窄間隙焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、窄間隙焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢自1963年12月鐵時代雜志上首次刊發(fā)由美國Battelle研究所開發(fā)的窄間隙焊接技術(shù)以來（術(shù)語 窄間隙焊接”于1966年5月第一次出現(xiàn)在 British Welding Journal雜志上發(fā) 表的由美國Battelle芯克 朦P Meister和D C Matin合寫的文章中1），窄間隙焊接技術(shù) 作為一種更先進的焊接技術(shù)，立即受到了全世界各國焊接專家的高度關(guān)注，并相繼投入了大量的研究2。V Y馬林從許多刊物中整理出了窄間隙焊接的下述特征3：是利用了現(xiàn)有的弧焊方法的一種特別技術(shù)；多數(shù)采用I形坡口，坡口角度大小視焊接中的變形量而定；多層焊接；自下而上的各層焊道數(shù)目

2、相同（通常為1或2道）；采用小或中等熱輸入進行焊接；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(guī)定：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(jīng)過半個多世紀的研究和發(fā)展，人們對其焊接方法和焊接材料進行了大量的開發(fā)和研究工作，目前窄間隙焊在許多國家的工業(yè)生產(chǎn)中都發(fā)揮著巨大的作用。1窄間隙焊接技術(shù)的分類和原理窄間隙焊接技術(shù)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 ）、窄間隙鴇極僦弧焊（NG-

3、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(yīng)范圍。窄間隙埋弧焊窄間隙埋弧焊簡介窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于上世紀80年代，很快被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是低合金鋼厚壁容器及其它重型焊接結(jié)構(gòu)。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(yōu)于傳統(tǒng)寬坡口埋弧焊接頭，與傳統(tǒng)埋弧焊相比，總效率可提高50%80%;可節(jié)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(shè)備出現(xiàn)，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

4、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(fā)展合適的焊劑。盡管SAW工藝具有如下優(yōu)點：高的熔敷速度，低的飛濺和電弧磁偏吹，能獲得焊道形 狀好、質(zhì)量高的焊縫，設(shè)備簡單等，但是由于在填充金屬、 焊劑和技術(shù)方面取得的最新進展， 使日本、歐洲和俄羅斯等國家和地區(qū)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 25mm之間，很少使用直徑小于 2mm的焊絲。據(jù)報導，最 佳焊絲尺寸為3mm。4mm直徑焊絲推薦Z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許多因素有關(guān)。單道焊僅在

5、使用專為窄坡口內(nèi)易于脫渣而開發(fā)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(nèi)非常準確地定位，對間隙的變化有較嚴格的限制。對焊接參數(shù)，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(yīng)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?shù)?，但其適應(yīng)性強， 可靠性高，產(chǎn)生缺陷少。盡管焊接成本較高， 但這一方案的最重要之處在于，允許使用標準 的或略為改進的焊劑，以及普通SAW焊接工藝。窄間隙埋弧焊的焊接特性加上特殊的焊絲、保護氣、電極窄間隙焊接是在應(yīng)用已有的焊接

6、方法和工藝的基礎(chǔ)上,加上特殊的焊絲、保護氣、電極向狹窄的坡口內(nèi)導入技術(shù)以及焊縫自動跟蹤等特別技術(shù)而形成的一種專門技術(shù)。埋弧焊的優(yōu)勢和局限性就直接遺傳給窄間隙埋弧焊技術(shù)，并在很大程度上決定著窄間隙焊接的技術(shù)特 性、經(jīng)濟特性、應(yīng)用特性和可靠性7：(1)埋弧焊時電弧的擴散角大，焊縫形狀系數(shù)大，電弧功率大，再配合適當?shù)慕z一壁 間距控制，無需像熔化極氣體保護焊那樣，必需采用較復雜的電弧側(cè)偏技術(shù)，即埋弧焊方法的電弧熱源及其作用特性，可直接解決兩側(cè)的熔合問題，這是埋弧焊方法在窄間隙技術(shù)中應(yīng)用比例最高的重要原因。(2)焊接過程中能量參數(shù)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

7、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(tài)焊劑的高效阻擋”作用，根本不會產(chǎn)生飛濺，這是埋弧焊在所有熔化極弧焊方法中所獨有的特性，正是窄間隙焊技術(shù)所全力追尋的。因為深窄坡口內(nèi)一旦產(chǎn)生較大顆粒的飛濺，無論是送絲穩(wěn)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，通過單道焊縫形狀系數(shù)的調(diào)節(jié)，可以有效地控制母材焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)中粗晶區(qū)和細晶區(qū)的比例。通常焊縫形狀系數(shù)越大，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)中的細晶區(qū)比例越大。 這是由于焊道熔敷越薄，后續(xù)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(tài)相

8、變，使焊縫和熱影響區(qū)中的部分粗晶區(qū)轉(zhuǎn)變成細晶區(qū)， 這對提高窄間隙焊技術(shù)中焊態(tài)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(shù)即可解決極小坡口面角度(007。條件下的側(cè)壁熔合難題；焊縫幾何尺寸對電弧能量參數(shù)波動不敏感；無焊接飛濺的技術(shù)特性無條件地遺傳給窄間隙焊技術(shù)，從而極大地提高了窄間隙埋弧焊時送絲、送氣及焊槍在坡口內(nèi)移動的可靠性，這對保證窄間隙焊接的熔合質(zhì)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(shù)。(1)由于狹窄坡口內(nèi)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-

9、SAW技術(shù)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(shù)和經(jīng)濟上難 以更理想化的根本原因。(2)埋弧焊方法的諸多技術(shù)優(yōu)勢起源于大電弧功率，這將使得NG-SAW時焊接熱輸入增大，焊接接頭的焊態(tài)塑、韌性難以提高，重要的 NG-SAW接頭常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 工業(yè)上成熟的 NG-SAW 技術(shù)埋弧焊是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一，也是應(yīng)用到窄間隙技術(shù)中最成 熟、最可靠、應(yīng)用比例最高的焊接方法。到目前為止，在工業(yè)上比較成熟的

10、窄間隙埋弧焊技術(shù)有以下幾種：NSA技術(shù) 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(fā)的 NG-SAW。采用直焊絲技術(shù)及用陶瓷涂的特殊的扁平導電嘴。此技術(shù)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(shè)計的KB-120中性焊劑轉(zhuǎn)變能引起熱膨脹，以致具有較好的脫渣性。Subnap技術(shù) 它是由日本鋼鐵焊接產(chǎn)品工程公司為碳鋼和低合金鋼Ng-SAW開發(fā)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 o為獲得較好的脫渣性，特殊設(shè)計了主要成分分別為TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-

11、Al2O3-MgO的2種焊劑。ESAB技術(shù) 它是瑞典NG-SAW設(shè)備和焊接材料制造廠家ESAB為壓力容器和大型結(jié)構(gòu)件的碳鋼和低合金鋼焊接而開發(fā)的。設(shè)計采用雙焊道，并采用固定彎絲。Ansaldo技術(shù) 它是由意大利米蘭 Ansaldo T P A Breda 鍋爐廠NG-SAW 設(shè)備制造 商和用戶開發(fā)的。它采用固定彎曲單焊絲，每層熔敷多焊道。M A N-GHH 技術(shù) 它是由西德 M A N-GHH Sterkrade為核反應(yīng)堆室內(nèi)部件制造而 開發(fā)的。它采用單焊絲雙焊道。窄間隙熔化極氣體保護焊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(jié)構(gòu)

12、以使焊絲保持彎曲，從而解決坡口側(cè)壁的熔透問題之后得以實現(xiàn)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(cè)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(cè)壁，采用了各種方法：在焊 絲進入坡口前，使焊絲彎曲的方法；使焊絲在垂直于焊接方向上擺動的方法；麻花狀絞絲方法；藥芯焊絲的交流弧焊方法；采用大直徑實心焊絲的交流弧焊方法等。另外，也有采用。(Ar) 30%+(f)(CO2)70%作為保護氣體與 力1.6mm實心焊絲相配合的氣體保護焊 方法，用來焊接特殊形狀復雜的接頭。在橫焊方法中，為了防止I形坡口內(nèi)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

13、焊接電流的周期性變化，使焊絲擺動或?qū)⑵驴诜殖缮舷聦拥暮附臃椒?，以及?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(cè)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。工業(yè)上成熟的 NG-GMAW技術(shù)表面張力過渡(Suface Tension Transfer)技術(shù)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(fā)表在 Welding Journal上。表面張力過渡技術(shù)源于短路過渡技術(shù)，但又不同于傳統(tǒng)的短路過渡技術(shù)，它主要通過表面張力對熔滴的作用實現(xiàn)熔滴過渡。表面張力過渡理論認為，從熔滴與熔池開始接觸直到縮頸

14、小橋斷裂為止的熄弧期 間內(nèi)，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 池的鋪展、縮頸、斷裂，在短路期間內(nèi)，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(tài)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路過渡工藝技術(shù)的一次巨大技術(shù)進步， 它具有以下技術(shù)優(yōu)勢：飛濺率非常低，熔滴呈軸向過渡；焊接煙塵量小；作業(yè)環(huán)境更舒適(低煙塵、低飛濺、低光輻射)；低熱輸入條件下熔合優(yōu)良；具有良好的打底焊道 全位置單面焊雙面成形能力；操作更容易，作

15、業(yè)效率更高。窄間隙鴇極僦弧焊此種焊接工藝基本不產(chǎn)生飛濺和熔渣，由于電弧的穩(wěn)定性，也很少產(chǎn)生明顯的焊接缺陷，并且也已確立向全位置焊接的應(yīng)用9。但是這一方法的缺點在于工作效率低，為了提高工作效率，對填充焊絲通電加熱的同時，還應(yīng)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，如果給予填充焊絲過多的通電量，會引起鴇極惰性氣體保護焊的磁沖擊，形成的電弧不穩(wěn)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?qū)畏矫娴碾娏鹘涣骰却胧?。超高強鋼的使用促進了 TIG焊在窄間隙焊接中的應(yīng)用，一般認為TIG焊是焊接質(zhì)量最可靠的工藝之一5。由于僦氣的保護作用，TI

16、G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(如鋁、鋁、錯)等，其接頭具有良好的 韌性，焊縫金屬中的氫含量很低。由于鴇極的載流能力低，因而熔敷速度不高，應(yīng)用領(lǐng)域比 較狹窄，一般被用于打底焊以及重要的結(jié)構(gòu)中。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(chǎn)，焊條電弧焊在窄間隙焊接中的應(yīng)用不 多，而且焊接質(zhì)量不好控制。但實際生產(chǎn)中，窄間隙焊條電弧焊具有其他焊接方法所不能替代的優(yōu)勢（如使用方便、靈活、設(shè)備簡單等），因此在某些領(lǐng)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(shù)造成的鋼筋偏心受力問題，成本僅為綁條焊的 1/11;對6 1

17、8-40mm的I, n,m級鋼筋均適用5。與其它NG技術(shù)比較，窄間隙焊條電弧焊應(yīng)用非常有限。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(yè)，近年來在橋梁建造中， 窄間隙電渣焊被用于焊接2575mm的平板結(jié)構(gòu)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(chǎn)生淬火裂紋的傾向小，與傳統(tǒng) 電渣焊相比，焊縫和熱影響區(qū)的金屬性能更高，可免除或簡化焊后的熱處理過程。但其設(shè)備比較龐大，同時對所用渣劑的脫渣性要求較高。窄間隙激光焊由于激光焊焊接的板厚超過 6mm時被列入

18、厚板焊接，而激光焊的坡口寬度很小，此時 可以認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(tài)下硬度很高，主要含馬氏體組織，應(yīng)進行 焊后熱處理。由于激光焊要求大功率的激光器，設(shè)備要求高，因此在生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用是有限的。2窄間隙焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀窄間隙焊焊縫較好的力學性能、 較低的殘余應(yīng)力與殘余變形以及窄間隙焊高的焊接生產(chǎn) 率與低的生產(chǎn)成本，決定著該技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域客觀上存在著巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的 應(yīng)用范圍。從技術(shù)角度上看，其諸多的技術(shù)優(yōu)越性決定著該技術(shù)具有極大的誘惑力。但從經(jīng)濟角度上看，窄間隙焊接技術(shù)的確存在著一個經(jīng)

19、濟板厚范圍問題，即享有其技術(shù)優(yōu)越性的同時，能刷顯著經(jīng)濟效益的板厚范圍。一般來講，板厚越大，其經(jīng)濟效益也越大。具有明顯經(jīng) 濟優(yōu)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(jié)構(gòu)鋼種、結(jié)構(gòu)可靠性要求、結(jié)構(gòu)尺寸及空間位置而變化，但一般為2030mm。上限板厚只取決于所開發(fā)的窄間隙焊技術(shù)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500600mm板厚無任何技術(shù)障礙。目前，窄間隙焊接已成功地應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)中的許多方面，其具體分布結(jié)構(gòu)見表1,2。 表1 NGW應(yīng)用領(lǐng)域分布表 NGW應(yīng)用領(lǐng)域 利用率（%） 壓力容器和鍋爐 52.5 產(chǎn)業(yè)機械 25 海洋結(jié)構(gòu)和造船 12.5

20、壓力水管 10 表2 NGW利用率分布表 NGW 方法 GMAW GTAW GSAW 利用率（）75520在經(jīng)濟建設(shè)中，許多大型鋼結(jié)構(gòu)、橋梁、艦船以及核反應(yīng)堆上都要求采用大厚度鋼板連 接10。我國焊接鋼結(jié)構(gòu)基本上停留于焊條電弧焊水平，窄間隙焊接應(yīng)用極少，這不僅很難提高勞動生產(chǎn)率，而且焊接質(zhì)量水平不高。當前，大厚度鋼板越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)中，我國可在傳統(tǒng)的焊條電弧焊基礎(chǔ)上，加快利用窄間隙焊接的步伐。 我國的窄間隙焊接技術(shù)可在借鑒國外偏重于機械式的基礎(chǔ)上，利用先進的計算機控制技術(shù)，向機械和控制相結(jié)合的方面發(fā)展，從而成為其今后發(fā)展的一個方向。3窄間隙焊接的發(fā)展方向及其新進展窄間隙焊具有極高的焊接生產(chǎn)率，更優(yōu)良的接頭力學性能， 更小的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，更低的焊接生產(chǎn)成本等顯著技術(shù)與經(jīng)濟優(yōu)勢，將其歸為先進制造技術(shù)，當之無愧。然 而，迄今為止，該技術(shù)在厚板焊接領(lǐng)域的推廣應(yīng)用仍極其有限，我國不少行業(yè)至今在應(yīng)用上仍沒有零的突破。要使窄間隙焊接技術(shù)更成熟化、更實用化、技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢更明顯化， 還應(yīng)主要從以下方面加快技術(shù)開發(fā)和技術(shù)進步：(1)開發(fā)更低熱輸入的弧焊技術(shù)，以滿足高強鋼甚至高合金鋼、空間位置適應(yīng)性更寬 等方面的需要；(2)開發(fā)GMAW方法的超低飛濺率控制技術(shù)(包括電源)，以滿足窄間隙自動焊工藝過程高可靠性、高穩(wěn)定性的需要；(3)開發(fā)高