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摘 要 介绍了双人同步TIG 立焊和双人同步TIG 横焊两项新工艺，在铸造锡青铜壁板（材料牌号C90300，壁厚6～8mm）上进行了一系列焊接工艺实验。验证了这两项新工艺与常规单人TIG 双面焊相比，能保证焊接质量、焊接变形小、提高生产率等优点。通过对两项新工艺的焊接评定，其焊接接头完全满足设计技术指标，从而成功地在大型艺术制像工程中得到应用与推广。
关键词 铸造锡青铜C90300 大型艺术制像 双人同步 TIG 立焊 双人同步 TIG 横焊
1 引言
近年来，我集团公司承担了多项大型艺术制像的工程。这些艺术制像有的高度达百米，外围直径数十米，由成百上千块耐大气腐蚀的铸造锡青铜壁板悬挂安装在一个坚固的主钢架上。壁板安装时采用三维调节的方法，使壁板角点到安装基点保持一定的距离，成千块壁板拼装成一个整体，然后焊接、表面处理，最终成为一尊线条流畅，艺术形象完美的塑像，流传百世，供人参观、瞻仰。
我们承建的某大型艺术制像工程是由2000 多块铸造锡青铜壁板拼装而成，其焊道长度超过18000 米，焊接工作量很大，加之该大型艺术制像工程的铸造锡青铜壁板在拼装前不进行铣削切边和预装工序，其壁板的现场安装，是在高空野外和全位置条件下进行焊接施工，因而大大增加了焊接工作量、焊接加工难度和工艺复杂性。为了能确保艺术制像工程的高质量、高速度、低成本并满足塑像艺术形象完美的要求，特提出在铜合金上应用双人同步TIG 立焊和双人同步TIG 横焊新工艺焊接方法。为此我们开展了一系列焊接工艺试验和焊工的技能培训，选择了合适的焊接接头形式和工艺参数。
2 双人同步TIG 的特点
2.1 双人同步TIG 立焊的操作方法
由两名焊工各持一把手工钨极氩弧焊枪，分别从壁板内外两侧同时进行施焊，使两个熔核对称，最后形成一个共同焊接熔池，同步地由下向上进行立焊，如图1 所示。
图1 双人同步TIG 立焊示意图
2.2 双人同步TIG 横焊的操作方法
由两名焊工各持一把手工钨极氩弧焊枪，分别从壁板内外两侧同时进行施焊，使两个熔核对称，最后形成一个共同焊接熔池，同步地沿同一个方向进行施焊，如图2 所示。它与双人同步TIG 立焊不同之处是，必须一名焊工左手持焊枪，另一名焊工右手持焊枪进
行操作，才能保证沿一个方向进行焊接。
图2 双人同步TIG 横焊示意图
2.3 双人同步TIG 焊对焊接设备的要求
双人同步TIG 焊必须选用两台TIG 焊设备，要求它们的技术性能指标相同，避免在焊接过程相互干扰，破坏焊接熔池的稳定性。
2.4 双人同步TIG 焊对坡口和装配间隙的选择
双人同步TIG 焊只有对接接头焊缝才能显示出它的优越性，其它焊接接头形式不宜采用。双人同步TIG 立焊，对于厚度为6～8mm 铸造锡青铜壁板，可以不开坡口选用I 形对接形式，能实现双人焊一次成形的焊缝。既节省焊接材料又减轻了劳动强度，提高生产效率。其坡口形式如图3 所示。对厚度为6～8mm 铸造锡青铜来说，无论采用双人同步TIG 立焊，还是双人同步TIG 横焊，壁板装配时必须留有一定间隙才能保证施焊的正常进行。庞大的制象工程，要求壁板之间保持一定不变的装配间隙是不可能的，甚至在拼装同一条焊缝上往往装配间隙也是不等的。为此，我们对大小不同的装配间隙进行焊接试验，发现当间隙小于2mm 时，不仅影响两边焊工对焊接熔池的观察，同时也会影响电弧的穿透力，容易造成焊缝的未焊透现象，出现未熔合缺陷；当装配间隙大于8mm 时，电弧不能同时均匀熔化待焊处两侧，焊接时焊枪必须来回摆动才能保证焊透，而且焊缝表面成形较差，不能达到技术指标的要求。通过试验确定：对于6～8mm 厚度的铸造锡青铜壁板，采用双人同步TIG 立焊时，****装配间隙为3～6mm，局部****不允许超过8mm；采用双人同步TIG横焊时，****装配间隙2～4mm；局部****不允许超过6mm。
图3 双人同步TIG 立焊坡口形式
双人同步TIG 横焊，对厚度为6～8mm 铸造锡青铜壁板，坡口形式可选X 形带钝边的双V 形的坡口，其坡口形式见图4。
图4 双人同步TIG 横焊坡口形式
2.5 焊接规范参数的选择
双人同步TIG 焊选用直流正接电源极性。对于TIG 焊来说，焊接电流是一个主要的参数，焊接电流的大小与板厚有密切关系。双人同步TIG 焊焊接时要求两侧的焊接电流相同或者接近，两侧焊接电流的差值不能大于10 安培，否则有可能焊接电流大的一方，电弧磁吹力也偏大，会影响另一方焊接电弧的稳定性，破坏了焊接熔池的均匀流动，造成焊缝表面质量变差，焊缝内部易产生疵病。厚度为6～8mm 铸造锡青铜壁板，采用双人同步TIG 立焊和横焊时，采用焊接工艺规范参数，可以获得优质的焊接接头，工艺参数见表1。
工艺参数焊接方法 | 焊接电流/A | 焊接电压/V | 焊接速度/mm/min-1 | 焊丝直径/mm | 钨丝直径/mm | 喷嘴直径/mm | 氩气流量/Lmm-1 | 正面 | 背面 | 正面 | 背面 | 双人同步TIG立焊 | 100-130 | 100-130 | 15-16 | 15-16 | 80-120 | 4 | 4 | 16-20 | 12-18 | 打底焊 | 双人同步TIG横焊 | 90-120 | 90-120 | 15-16 | 15-16 | 80-120 | 4 | 4 | 16-20 | 12-18 | 盖面焊 | 单人TIG横焊 | 170-200 | | 15-17 | | 80-140 | 4 | 4 | 16-20 | 12-18 |
表1 双人同步TIG 焊焊接工艺参数
2.6 对焊工操作技能方面的要求
双人同步TIG 焊的特点是壁板内外两侧同时受热，在氩气保护下形成一个共同的焊接熔池，加之两把焊枪同时发射电子，加速焊接熔池的搅拌作用，有利于熔池中气体上浮逸出，从而减少焊缝内部气孔的产生。但是，如果两名焊工操作时所处位置不当，影响到两把焊枪相对位置不对称，使壁板内外两侧的焊接熔池不对中，难于形成一个共同焊接熔池，在焊接
过程中不可避免地要产生新的缺陷。从图5 可以看出双人同步TIG 立焊时，两把焊枪相对位置不对称时，造成两者焊接熔池不在同一水平线上，而各自的焊接熔池必然会造成焊缝中间出现未熔合的缺陷。如果两把焊枪处于对称的同一位置，但两把焊枪偏离焊缝的中心线，同样也有可能造成单边未熔合的缺陷。如图6 示，如果在拼装时装配间隙过大，也会产生这类缺陷。
图5 两把焊枪位置不正确时引起的未熔合
图6 两把焊枪偏离焊缝中心引起的未熔合
此外，双人同步TIG 横焊时，要求一名焊工右手握焊枪，另一名焊工左手握焊枪，才能保证焊接沿一个方向施焊。在焊工操作技能培训时，有意识地培训部分焊工能左手握焊枪进行施焊，且焊接接头质量并不逊色。由于施工条件比较恶劣，焊接位置变化多端，还需培训一部分焊工能熟练自如地掌握各种位置的焊接操作技能。首先对焊工进行理论知识培训，考试合格后方可进行操作技能培训。操作技能培训分两个阶段进行，先进行单人双面TIG 平焊、立焊、横焊的培训。按设计技术条件和业主的要求进行考试，考试通过后，再进行第二阶段培训。首先将操作技能水平相当的两名焊工进行组队，组对时还要考虑两名焊工的性格，兴趣爱好相近，才能保证两人在焊接过程中相互帮助，同步协调达到配合默契的状态。组对操作技能培训过程中要求特别严格，要进行强化培训，然后进行双人同步TIG 立焊和横焊考试，考试评定要求与单人双面焊相同，考试合格后颁发合格证，凭合格证才能到现
场操作。
2.7 双人同步TIG 焊与单人双面TIG 焊的比较
单人双面TIG 焊，焊接6～8mm 厚度板材时必须开有带钝边V 形坡口，如图7 所示。与双人同步TIG焊相比既要开坡口，焊接后还要清根，再焊封底焊，不仅增加了焊接工作量、零件的焊接变形，还增加了焊接材料的消耗。
图7 单人双面TIG 横焊的坡口形式
另外，单人双面TIG 焊，对装配间隙要求比较严格，一般必须严格控制在3～4mm，否则将产生焊接缺陷，大大增加了焊缝的返修率。
2.8 双人同步TIG 焊的优点
与单人双面TIG 焊相比具有以下优越性，（a）双人同步TIG 焊是由两名焊工同时从壁板内外两侧均匀加热，提高了焊接热效应，可以加快焊接速度，还能减少焊接变形。(b)壁板拼装时，对装配间隙没有单人双面TIG 焊那样严格，方便了现场操作，减轻高空作业的劳动强度。 (c)壁板内外两侧均受氩气的有效保护，防止了外界空气的侵入，有利于减少焊缝内部气孔的产生。(d)由于双人同步TIG 焊施焊时，壁板内外对称的填充焊接材料，可以实现一次焊接两面成形的焊缝，减少了单人双面TIG 焊背面必须清根，清根后仍需再焊封底焊的工作量，且免除了清根时繁重的劳动并节省了焊接材料的消耗。(e)从表1 和表2 中可
以看出，双人同步TIG 立焊和横焊与单人双面TIG 焊相比，可以少一层和二层焊缝，既节省了焊接时间，又缩短了工程时间，同时节省了焊接材料，从而提高了生产效率，降低了工程成本。
3 双人同步TIG 焊接工艺评定
对双人同步TIG 立焊和横焊进行了焊接工艺评定。
3.1 试板材料与尺寸
选用与制像相同的铸造锡青铜板材，牌号为C90300。板厚与铸造锡青铜壁板相同为6～8mm。试板尺寸：双人同步TIG 焊为600mm×200mm。
3.2 焊接材料
选用牌号ScuSn8-4 锡青铜焊丝，其焊缝表面颜色与铸造锡青铜颜色没有色差，形成色彩一致的塑像。焊丝直径为F 3、F 4mm 两种。
3.3 焊接设备
选用同一厂家制造的ZX5-400B 可控硅焊机。
3.4 焊接工艺评定的其它参数
焊接坡口形式、尺寸、装配间隙和焊接工艺规范参数与2.4，2.5 相同，不再叙述。焊前采用机械清理，清除表面氧化皮。
3.5 焊接接头质量检查
3.5.1 焊接接头外观检查
焊缝外观成形平直，焊缝呈圆滑形均匀过渡到母材，焊缝表面没有裂纹、气孔和咬边等表面缺陷。双人同步TIG 立焊和横焊与单人双面TIG 焊的焊接角变形量和焊缝横向收缩量的比较，见表2。
焊接位置 | 焊接方法 | 装配间隙/mm | 角变形量a/（°） | 横向收缩量/mm | 立焊 | 双人同步TIG立焊 | 4.0 | 0-3.0 | 0.5 | 1.2（8件） | 单人双面TIG立焊 | 3.5 | 0-12.0 | 1.8 | 4.5（10块） | 横焊 | 双人同步TIG立焊 | 4.0 | 0-4.8 | 2.0 | 2.0（8件） | 单人双面TIG立焊 | 2.5 | 0-12.6 | 2.0 | 5.1（10块） |
表2 焊接角变形量和焊缝横向收缩量的比较
3.5.2 焊接接头内部质量检查
按设计部门和业主制定的焊接技术条件要求进行X 光射线无损探伤检查，结果所有焊缝内部无裂纹、未焊透和未熔合等缺陷，满足焊接技术条件要求。表面质量也符合焊接技术条件要求。
3.5.3 焊接接头的力学性能测定
按GB2649-84 标准加工焊接接头的拉伸和弯曲试样，按GB2651-89 和GB2653-89 标准测定焊接接头的力学性能，测定数值见表3。所有数值均达到焊接技术条件的要求，评定合格。
通过焊接工艺评定，认为厚度为6～8mm铸造锡青铜（C90300）板材，采用双人同步TIG 立焊和双人同步TIG 横焊，完全可以在大型艺术制像工程中应用。
| 焊接方法 | 抗拉强度d/MPa | 横向冷弯角a/（°） | 结论 | | 设计指标 | 测量数值 | | 测量数值 | | 双人同步TIG立焊 | 172 | 220-300 | ＝15不裂 | 15不裂 | 合格 | | 265（6件） | | 双人同步TIG横焊 | 172 | 220-270 | ＝15不裂 | 15不裂 | 合格 | | 242（6件） | | 单人双面TIG 焊 | 172 | 210-250 | ＝15不裂 | 15不裂 | 合格 |
表3 焊接接头力学性能
4 双人同步TIG 焊在大型艺术制像工程中的应用
在大型艺术制像工程中，可以采用双人同步TIG焊的壁板是标准板，约1090 块，占整个壁板总数近1/2。标准壁板是指表面积为2m×2m 的铸造锡青铜壁板。双人同步TIG 焊的焊道总长超过24000m，占整个工程焊道的总长3/5，表明双人同步TIG 焊的工艺在这项工程中起到了非常重要的作用。
4.1 双人同步TIG 焊的┕ぷ橹? 可以采用双人同步TIG 焊的壁板层共有31 层，每层配有8～9 名装配工进行拼装，拼装完后每层分8～10 个焊接工位同时进行焊接，每个工位由两名焊工同步施焊，现场拼装焊接的施工示意图见图8。
图8 现场拼装焊接的施工示意图
4.2 壁板拼装焊接
壁板装配时，应保持两相邻壁板的连接线流畅。壁板装配时的拼缝保持平整，才能预焊。如果形面不流畅或拼缝沿边出现下凹或钩头时应及时校形，以满足壁板的拼装要求。
由于大型艺术制像直接在现场拼装，在拼装过程中有时无法保证壁板的装配间隙在3～6mm间和壁板外侧错位小于1.5mm 的技术要求。为此，当壁板装配间隙小于3mm 时，必须对壁板待焊处进行磨削或切割；当壁板装配间隙大于8mm 小于12mm 时，可以在壁板拼缝侧进行堆焊；当壁板装配间隙大于12mm时，必须采用壁板拼缝侧加镶条的方法进行修补。
4.3 焊接质量控制
4.3.1 焊接前的质量检测
焊前要求操作人员严格遵守执行有关焊接工艺文件、焊接工艺规程的要求。检查坡口的加工尺寸，严格控制拼装时的装配间隙和错位量，及时清除待焊处氧化皮。对焊接设备要求保证完好，特别要强调接地线，以确保人身安全。
4.3.2 焊接过程中质量控制
严格执行焊接工艺评定中规定的焊接工艺规范参数，施焊过程中要详细记录并存档，以便对焊接质量进行分析。每焊完一道层间焊缝，对焊接质量要进行自检和专职检查，焊缝质量符合验收技术要求后，方可进行下道焊缝的焊接。
4.3.3 焊后焊接质量检测
焊后进行全面专职检查，双人同步TIG 焊焊缝一次合格率为98%以上，疵病经修复后达到100%合格。
5 结论
a. 双人同步TIG 立焊和横焊这两项新的焊接方法，适用于中等厚度铸造锡青铜板的焊接。
b. 双人同步TIG 焊与单人双面TIG 焊相比，它能实现一次焊双面成形的焊缝，焊接变形小，减去了繁重的清理焊根的劳动，减少了焊接层数，节省了焊接材料，缩短了焊接时间，提高了生产效率，充分体现出双人同步TIG 焊的优越性。
c. 在大型艺术制像工程中应用双人同步TIG 焊，既能保证工程焊接质量和产品的艺术形像完美，又能降低制造成本，缩短工程周期。目前这项工艺技术已在其它大型艺术制像工程中进行推广运用。
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