最好。

综上原因，推荐如下图所示的焊枪安装和管道旋转方向。

焊枪位置与管道旋转方向关系图

K-TIG焊接管道时，在电弧力、熔池重力、表面张力和管道旋转产生的切向力作用下形成锁孔。电弧穿透熔池，在其背面形成如下图所示的尾焰，即溢出弧等离子体。如果参数设置合适，热输入处于正常范围，尾焰出现在蓝色标志区域。如果参数设置不合适，热输入过大，尾焰将处于红色标志区域。热输入过小则尾焰会在蓝色标志另外一侧出现或无尾焰透过。在实际焊接过程中可通过观看电弧尾焰的位置或角度来判断参数设置是否合适。

电弧尾焰方向与热输入关系图

当装配间隙较大或要求焊缝表面有一定余高时，需要填充焊丝。如下图所示，送丝嘴与保护罩边缘对齐，并保持一定距离，送丝角度20-30°。如果送丝嘴太靠近锁孔，容易被熔化导致送丝嘴堵塞。

焊丝送进角度图

管道焊接弧长一般控制在1-3mm，取决于是否填加焊丝。由于管道可能存在一定的椭圆度，导致在焊接过程中弧长会发生变化。因此需要加装弧长调节器，目前主要有弧压反馈调节和机械靠轮调节两种方式。弧压反馈调节需要精确测量电弧长度变化时，对应的电压变化量，获得弧长与电压的线性关系，根据电压来调节弧长。而机械调节则相对简单，不需要检测弧压变化，通过机械装置使钨极尖端到工件之间的距离在焊接过程中始终保持一致。

弧长机械调节装置图

当管径较小时，电弧尾焰穿透熔池后会对另一侧管壁起到预热作用。因此要根据实际情况分多个阶段设置焊接参数。如下图所示，焊接相同壁厚的3英寸直径管道和10英寸直径管道，由于它们的壁厚相同，因此焊接参数相同，溢出弧等离子体也将具有相同的长度尺寸。采用正常焊接方案焊接10英寸直径的管道可以获得良好的焊接效果，因为电弧等离子体具有足够释放热量的空间。而对于3英寸直径的管道，电弧尾焰会触及对面的管壁，对管道的另一侧起到预热作用，这将导致焊接中有一半周长范围容易出现熔池塌陷，因此需要分阶段设置焊接参数。

不同管径焊接电弧尾焰示意图

在焊接预制管道时，经常会遇到管道与弯头的焊接。为了提高效率可采用单侧坡口，这样可以节省一半的坡口加工量和填充焊时间，不仅提高了焊接效率，还大幅减少焊材和保护气的消耗，降本增效效果明显。

双边和单边V型坡口示意图

管道预制是管道应用的重要环节，通常在车间内完成。目前多采用氩弧焊打底，埋弧焊或气保焊填充盖面工艺，由于氩弧焊熔透能力差，预留钝边比较小，填充焊接工作量大，效率低。

使用深熔氩弧焊打底，可预留更厚的钝边，减少填充量和焊接工作量，大幅提高焊接效率，并降低焊丝和气体等耗材的使用量。因此在厚壁管道预制中使用深熔氩弧焊势在必行。

澳大利亚K-TIG公司在管道预制焊接环节做了的大量的研发工作，开发出了单侧坡口焊接工艺，目前已在全球多个管道加工客户得到应用。