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窄間隙焊接的應用現狀及發展趨勢

2016-11-02 15:01:00
sawchina
原創
10206
摘要：自1963年12月《鐵時代》雜志上首次刊發由美國Battelle研究所開發的窄間隙焊接技術以來（術語“窄間隙焊接”于1966年5月第一次出現在《British Welding Journal》雜志上發表的由美國Battelle芯克腞 P Meister和D C Matin合寫的文章中
自1963年12月《鐵時代》雜志上首次刊發由美國Battelle研究所開發的窄間隙焊接技術以來（術語“窄間隙焊接”于1966年5月第一次出現在《British Welding Journal》雜志上發表的由美國Battelle芯克腞 P Meister和D C Matin合寫的文章中〔1〕），窄間隙焊接技術作為一種更先進的焊接技術，立即受到了全世界各國焊接專家的高度關注，并相繼投進了大量的研究〔2〕。V Y 馬林從很多刊物中整理出了窄間隙焊接的下述特征〔3〕：①是利用了現有的弧焊方法的一種特別技術；②多數采用I形坡口，坡口角度大小視焊接中的變形量而定；③多層焊接；④自下而上的各層焊道數目相同（通常為1或2道）；⑤采用小或中等熱輸進進行焊接；⑥有全位置焊接的可能性。

日本壓力容器委員會施工分會第八專門委員會曾審議了窄間隙焊接的定義，并作了如下規定〔4〕：窄間隙焊接是把厚度30mm以上的鋼板，按小于板厚的間隙相對放置開坡口，再進行機械化或自動化弧焊的方法（板厚小于200mm）。經過半個多世紀的研究和發展，人們對其焊接方法和焊接材料進行了大量的開發和研究工作，目前窄間隙焊在很多國家的產業生產中都發揮著巨大的作用。

1 窄間隙焊接技術的分類和原理

窄間隙焊接技術按其所采取的工藝來進行分類〔5〕，可分為窄間隙埋弧焊（NG-SAW）、窄間隙熔化極氣體保護焊（NG-GMAW）、窄間隙鎢極氬弧焊（NG-GTAW）、窄間隙焊條電弧焊、窄間隙電渣焊、窄間隙激光焊，每種焊接方法都有各自的特點和適應范圍。

1.1 窄間隙埋弧焊

1.1.1 窄間隙埋弧焊簡介

窄間隙埋弧焊出現于上世紀80年代，很快被應用于產業生產，它的主要應用領域是低合金鋼厚壁容器及其它重型焊接結構。窄間隙埋弧焊的焊接接頭具有較高的抗延遲冷裂能力，其強度性能和沖擊韌性優于傳統寬坡口埋弧焊接頭，與傳統埋弧焊相比，總效率可進步50%～80%；可節約焊絲38%～50%，焊劑56%～64.7%。窄間隙埋弧焊已有各種單絲、雙絲和多絲的成套設備出現，主要用于水平或接近水平位置的焊接，并且要求焊劑具有焊接時所需的載流量和脫渣效果，從而使焊縫具有合適的力學性能。一般采用多層焊，由于坡口間隙窄，層間清渣困難，對焊劑的脫渣性能要求秀高，尚需發展合適的焊劑。

盡管SAW工藝具有如下優點：高的熔敷速度，低的飛濺和電弧磁偏吹，能獲得焊道外形好、質量高的焊縫，設備簡單等，但是由于在填充金屬、焊劑和技術方面取得的最新進展，使日本、歐洲和俄羅斯等國家和地區在焊接碳鋼、低合金鋼和高合金鋼時廣泛采用NG-SAW工藝。

NG-SAW用的焊絲直徑在2～5mm之間，很少使用直徑小于2mm的焊絲。據報導，最佳焊絲尺寸為3mm。4mm直徑焊絲推薦給厚度大于140mm的鋼板使用，而5mm直徑焊絲則用于厚度大于670mm的鋼板。

NG-SAW焊道熔敷方案的選擇與很多因素有關。

單道焊僅在使用專為窄坡口內易于脫渣而開發的自脫渣焊劑時才采用。然而，盡管使用較高的坡口填充速度，單道焊方案較之多道焊方案仍有一些不足之處。除需要使用非標準焊劑之外，它還要求焊絲在坡口內非常正確地定位，對間隙的變化有較嚴格的限制。對焊接參數，特別是電壓的波動以及凝固裂紋的敏感性大，限制了這一工藝的適應性。單道焊在日本使用較多。

日本以外的其他國寶廣泛使用多道焊，其特點是坡口填充速度相當低，但其適應性強，可靠性高，產生缺陷少。盡管焊接本錢較高，但這一方案的最重要之處在于，答應使用標準的或略為改進的焊劑，以及普通SAW焊接工藝。

1.1.2 窄間隙埋弧焊的焊接特性

窄間隙焊接是在應用已有的焊接方法和工藝的基礎上，加上特殊的焊絲、保護氣、電極向狹窄的坡口內導進技術以及焊縫自動跟蹤等特別技術而形成的一種專門技術。埋弧焊的上風和局限性就直接遺傳給窄間隙埋弧焊技術，并在很大程度上決定著窄間隙焊接的技術特性、經濟特性、應用特性和可靠性〔7〕：

（1）埋弧焊時電弧的擴散角大，焊縫外形系數大，電弧功率大，再配合適當的絲－壁間距控制，無需像熔化極氣體保護焊那樣，必須采用較復雜的電弧側偏技術，即埋弧焊方法的電弧熱源及其作用特性，可直接解決兩側的熔合題目，這是埋弧焊方法在窄間隙技術中應用比例最高的重要原因。

（2）焊接過程中能量參數的波動對焊縫幾何尺寸的影響敏感程度低。這是由于埋弧焊方法的電弧功率高，同樣的電流波動量△I，在埋弧焊時所引起的波動幅度要小得多。

（3）埋弧焊過程中熔滴為渣壁過渡，液渣罩和固態焊劑的高效“阻擋”作用，根本不會產生飛濺，這是埋弧焊在所有熔化極弧焊方法中所獨占的特性，正是窄間隙焊技術所全力追尋的。由于深窄坡口內一旦產生較大顆粒的飛濺，無論是送絲穩定性、保護的有效性還是窄間隙焊槍的相對移動可靠性都將難以保證。

（4）在多層多道方式焊接時，通過單道焊縫外形系數的調節，可以有效地控制母材焊接熱影響區和焊縫區中粗晶區和細晶區的比例。通常焊縫外形系數越大，熱影響區和焊縫區中的細晶區比例越大。這是由于焊道熔敷越薄，后續焊道對先前焊道的累積熱處理作用越完全，通過一次、二次甚至三次固態相變，使焊縫和熱影響區中的部分粗晶區轉變成細晶區，這對進步窄間隙焊技術中焊態接頭的組織均勻性和力學性能均勻性具有極其重要的意義。
埋弧焊方法依靠電弧自身特性而無需采取特別技術即可解決極小坡口面角度（0o～7o）條件下的側壁熔合困難；焊縫幾何尺寸對電弧能量參數波動不敏感；無焊接飛濺的技術特性無條件地遺傳給窄間隙焊技術，從而極大地進步了窄間隙埋弧焊時送絲、送氣及焊槍在坡口內移動的可靠性，這對保證窄間隙焊接的熔合質量和過程可靠性起了決定作用。然而，埋弧焊方法的局限性也原原本本地遺傳給了窄間隙技術。

（1）由于狹窄坡口內單道焊接時極難清渣，使得窄間隙焊接時，必須采用每層2道（或3道）的熔敷方式，這將帶來NG-SAW技術中，不可能把填充間隙縮到像NG-TIG，NG-GMAW那樣小（10mm左右），而最小間隙一般也在18mm左右，這是NG-SAW在技術和經濟上難以更理想化的根本原因。

（2）埋弧焊方法的諸多技術上風起源于大電弧功率，這將使得NG-SAW時焊接熱輸進增大，焊接接頭的焊態塑、韌性難以進步，重要的NG-SAW接頭經常需要焊后熱處理方可滿足使用性能要求。

（3）難以實施平焊以外的其它空間位置的焊接。

1.1.3 產業上成熟的NG-SAW技術

埋弧焊是目前產業領域應用最為廣泛的焊接方法之一，也是應用到窄間隙技術中最成熟、最可靠、應用比例最高的焊接方法。到目前為止，在產業上比較成熟的窄間隙埋弧焊技術有以下幾種：

（1）NSA技術 它是日本川崎制鋼公司為碳鋼和低碳鋼壓力容器、海上鉆井平臺和機器制造而開發的NG-SAW。采用直焊絲技術及用陶瓷涂的特殊的扁平導電嘴。此技術采用單焊道，并采用單焊絲或串列雙絲。焊絲直徑3.2mm。以MgO-BaO-SiO2-Al2O3為基本成分的特殊設計的KB-120中性焊劑轉變能引起熱膨脹，以致具有較好的脫渣性。

（2）Subnap技術 它是由日本鋼鐵焊接產品工程公司為碳鋼和低合金鋼Ng-SAW開發的。它采用直焊絲、單焊道和單焊絲或串列雙絲。焊絲直徑3.2mm。為獲得較好的脫渣性，特殊設計了主要成分分別為TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgO的2種焊劑。

（3）ESAB技術 它是瑞典NG-SAW設備和焊接材料制造廠家ESAB為壓力容器和大型結構件的碳鋼和低合金鋼焊接而開發的。設計采用雙焊道，并采用固定彎絲。

（4）Ansaldo技術 它是由意大利米蘭Ansaldo T P A Breda鍋爐廠NG-SAW設備制造商和用戶開發的。它采用固定彎曲單焊絲，每層熔敷多焊道。

（5）M A N-GHH技術 它是由西德M A N-GHH Sterkrade為核反應堆室內部件制造而開發的。它采用單焊絲雙焊道。

1.2 窄間隙熔化極氣體保護焊

1.2.1 窄間隙熔化極氣體保護焊簡介

窄間隙熔化極氣體保護焊是1975年后研制成功的，這一工藝是在采用特殊的焊絲彎曲結構以使焊絲保持彎曲，從而解決坡口側壁的熔透題目之后得以實現的〔8〕。 


窄間隙熔化極氣體保護焊是利用電弧擺動來到達焊接鋼板兩側壁的一種方法。在平焊方法中，為了使I形坡口的兩邊充分焊透，使電弧指向坡口兩側壁，采用了各種方法：①在焊絲進進坡口前，使焊絲彎曲的方法；②使焊絲在垂直于焊接方向上擺動的方法；③麻花狀絞絲方法；④藥芯焊絲的交流弧焊方法；⑤采用大直徑實心焊絲的交流弧焊方法等。另外，也有采用φ（Ar）30%+φ（CO2)70%作為保護氣體與ф1.6mm實心焊絲相配合的氣體保護焊方法，用來焊接特殊外形復雜的接頭。在橫焊方法中，為了防止I形坡口內熔融金屬下淌，以便得到均勻的焊道，提出了如下焊接方法：利用焊接電流的周期性變化，使焊絲擺動或將坡口分成上下層的焊接方法，以及將2種方式組合起來的焊接方法等。在立焊窄間隙MAG焊接方法中，為了保證坡口兩側焊透，研制了擺動焊絲的焊接方法以及焊接電流與焊絲擺動同步變化的焊接方法。

1.2.2 產業上成熟的NG-GMAW技術

表面張力過渡<5>(Suface Tension Transfer)技術采用了7個國家的20余項專利，最早于1993年由美國林肯公司的高級工程師Stava發表在Welding Journal上。表面張力過渡技術源于短途經渡技術，但又不同于傳統的短途經渡技術，它主要通過表面張力對熔滴的作用實現熔滴過渡。表面張力過渡理論以為，從熔滴與熔池開始接觸直到縮頸小橋斷裂為止的熄弧期間內，熔滴上沒有等離子流力、電弧推力、斑點力、金屬蒸汽反作用力等作用力，此時若不考慮重力與電磁力的作用，則熔滴完全在熔滴與熔池融合界面的表面張力作用下完成了向熔池的展展、縮頸、斷裂，在短路期間內，縮頸小橋形成時與存在期間輸出小的焊接電流與電弧電壓，極大地減少了短路液態小橋的爆炸程度，從而減小了飛濺。

表面張力過渡工藝是熔化極氣體保護焊方法中短途經渡工藝技術的一次巨大技術進步，它具有以下技術上風：①飛濺率非常低，熔滴呈軸向過渡；②焊接煙塵量小；③作業環境更舒適（低煙塵、低飛濺、低光輻射）；④低熱輸進條件下熔合優良；⑤具有良好的打底焊道全位置單面焊雙面成形能力；⑥操縱更輕易，作業效率更高。

1.3 窄間隙鎢極氬弧焊

此種焊接工藝基本不產生飛濺和熔渣，由于電弧的穩定性，也很少產生明顯的焊接缺陷，并且也已確立向全位置焊接的應用〔9〕。但是這一方法的缺點在于工作效率低，為了進步工作效率，對填充焊絲通電加熱的同時，還應該采用熱電阻線焊接法，這種方法的有利方面是可以個別選擇焊接電流和填充焊絲的送給量。但是，假如給予填充焊絲過多的通電量，會引起鎢極惰性氣體保護焊的磁沖擊，形成的電弧不穩定。因此，采取將電弧電流和電線電流分別脈沖化或錯開其相位，或將單方面的電流交流化等措施。

超高強鋼的使用促進了TIG焊在窄間隙焊接中的應用，一般以為TIG焊是焊接質量最可靠的工藝之一〔5〕。由于氬氣的保護作用，TIG焊可用于焊接易氧化的非鐵金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬（如鉬、鈮、鋯）等，其接頭具有良好的韌性，焊縫金屬中的氫含量很低。由于鎢極的載流能力低，因而熔敷速度不高，應用領域比較狹窄，一般被用于打底焊以及重要的結構中。

1.4 窄間隙焊條電弧焊

由于窄間隙焊接主要面向機械化及自動化生產，焊條電弧焊在窄間隙焊接中的應用未幾，而且焊接質量不好控制。但實際生產中，窄間隙焊條電弧焊具有其他焊接方法所不能替換的上風（如使用方便、靈活、設備簡單等），因此在某些領域中，如在大壩建筑中用于鋼筋的窄間隙焊接，解決了由于鋼筋連接技術造成的鋼筋偏心受力題目，本錢僅為綁條焊的1/11；對ф18～40mm的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級鋼筋均適用〔5〕。

與其它NG技術比較，窄間隙焊條電弧焊應用非常有限。

1.5 窄間隙電渣焊

窄間隙電渣焊除了可以焊接各種鋼材和鑄鐵外，還可以焊接鋁及鋁合金、鎂合金、鈦及鈦合金以及銅。它被廣泛用于鍋爐制造、重型機械和石油化工等行業，近年來在橋梁建造中，窄間隙電渣焊被用于焊接25～75mm的平板結構〔5〕。其焊劑、焊絲和電能的消耗量均比采用埋弧焊低，并且工件厚度越大，效果越明顯，焊接接頭產生淬火裂紋的傾向小，與傳統電渣焊相比，焊縫和熱影響區的金屬性能更高，可免除或簡化焊后的熱處理過程。但其設備比較龐大，同時對所用渣劑的脫渣性要求較高。

1.6 窄間隙激光焊

由于激光焊焊接的板厚超過6mm時被列進厚板焊接，而激光焊的坡口寬度很小，此時可以以為是窄間隙激光焊接。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器，目前可焊厚度達50mm，深寬比高達12:1。激光焊接的焊縫在焊態下硬度很高，主要含馬氏體組織，應進行焊后熱處理。由于激光焊要求大功率的激光器，設備要求高，因此在生產領域中的應用是有限的。

2 窄間隙焊接的應用現狀

窄間隙焊焊縫較好的力學性能、較低的殘余應力與殘余變形以及窄間隙焊高的焊接生產率與低的生產本錢，決定著該技術在鋼結構焊接領域客觀上存在著巨大的應用潛力和廣闊的應用范圍。從技術角度上看，其諸多的技術優越性決定著該技術具有極大的誘惑力。但從經濟角度上看，窄間隙焊接技術的確存在著一個經濟板厚范圍題目，即享有其技術優越性的同時，能猁明顯經濟效益的板厚范圍。一般來講，板厚越大，其經濟效益也越大。具有明顯經濟優越性的最小板厚，可稱為窄間隙焊的下限板厚。該下限板厚隨著結構鋼種、結構可靠性要求、結構尺寸及空間位置而變化，但一般為20～30mm。上限板厚只取決于所開發的窄間隙焊技術的焊槍可達深度，理論上不存在上限板厚限制焊槍。已有的窄間隙焊，焊接500～600mm板厚無任何技術障礙。目前，窄間隙焊接已成功地應用到了產業生產中的很多方面，其具體分布結構見表1，2<10>。

表1 NGW應用領域分布表

NGW應用領域 利用率（%）
壓力容器和鍋爐52.5
產業機械 25
海洋結構和造船12.5
壓力水管 10

表2 NGW利用率分布表
NGW方法GMAW GTAW GSAW
利用率（%）75 5 20

在經濟建設中，很多大型鋼結構、橋梁、艦船以及核反應堆上都要求采用大厚度鋼板連接〔10〕。我國焊接鋼結構基本上停留于焊條電弧焊水平，窄間隙焊接應用極少，這不僅很難進步勞動生產率，而且焊接質量水平不高。

當前，大厚度鋼板越來越廣泛地應用于生產中，我國可在傳統的焊條電弧焊基礎上，加快利用窄間隙焊接的步伐。我國的窄間隙焊接技術可在鑒戒國外偏重于機械式的基礎上，利用先進的計算機控制技術，向機械和控制相結合的方面發展，從而成為其今后發展的一個方向。

3 窄間隙焊接的發展方向及其新進展

窄間隙焊具有極高的焊接生產率，更優良的接頭力學性能，更小的焊接殘余應力和殘余變形，更低的焊接生產本錢等明顯技術與經濟上風，將其回為先進制造技術，當之無愧。然而，迄今為止，該技術在厚板焊接領域的推廣應用仍極其有限，我國不少行業至今在應用上仍沒有零的突破。要使窄間隙焊接技術更成熟化、更實用化、技術經濟上風更明顯化，還應主要從以下方面加快技術開發和技術進步：

（1）開發更低熱輸進的弧焊技術，以滿足高強鋼甚至高合金鋼、空間位置適應性更寬等方面的需要；
（2）開發GMAW方法的超低飛濺率控制技術（包括電源），以滿足窄間隙自動焊工藝過程高可靠性、高穩定性的需要；
（3）開發高抗干擾能力、高可靠性、高精度的自動跟蹤技術，以滿足焊槍在狹窄坡口內安全可靠運行，電弧在坡口內空間作用位置高度正確的需要。

近10余年來，關于窄間隙焊接新技術的開發研究，世界各國似乎都放慢了速度，原因可能在于超低飛濺率控制技術和高可靠性的實時跟蹤控制還未產生技術上的奔騰，而盡對不是窄間隙焊技術已達到盡善盡美的狀態。十分可喜的是，各國焊接專家們并沒有意氣消沉，自上世紀90年代以來在為弧焊技術產生質的奔騰而進行的不懈研究中，取得了令人振奮的新進展，從而為窄間隙焊技術的快速發展奠定了基礎。近10余年來的部分進展如下：

（1）采用脈沖旋轉射流過渡技術，在降低飛濺率的同時增強兩側壁的熔合；采用磁場控制窄間隙坡口內的電弧擺動；
（2）超低飛濺率（＜3%）表面張力過渡焊機已開發成功（美國Lincoln公司）且已商品化；
（3）采用計算機輔助控制的各種光電、激光等自動跟蹤系統相繼開發出來（如瑞典ESAB公司、美國Jellin公司以及國內數所大學等）；
（4）恒流CO2焊機、模糊控制半自動GMAW焊機（如日本）等新型電源相繼開發出來（有的已商品化）；
（5）高熔敷速度、低飛濺率、無需層間清渣的藥芯焊絲的開發，為窄間隙藥芯焊絲電弧焊的應用提供了可能性；
（6）高穩定度送絲機構（如雙電機、四輪驅動等）已成功應用于常規GMAW方法中。

總之，近年來在GMAW領域開發出來的諸多新工藝、新設備、新裝置、新器材，以及產業技術水平的不斷進步，都為窄間隙焊的技術進步提供了新思路、新途徑和新技術儲備。相信在不久的將來，更高效率、更高質量、更低本錢、更可靠、更實用化的窄間隙焊接技術還會不斷涌現出來。(end)
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