窄間隙焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、窄間隙焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)自1963年12月鐵時(shí)代雜志上首次刊發(fā)由美國(guó)Battelle研究所開(kāi)發(fā)的窄間隙焊接技術(shù)以來(lái)（術(shù)語(yǔ) 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(guó)Battelle芯克 朦P Meister和D C Matin合寫(xiě)的文章中1），窄間隙焊接技術(shù) 作為一種更先進(jìn)的焊接技術(shù)，立即受到了全世界各國(guó)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(jìn)行焊接；有全位置焊接的可能性。日本壓力容器委員會(huì)施工分會(huì)第八專門(mén)委員會(huì)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(duì)放置開(kāi)坡口，再進(jìn) 行機(jī)械化或自動(dòng)化弧焊的方法（板厚小于200mm）。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究和發(fā)展，人們對(duì)其焊接方法和焊接材料進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)和研究工作，目前窄間隙焊在許多國(guó)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(lái)進(jìn)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(hù)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(diǎn)和適應(yīng)范圍。窄間隙埋弧焊窄間隙埋弧焊簡(jiǎn)介窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于上世紀(jì)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(qiáng)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(shí)所需的載流量和脫渣效果，從而使焊縫具有合適的力學(xué)性能。一般采用多層

4、焊，由于坡口間隙窄，層間清渣困難，對(duì)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(diǎn)：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(jiǎn)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(jìn)展， 使日本、歐洲和俄羅斯等國(guó)家和地區(qū)在焊接碳鋼、低合金鋼和高合金鋼時(shí)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(bào)導(dǎo)，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(kāi)發(fā)的自脫渣焊劑時(shí)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(biāo)準(zhǔn)焊劑之外，它還要求焊絲在坡口內(nèi)非常準(zhǔn)確地定位，對(duì)間隙的變化有較嚴(yán)格的限制。對(duì)焊接參數(shù)，特別是電壓的波動(dòng)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(guó)寶廣泛使用多道焊，其特點(diǎn)是坡口填充速度相當(dāng)?shù)?，但其適應(yīng)性強(qiáng)， 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(biāo)準(zhǔn) 的或略為改進(jìn)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(hù)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(hù)氣、電極向狹窄的坡口內(nèi)導(dǎo)入技術(shù)以及焊縫自動(dòng)跟蹤等特別技術(shù)而形成的一種專門(mén)技術(shù)。埋弧焊的優(yōu)勢(shì)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(jì)特性、應(yīng)用特性和可靠性7：(1)埋弧焊時(shí)電弧的擴(kuò)散角大，焊縫形狀系數(shù)大，電弧功率大，再配合適當(dāng)?shù)慕z一壁 間距控制，無(wú)需像熔化極氣體保護(hù)焊那樣，必需采用較復(fù)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(wèn)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(guò)程中能量參數(shù)的波動(dòng)對(duì)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(dòng)量I,在埋弧焊時(shí)所引起的波動(dòng)幅度要小得多。(3)埋弧焊過(guò)程中熔滴為渣壁過(guò)渡，液渣罩和固態(tài)焊劑的高效阻擋”作用，根本不會(huì)產(chǎn)生飛濺，這是埋弧焊在所有熔化極弧焊方法中所獨(dú)有的特性，正是窄間隙焊技術(shù)所全力追尋的。因?yàn)樯钫驴趦?nèi)一旦產(chǎn)生較大顆粒的飛濺，無(wú)論是送絲穩(wěn)定性、 保護(hù)的有效性還是窄間隙焊槍的相對(duì)移動(dòng)可靠性都將難以保證。(4)在多層多道方式焊接時(shí)，通過(guò)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(xì)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(xì)晶區(qū)比例越大。 這是由于焊道熔敷越薄，后續(xù)焊道對(duì)先前焊道的累積熱處理作用越完全，通過(guò)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(xì)晶區(qū)， 這對(duì)提高窄間隙焊技術(shù)中焊態(tài)接頭的組織均勻性和力學(xué)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(wú)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(duì)電弧能量參數(shù)波動(dòng)不敏感；無(wú)焊接飛濺的技術(shù)特性無(wú)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(shí)送絲、送氣及焊槍在坡口內(nèi)移動(dòng)的可靠性，這對(duì)保證窄間隙焊接的熔合質(zhì)量和過(guò)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(shí)極難清渣，使得窄間隙焊接時(shí)，必須采用每層2道(或3道)的熔敷方式，這將帶來(lái)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(jì)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(shì)起源于大電弧功率，這將使得NG-SAW時(shí)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(shí)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(tái)和機(jī) 器制造而開(kāi)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(dǎo)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(jì)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(kāi)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(jì)了主要成分分別為T(mén)iO2-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(kāi)發(fā)的。設(shè)計(jì)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(kāi)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(kāi)發(fā)的。它采用單焊絲雙焊道。窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊簡(jiǎn)介窄間隙熔化極氣體保護(hù)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(wèn)題之后得以實(shí)現(xiàn)的8。窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊是利用電弧擺動(dòng)來(lái)到達(dá)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(jìn)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(dòng)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(shí)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(hù)氣體與 力1.6mm實(shí)心焊絲相配合的氣體保護(hù)焊 方法，用來(lái)焊接特殊形狀復(fù)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(dòng)或?qū)⑵驴诜殖缮舷聦拥暮附臃椒?，以及?種方式組合起來(lái)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(dòng)焊絲的焊接方法以及焊接電流與焊絲擺動(dòng)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(guò)渡(Suface Tension Transfer)技術(shù)采用了 7個(gè)國(guó)家的20余項(xiàng)專利，最早于 1993年由美國(guó)林肯公司的高級(jí)工程師Stava發(fā)表在 Welding Journal上。表面張力過(guò)渡技術(shù)源于短路過(guò)渡技術(shù)，但又不同于傳統(tǒng)的短路過(guò)渡技術(shù)，它主要通過(guò)表面張力對(duì)熔滴的作用實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡。表面張力過(guò)渡理論認(rèn)為，從熔滴與熔池開(kāi)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(méi)有等離子流力、電弧推力、斑點(diǎn)力、金屬蒸汽反作用力等作用力，此時(shí)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(shí)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(guò)渡工藝是熔化極氣體保護(hù)焊方法中短路過(guò)渡工藝技術(shù)的一次巨大技術(shù)進(jìn)步， 它具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：飛濺率非常低，熔滴呈軸向過(guò)渡；焊接煙塵量?。蛔鳂I(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(diǎn)在于工作效率低，為了提高工作效率，對(duì)填充焊絲通電加熱的同時(shí)，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(gè)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(guò)多的通電量，會(huì)引起鴇極惰性氣體保護(hù)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(cuò)開(kāi)其相位，或?qū)畏矫娴碾娏鹘涣骰却胧?。超高?qiáng)鋼的使用促進(jìn)了 TIG焊在窄間隙焊接中的應(yīng)用，一般認(rèn)為T(mén)IG焊是焊接質(zhì)量最可靠的工藝之一5。由于僦氣的保護(hù)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(cuò))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(jī)械化及自動(dòng)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(shí)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(shì)（如使用方便、靈活、設(shè)備簡(jiǎn)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(wèn)題，成本僅為綁條焊的 1/11;對(duì)6 1

17、8-40mm的I, n,m級(jí)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(jī)械和石油化工等行業(yè)，近年來(lái)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(jiǎn)化焊后的熱處理過(guò)程。但其設(shè)備比較龐大，同時(shí)對(duì)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(guò) 6mm時(shí)被列入

18、厚板焊接，而激光焊的坡口寬度很小，此時(shí) 可以認(rèn)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(dá)50mm,深寬比高達(dá)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(jìn)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(xué)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(jì)角度上看，窄間隙焊接技術(shù)的確存在著一個(gè)經(jīng)

19、濟(jì)板厚范圍問(wèn)題，即享有其技術(shù)優(yōu)越性的同時(shí)，能刷顯著經(jīng)濟(jì)效益的板厚范圍。一般來(lái)講，板厚越大，其經(jīng)濟(jì)效益也越大。具有明顯經(jīng) 濟(jì)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(kāi)發(fā)的窄間隙焊技術(shù)的焊槍可達(dá)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(wú)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(jiàn)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(jī)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(jì)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(guó)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(dòng)生產(chǎn)率，而且焊接質(zhì)量水平不高。當(dāng)前，大厚度鋼板越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)中，我國(guó)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(guó)的窄間隙焊接技術(shù)可在借鑒國(guó)外偏重于機(jī)械式的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，向機(jī)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(gè)方向。3窄間隙焊接的發(fā)展方向及其新進(jìn)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(xué)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(jì)優(yōu)勢(shì)，將其歸為先進(jìn)制造技術(shù)，當(dāng)之無(wú)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(guó)不少行業(yè)至今在應(yīng)用上仍沒(méi)有零的突破。要使窄間隙焊接技術(shù)更成熟化、更實(shí)用化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更明顯化， 還應(yīng)主要從以下方面加快技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)進(jìn)步：(1)開(kāi)發(fā)更低熱輸入的弧焊技術(shù)，以滿足高強(qiáng)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(kāi)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(dòng)焊工藝過(guò)程高可靠性、高穩(wěn)定性的需要；(3)開(kāi)發(fā)高