窄间隙气体保护焊接工艺发展与应用

窄间隙气体保护焊接工艺发展与应用

李正,1  ,刘沐熙2,王梅东1

(1.中核工程咨询有限公司  2.河南核净洁净技术有限公司)

摘要：窄间隙焊接技术（NarrowGapWelding，NG-W）在保留传统焊接方法优点的同时，较理想地克服了上述局限性。与传统焊接技术相比，由于NG-W采用窄而深的焊接坡口，因此大幅度减少了焊缝横截面积，节约了填充焊接材料，降低了接头总的焊接热输入，在提高焊接生产率的同时降低了焊接生产成本。特别地，由于焊接材料填充量少、总的热输入低，不但使接头残余应力和残余变形小、焊缝组织细化，也会大大减小接头塑韧性损伤，容易获得高精度、高性能的接头。

关键词：窄间隙气体保护；焊接工艺发展；应用

引言

目前超厚板金属结构多采用非熔化极气体保护焊、电子束焊接和激光焊，非熔化极气体保护焊操作简单且成本低，但存在焊接热输入大、焊后变形严重和效率低等问题；电子束焊接需要在真空条件下进行，其设备昂贵，并且焊接构件尺寸受限，因此也制约其大范围推广应用，而激光焊则往往束缚于焊接构件的壁厚和坡口形式，单激光在大气条件下无法实现壁厚较大的构件优质焊接，往往会带来气孔、焊缝凹陷、焊缝成形不良等问题，而激光电弧复合焊接则无法实现窄间隙高效焊接，构件需要加工较大的坡口进行焊接，从而大幅降低了焊接效率。

1窄间隙焊接技术

这些边主要是宽度较小的I型边，通常为8 mm至10 mm。由于焊接效率、成本效益、获得机械性能好且变形小的焊接接头的能力等较窄的焊接优点，因此采用了这种焊接方法根据焊缝方法的不同，小间隙焊缝可分为低间隙钨极弧焊缝(NG-TIG)、低间隙熔极弧焊缝(NG-MIG/MAG)和低间隙铣削弧焊缝(NG-SAW)。由于窄焊缝主要适用于厚结构构件焊缝，且焊缝又窄又深，因此焊缝质量控制存在以下困难:(1)窄焊缝是由厚板之间不开放边或不开放边的焊缝组成的焊缝为了确保焊接质量，请选择焊接参数，如选择焊接电弧焊、焊接电流、应力等。是紧密焊接的难点之一；(2)对于狭长空间焊接，主要由于厚板焊接，一般采用多层多通道焊接法，如何选择焊道焊接层和通道布置法，以确保多层多通道焊接质量为一(3)由于焊接材料通常用于窄间隙焊接，因此焊接材料的选择，无论是用于铸铁/非铸造极弧焊接的焊接线/焊条选择，还是用于窄间隙铣削弧焊接的焊接选择，都是其中之一。

2窄间隙熔化极保护焊技术

焊丝作为电极可采用大电流焊接，焊接熔敷效率高，同时适用于各种位置焊接，焊后不需要清渣，且明弧焊接便于监视和控制，非常适合自动化焊接。保护气体通常使用Ar或CO2，在实际工程应用中多用CO2+Ar混合气。窄间隙CO2气体保护焊兼顾了CO2气体保护和窄间隙焊二者的长处，但飞溅率高是其最大的问题，人们一直在寻找降低CO2气体保护焊飞溅率的方法。表面张力过渡（SurfaceTensionTransfer，STT）技术极大地降低了气体保护焊的飞溅率，使纯CO2气体保护焊在NG-W中的应用成为可能。另外，药芯焊丝的使用极大地抑制了CO2气体保护焊接过程中的飞溅。药芯焊丝电弧焊（Flux-CoredArcWelding，FCAW）在纯CO2保护下，电弧和熔滴过渡稳定、熔敷效率高、焊缝成形良好，用于NG-W具有侧壁熔合良好、单道焊无摆动即可实现窄间隙焊接的优势。但基于FCAW的窄间隙焊技术，继承了SAW和GMAW的优点，但也遗传了其缺点。一方面是脱渣问题，用较小间隙（如≤12mm）单道焊接时，清渣十分困难，因而只能采用较大间隙（一般≥18mm），削弱了NG-GMAW的技术优势。

3窄间隙TIG热丝焊接

传统TIG焊缝在实践中焊接速度非常慢，原因是电磁承载力低，以及一些限制电弧焊接性能的因素。这尤其适用于坡口焊结构的使用，坡口焊结构是基于传统HKMG焊缝的高质量、高能效焊接技术。该原理是通过加热来加热钎焊接头，这不仅降低了骨盆的热输入，而且提高了金属接缝的熔体速度，减少了螺母的稀释，提高了TIG焊法的适应性和应用。窄间隙TIG焊缝与窄间隙TIG焊缝相比，在壁合并和焊缝分离方面具有明显优势。它可用于焊接厚零件，例如由硬化钢、不锈钢、有色金属制成，但熔体效果相对较低。

4窄间隙钨极氩弧焊技术

NG-GTAW最早应用是在20世纪70年代初，超高强度钢等热敏感材料的应用促进了NG-GTAW的研发。但由于钨极载流能力低，熔敷效率不高，应用领域较窄，因此一般被用于打底焊及重要结构焊接中。在实际生产中，为了提高熔敷效率，多采用热丝GTAW。与NG-SAW相比主要有以下特性。1）非熔化电极、无焊接飞溅、焊接过程稳定，易实现焊接热输入精确控制以及全位置焊接。2）焊接热输入低和无氧气氛有利于获得高质量焊接接头，非常适用于高强钢、高合金钢、不锈钢及钛合金等材料焊接。在现有的各种NG-W技术中，若进行综合评价，则NG-GMAW是相对更优越的技术：从焊接生产率上看，NG-GMAW具有与NG-SAW接近的较高熔敷率，且成倍地高于NG-GTAW；从空间位置上看，NG-GMAW可以全位置焊接；另外，NGGMAW热输入范围宽且很低，使其特别适用于低合金高强钢、超高强钢等对热输入比较敏感材料的焊接，可降低HAZ损伤。

5窄间隙TIG焊接

TIG焊接具有焊接速度慢、焊接熔胶深度低、熔体效率低等缺点，因此TIG焊接只适用于薄壁零件，影响生产效率。TIG窄间隙焊缝是一种结合钨极弧焊缝和窄间隙坡口焊缝的新焊接技术。窄间隙TIG焊接继承TIG焊接的优点，克服TIG焊接效率低的缺点，提高熔胶效率和焊接速度，实现完整、高效、优质的焊接。

6窄间隙激光焊接技术

自实施振动激光焊接技术以来，激光焊接设备从机械发展成振动系统。1)机械摆动机构:用数控机床控制激光焊接，研究对空气孔的爆破振动抑制。机构控制激光焊接条件的研究虽然取得了一些成果，但存在振动频率低、稳定性差等缺点。2)动楔平移机构:通过用光束楔破光束，通过旋转机动透镜使激光束闪烁，例如通过IPG制造的D30/D50激光焊接摆动摆动摆动摆动摆动摆动摆动摆动摆动焊接镜，其光束精度高，振动频率高，简化了振动激光焊接的发展，但在统一振动模式下限制了工业应用。3)反射摆动机制:激光束摆动由两个伺服电机控制，控制激光通路的摆动，转动激光通路，然后通过聚焦组聚焦到固定位置，使激光池能够加载，例如通过特朗普制造的可编程聚焦环套，旋转速度高达1000mm/s，激光束定位和接触速度快。在NG-LW过程中，您可以通过设置振动参数(如振幅、频率、速度或图案)、调整熔池金属流量、抑制产生气隙、改变焊缝池的形状和大小、抑制冻结裂纹、改变粒子生长行为、执行可靠的侧面板融合以及实现高质量的连接来扩展间隙调整。尽管NG-LW提供了高质量的连接，但它与NG-GTAW一样存在耐久性问题。

结束语

在窄焊过程中，由于零件(如厚板)的主要目标、焊缝参数的相应选择控件、焊接电弧、焊枪结构和焊接材料在窄焊过程中的选择以及参数的选择，焊接难度较大此外，为了提高窄间隙的焊接质量，还可以通过连接激光等其他热源或合并磁场来提高焊接质量。

参考文献

[1]王萍,陈肈宇.窄间隙焊接工艺在电站锅炉小口径管制造中的应用[J].锅炉制造,2019

[2]龚练,李之琦,朱亮.钢轨超窄间隙焊接热裂纹形成机理及抑制方法[J].兰州理工大学学报,2018

[3]马世辉,邹艳明,李志强,娄振洋.根部间隙对高强钢焊接接头组织和性能的影响[J].焊接技术,2018

[4]刘健,贺智涛,牛继承.船用高强钢厚板窄间隙热丝TIG焊接工艺研究[J].材料开发与应用,2018

[5]张正栋.缆式焊丝窄间隙焊接技术研究[D].江苏科技大学,2018