（材料加工工程专业论文）旋转陶瓷片约束tig电弧超窄间隙焊接技术研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 捅费 超窄间隙焊接是采用间隙尽量小的i 形坡口得到高质量焊接接头的一种高效 率焊接技术。超窄间隙焊解决的技术关键是侧壁熔合问题，目前国际上采用电弧 摆动或旋转方法来解决侧壁熔合问题，但此方法使焊接过程的控制及设备更为复 杂。因此，限制了窄间隙焊接在某些领域中的实际应用。本试验研究的窄间隙t i g 焊接技术，采用在改装过的埋弧焊接设备上加自制的焊枪进行焊接，并且在焊枪 上钨极两侧加圆形旋转陶瓷片约束电弧，防止电弧攀升，防止钨极和坡口侧壁产 生等离子弧，有效的控制电弧的加热区域，从而解决侧壁熔合。并且能将坡口间 隙减小到5 5 m m 以下。本课题通过电弧形态的观察分析，以及焊缝形状的测量， 试验研究了不同旋转陶瓷片约束条件下电弧的形态和加热特性；研究了旋转陶瓷 片约束t i g 电弧对母材的加热效果。通过分析焊接工艺参数对电弧形态的影响以 及对焊缝熔深和熔宽的影响，匹配合适的焊接工艺参数，保证坡口侧壁熔合，从而 实现能够进入更小的坡口间隙进行焊接的目的。 关键词：超窄间隙焊；陶瓷片；侧壁熔合；参数匹配 旋转陶瓷片约束t i g 电弧超窄间隙焊接技术研究 a b s t r a c t t h eu l t r a - n a r r o w - g a pw e l d i n gi sah i g he f f i c i e n tw e l d i n gt e c h n o l o g yi nw h i c hig r o o v e i su s e d g a pa l w a y sg e t sb a df u s i o ni st h em a i np r o b l e mi nu l t r a n a r r o w - g a pw e l d i n g a tp r e s e n t ，a r co s c i l l a t i o na n da r cr o t a t i o na r ea d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo ff u s i o n o ft h es i d e w a l l s ，b u tt h e s em e t h o d sm a k et h ec o n t r o l p r o c e s so fw e l d i n ga n d e q u i p m e n t sm o r ec o m p l e x t h u s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h eu l t r a - n a r r o w - g a pw e l d i n gi s l i m i t e di nm a n yf i e l d s t h ea u t h o rr e s e a r c h e s u l t r a n a r r o w g a pt i gw e l d i n g t e c h n o l o g ya d o p t i n gr o t a r yt o r c ht h a ti n s t a l l st w oc i r o u l a rc e r a m i c so nt w os i d e so f t u n g s t e ne l e c t r o d eo ns u b m e r g e da r cw e l d i n ge q u i p m e n t ，a v o i dt h ea r cc l i m b i n gu p f r o mt h en a r r o wg a pb o t t o m ，a v o i dt h eo c c u r r e n c eo fp l a s mb e t w e e ns i d e w a l la n d t u n g s t e ne l e c t r o d e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h eh e a t i n gz o n eo fa r c ，t h u si tc a n s o l v i n gt h ep r o b l e mo ff u s i o no ft h es i d e w a l l s a n dc o n t r o lg r o o v ew i d t hu n d e r5 ，5 m m t h ea u t h o rs t u d i e sa r cm o r p h o l o g ya n dh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fa r cu n d e rd i f f e r e n t c o n s t r i c t i n gc o n d i t i o n sb yo b s e r v i n ga r cm o r p h o l o g ya n dm a s u r i n gt h e s i z so f u l t r a n a r r o wg a pw e l d s i na d d i t i o n , t h ee f f e c to fa r ch e a t i n gb a s em e t a la l s oh a sb e e n s t u d i e dw i t hr o t a r yc e r a m i c t oo b t a i nm a t c h e dp a r a m e t e r sa n df u s i o no ft h es i d e w a l l s t h ea u t h o ra n a l y z e sw i d t ho fm e l t i n ga n dd e p t ho fm e l t i n gt h a ti si n f l u e n c e db y w e l d i n gp a r a m e t e r s ，s ou l t r a - n a r r o w - g a pw e l d i n gt e c h n o l o g yc o u l db ec a r r yo u ti nl e s s w i d t hg r o o v e k e yw o r d s ：u l t r a - n a r r o w g a pw e l d i n g ；c e r a m i c ；f u s i o no ft h es i d e w a l l s ；m a t c h i n g p a r a m e t e r s n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特另, l j t l 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：孑新，遍 日期：加矽年月i e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：枷弩 导师签名5 共丸 日期：珈哆年月日 日期：扣) 年1 ( 月；e t 兰州理工大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 超窄间隙焊接是对传统的窄间隙焊接技术的继承和发展。超窄间隙焊接 ( n a r r o wg a pw e l d i n g ) 方法是一种对接接头焊前不开坡口或只开小角度坡口，留 有窄而深的间隙，采用气体保护焊或埋弧焊的多层焊，完成整条焊缝的高效率的 焊接方法“。 自1 9 6 3 年1 2 月在铁时代杂志上首次发表了由美国b a t t e l l e 研究所开发的 窄间隙焊接技术以来，窄间隙焊作为一种更先进的焊接技术，立即受到了世界各 国焊接专家的高度关注，并相继投入了大量的研究。2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代属 于窄间隙焊研究的高峰时段，至8 0 年代初，大多数窄间隙焊完成了实验室开发阶 段而进入工业生产试用阶段。 窄间隙焊是焊接技术大家族的重要新成员，作为一种特别工业技术，具有以 下公共技术特征： 应用现有的弧焊方法来完成填充方式的熔化焊连接( 未见应用的窄间隙焊 方法除外) ； 焊缝横截面积比传统弧焊方法至少减少3 0 以上( 多数在5 0 8 0 ) ； 坡口形状多为具有极小坡口面角度( 0 5 7 。) 的v 形或u 形，或i 形； 一般采用单道多层和双道多层熔敷形式，且板厚方向上熔敷方式固定； 焊接线能量相对较小( 双道多层方式是最为突出) ； 在深窄坡口内的气、丝、电导入，侧壁熔合控制，气渣联合保护方式的脱 渣等方面分别采用了特殊技术。 与传统焊接技术相比，窄间隙焊接具有以下诸多技术与经济的优越性： 焊缝截面积大幅度减小，焊接材料与电能消耗大量节约，从而在大幅度提 高焊接生产率的同时，也大幅度降低焊接生产成本； 热压缩塑性变形量的大幅度缩小且沿扳厚方向上更趋于均匀化，从而带来 接头的残余应力、残余变形减小； 深而窄的坡口侧壁有利于焊接区的冶金保护，焊缝金属的冶金纯净度高； 较高的熔池冷却速度，相对较小的焊接线能量，使焊缝组织相对细小，且 焊接热影响区的塑、韧性损伤也大大减小，缺口韧性相对提高。 因此，窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中，厚板结构焊接的首选技术， 其巨大的技术和经济优势决定了它是今后厚板焊接技术发展的主要方向之一。目 旋转陶瓷片约束t i g 电弧超窄间隙焊接技术研究 前，正处于实验室研究阶段的超窄间隙气体保护焊将会在这方面产生一个质的飞 跃。 近年来，随着焊接结构大型化，焊接钢板越来越厚，对质量、生产率和焊接 接头性能的要求越来越高，常规的焊接工艺方法已不能满足要求，于是窄间隙焊 接，由于可大幅度地减少坡口断面面积，降低焊接材料和电能的消耗；在不太大 的焊接线能量下，可以实现高效率焊接，可减小残余应力、工件变形和热影响区 尺寸。因而被作为一种经济的、能够得到优良机械性能的、变形小的优质焊接接 头的高效焊接方法，广泛应用于各种大型重要结构”。 窄间隙焊接是利用现有的弧焊方法，采用间隙尽量小的i 形坡口得到高质量 的焊接接头的一种高效率焊接方法”。窄间隙焊接是把厚度为3 0 m m 以上的钢板， 按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法( 板厚小 于2 0 0 m m 时，间隙小于2 0 m m ：板厚超过2 0 0 m m 时，间隙小于3 0 m m ) “1 。 窄间隙焊接一般进行中小线能量的多层自动焊接，能获得其它焊接方法相同 的或更好的焊接质量；其坡口间隙较小，电弧在窄间隙坡口内燃烧，热效率较高， 故焊接生产率也较高。在电力行业、电站锅炉、压力容器的主要接头，如筒体纵 焊缝和环焊缝等，利用窄间隙焊接技术，可大大减少坡口制备切削量和焊缝金属 填充量，经济效益显著；窄间隙焊接时线能量小，其接头机械性能( 特别是热影 响区韧性) 良好，可以降低压力容器水压实验的温度，这正是压力容器行业所期 待的一个优点；窄间隙焊接适用于所有压力容器用的碳素钢和合金钢材质，而且 也能进行高合金钢的焊接，因此在锅炉汽包、高压加热器、核反应堆压力容器、 水电站压力钢管等厚壁构件上得到了广泛应用”。 与传统t i g 相比较，窄间隙t i g 除具有传统t i g 保护效果好，焊缝成形好、 质量高，电弧热量集中，电弧燃烧稳定，飞溅小，焊缝强度和断韧性高等优点外， 还具有以下特征： ( 1 ) 、非熔化电极及无熔滴过渡使得弧焊过程的弧长恒定控制、电弧能量参 数恒定及精确控制变得十分容易，这将导致窄间隙焊接过程及焊缝几何尺寸均具 有高度的稳定性和可靠性。 ( 2 ) 、无熔滴过渡而致的无焊接飞溅，可以确保窄间隙焊枪的可靠移动，并 节约了辅助清理时间。 ( 3 ) 、t i g 电弧的大扩散角和径向能量梯度较小，电弧周边的能量密度相对 较高，使得窄间隙焊接时，对解决两侧壁熔合难题非常有利。曾经开发的磁控电 弧摆动、弯头钨极等电弧摆动技术现已很少用；宽、大而且便于控制的焊缝形状 系数，极其有利于提高窄间隙焊接时的抗裂能力，以及提高焊缝区和h a z 中的焊 态细晶区比例。 ( 4 ) 、t i g 焊时焊接区的无氧气氛，以及较低的焊接热输入均十分利于窄间 2 兰州理工大学硕士学位论文 隙焊接接头力学性能的保证( 尤其是塑、韧性) ，这是该方法广泛用于高强钢、 高合金钢、不锈钢、钛合金等材料的重要原因。 ( 5 ) 、t i g 电弧极其优异的脉冲电流焊接特性，使得窄间隙t i g 焊接时可以 十分容易地实现自由成形全位置焊接。 但是，t i g 焊的下列局限性，也大大影响了n g t i g 焊的广泛应用： 熔缚速度低，焊接生产率与工程进度之间的矛盾尖锐； 焊接生产成本高； 钨极对中控制精度高、电极与工件距离控制严格，以及，当坡口间隙减小 到一定值时，电弧在坡口内无法自由燃烧，电弧将沿坡口侧面快速向上移动，造 成侧壁熔合难等问题。在这些方面国内外许多专家和学者也曾做了大量的研究， 但是都不太理想，对坡口间距的减小和侧壁熔合问题没有太大突破，对约束电弧 行为及加热特性认识还处在探索和研究之中。 然而，在高质量的要求下，窄间隙t i g 焊接已经大大的提高了生产效率和降 低了生产成本。在提高生产效率和降低生产成本的同时也带来了新的问题。 每开发一种新的焊接技术都会带来新的问题，新的挑战”。特别是焊接过程 中，侧壁熔合问题难以得到有效的解决。窄间隙焊接解决的技术关键是侧壁熔合 问题，各国的焊接专家在攻克这一技术难关上，发明了各种电弧摆动或旋转方法， 如早期出现的双丝、单丝波浪变形、绞合焊丝，焊丝摆动及旋转等方法，但这些 方法使焊接过程的控制及设备更为复杂，因此，限制了窄问隙焊在某些领域中的 发展和实际应用“。而t j g 窄间隙焊，在侧壁以及侧壁与底板相交的尖角处 的熔合，钨极和坡口侧壁产生等离子弧等方面问题，还没有比较成熟的方法，目 前，解决t i g 窄间隙焊侧壁熔合问题，人们设想了许多办法，利用弯头钨极往复 转动，使电弧周期性的指向坡口的两侧来得到所需的熔透；利用渗氢混合气体来 增大电弧热功率，改变热源的分布来增加侧壁熔透；利用交变横向磁场使电弧摆 动来解决侧壁的熔透问题”。大多数都是从焊接过程送丝，电弧对中控制，电弧 高度调节、电弧的摆动等工艺方面进行研究，很少从电弧本身的特性出发，通过 改变电弧形态，提高能量密度、热输入，控制加热区域等方法，来增加侧壁以及 底板与侧壁相交的尖角处的熔合效果。 超高强钢的使用促进了t i g 焊在窄间隙焊接中的应用，一般认为t i g 焊是焊 接质量最可靠的焊接工艺之一“。超强钢应用越来越广泛，且已成为未来钢材发 展的一种趋势，常规的弧焊工艺已无法满足其性能要求，并会出现相当严重的热影 响区晶粒的粗化，造成焊接接头强度和韧性的下降。同时由于氩气的保护作用， t i g 焊可用于焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金 以及难熔的活性金属等，其接头具有良好的韧性，焊缝金属中的含氢量很低“。 因此，窄间隙t i g 焊应用越来越广泛。 旋转陶瓷片约束t l g 电弧超窄间隙焊接技术研究 随着焊接结构的大型化、高参数化，厚板、超厚板焊接金属结构的应用也越 来越广泛：以及，新材料、新钢种广泛的使用“。在某些场合，常规的弧焊工艺 已无法满足其性能要求，如t m c p 细晶粒钢常规焊接，会出现相当严重的热影响 区晶粒的粗化，造成焊接接头强度和韧性的下降。尽管如此，细晶粒钢以及超细 晶粒钢已成为目前结构钢发展的主要趋势，这些钢依靠控制轧制及控制冷却、施 加强磁场等方法，得到了晶粒很细的高强度高韧性钢，但是在焊接时这些细化晶 粒的工艺措施无法实施，如果对输入工件的热量不加以控制，势必会导致焊接热 影响区的晶粒粗化，因此，细晶粒钢以及超细晶粒钢的焊接问题已成为焊接领域 的主要研究课题“”。 1 2 超窄间隙焊接研究的现状与应用 1 2 1 超窄间隙焊接研究的现状 超窄间隙焊接( u n g w ) 是近年来随着焊接结构大型化，焊接钢板越来越厚， 对质量、生产效率和焊接接头性能的要求越来越高的条件下发展起来的一项新型 焊接技术。在厚板结构的焊接中，如果能充分减小填充面积，则可极大减少焊缝 金属的填充量，由此带来的是生产效率的极大的提高。可是在现有技术条件下， 坡口间距的减小会带来其它一些难以解决的技术上的难题。目前，超窄间隙( 间 距5 舢) 焊接的研究还处于实验室研究阶段，取得了一些阶段性的成果“”。 早在2 0 世纪六七十年代，世界许多发达国家就对窄间隙焊接开展了广泛研 究，现已取得了显著成就，主要有埋弧窄间隙焊( n g s a ) 、熔化极氩气保护窄间隙 焊( n g b l t g ) 、熔化极活性气体保护窄间隙焊( n g m a g ) 和钨极氩弧窄间隙焊 ( n g t i g ) ，并在工业生产中得到应用”1 。例如：n g m i g 解决的技术关键在于改 善坡口侧壁的熔透，主要的研究方法有：双丝、单丝波浪变形、绞合焊丝、焊丝 摆动及旋转等方法，坡口问隙6 - 1 4 m m 。n g m a g 使用直流正接旋转送丝，可焊 接板厚2 0 2 5 m m 的对接接头，使用焊丝为1 6 m m ，焊接电流为4 2 0 4 8 0 a ，坡口 间隙在1 0 m m 。n g - t i g 坡口间隙为9 m m ，用于7 0 m m 厚的碳钢和不锈钢的异质 接头，存在的问题是钨极和坡口侧壁产生等离子弧，会破坏焊接过程的正常进行 n 7 】 o 2 0 世纪9 0 年代以来在为弧焊技术产生质的飞跃的不懈研究中，取得了令人 振奋的新进展，从而为超窄间隙焊接技术的快速发展奠定了基础。不久前，日本 开发了一种窄间隙焊接技术，该技术能使焊缝宽度减小到5 m m ，其基本原理为： 在窄间隙焊接过程中，送丝速度v f 为常数，焊丝固体端头距工件表面距离l 是随 时间不断变化的，并受方程d l d t = v r - v 。控制( v 。是焊丝熔化速度) 。当v f 小于v 。 时，如图1 1 所示，给焊丝加一个很大的脉冲电流，则焊丝固体端头的位置从a l 变 4 兰州理工大学硕十学位论文 化到a 2 ，所以电弧逐渐变长；当v f 大于v 。时，去 掉焊丝上加的脉冲电流，则焊丝固体端头的位置 从a 2 变化到a 3 ，所以电弧逐渐变短“。文献“” 首先研究分析了在超窄间隙条件下电弧的特性， 在m i g 焊中，电弧在狭缝里会出现不规则的上下 跳动现象，但是在c 0 2 气氛下电弧却是稳定的。 其次还研究分析在这种条件下焊缝成形现象，估 算了熔化金属的静力学势能和电弧力与焊接电流 之间的关系，建立了一个数学模型，优化了焊接 条件，在这种模型下的试验结果表明，焊缝根部 没有出现未熔合，可是焊缝表面却是向外突出的， 通过调节焊接电流波形可以很好的控制焊丝干伸 长，这样电弧可以沿着狭缝有规则的上下摆动， 图1 1 焊接原理图 可以得到足够的熔深并且焊缝表面可以形成凹形。美国l i n c o l n g o n 公司已成功开 发超低飞溅率( w 2 时， 电弧处于压缩状态，钨极端 部的放电能力与其端部形状 和电流的大小有关，在端部 形状一定的情况下，电流大 时，电弧扩散角大些，钨极 壶矗 图2 3 窄间隙中弧长与侧壁、电弧扩散角的几何关系 放电能力强；电流小时，电弧扩散角小些，钨极放电能力弱，由此而得到的压缩 电弧的长度不同，如图2 3 ( b ) 所示 l a l l a 时，电弧的扩散角为2 l a l l a 时，电弧的扩散角为2 b 可见在d b 之间形成了一个区域，如图2 3 ( b ) 的阴影部分所示，此区域 容易造成两侧壁，以及两侧壁与底板相交尖角处的不熔合或熔合不完全，这就是 本课题要研究解决的问题“。 窄间隙t i g 焊接时，易形成侧壁不熔合另一个重要原因是，因其电弧发散， 能量密度低，在侧壁与底板相交尖角处电流密度很低，电弧对尖角处的加热效果 差。由窄间隙钨极焊接电弧的电场分布的研究工作得出：当焊接电弧受到间隙侧 壁的限制时，它的电场分布将发生变化，焊接电流的一部分流向侧壁，而在底板 与侧壁的交角处的电流密度甚低，很容易引起侧壁熔合不良。这种现象不是调节 规范参数所能避免的，是窄间隙中钨极氩弧焊的主要工艺困难之一。 为了解决侧壁熔合问题，人们设想过许多方法，例如，利用弯头钨极往复转 动，使电弧周期性的指向坡口的两侧来得到所需的熔透；利用渗氢混合气体来增 1 4 兰州理工大学硕士学位论文 大电弧热功率，改变热源的分布来增加侧壁熔透；利用交变横向磁场使电弧摆动 来解决侧壁的熔透问题”。 本课题尝试另外一种思路，进一步缩小坡口间隙，也就是减小电弧与坡口侧 面的距离，加强电弧对坡口侧面的加热效果。但当坡口间隙减小到一定值时，电弧 不在处于自由燃烧状态，电弧的电场分布受到侧壁的制约，电弧将沿坡口侧面快速 向上移动。为此，我们利用旋转的陶瓷片固壁对电弧进行约束，有效控制电弧的 加热区域，保证了坡口两侧壁的有效熔合。 不同程度的约束电弧在一些常规的焊接方法中都有应用，如埋弧焊，电弧在 焊剂层下燃烧，整个电弧受到焊剂的固壁约束和焊剂熔化吸热的冷却约束，使电 弧在较大的焊接电流时仍有较高的稳定性“；再如，用药皮焊条焊接时，通过选 择合适的药皮成份和药皮厚度，焊接时在钢芯产生的电弧周围会形成一个药皮套 筒，相当于对电弧的上半部分进行了固壁约束，合适的套简可以提高电弧吹力和 挺度，使电弧集中，改善熔滴过渡，表现为熔滴尺寸细化，表面温度下降，从而 工艺性能得到改善。如套筒过短，则电弧不集中、吹力减弱、熔滴过渡困难，并 易发生焊芯与熔池短路，造成电弧不稳定甚至熄弧现象，在全位置焊接中有广泛的 用途“。再如，等离子弧，水冷喷嘴孔径限定了弧柱横截面积不能自由扩大， 这种拘束作用称为机械压缩作用；喷嘴水冷作用使靠近喷嘴内壁的气体也受到 强烈的冷却作用，其温度和电离度均迅速下降，迫使弧柱区电流集中到弧柱中心 高温高电离区。这样由于冷壁而在弧柱四周产生一层电离度趋近于零的冷气膜， 从而使弧柱有效横截面进一步减小，电流密度进一步提高，这是热压缩。以上 两个收缩效应的存在，弧柱电流密度增大以后，弧柱电流线之间电磁收缩作用也 进一步加强，致使弧柱温度和能量密度进一步加强。“ 本课题研究t i g 窄间隙焊接中，是利用旋转陶瓷片约束t i g 电弧，为了解决 由于减少侧壁与电弧间距而引起的电弧攀升，以及坡口侧壁、两坡口侧壁与底板 的相交尖角处的熔合问题，我们采用在i 型坡口两侧壁靠近具有绝缘作用的旋转 陶瓷片，对电弧加以固壁约束，约束后的电弧能量密度提高，加热效率增大，电 弧的加热区域及加热效果得到有效的控制。可有效解决窄间隙焊接时坡口侧壁根 部不易加热的问题“。 针对t i g 焊接过程中，电弧发散，加热效率及能量密度低，侧壁根部不易加 热，生产率较低等特点。人们研究了许多方法，来提高t i g 电弧的加热效率及能 量密度。采用混合保护气体是普遍的方法，如在氩气中加入2 0 h ：可使熔化金属 量增加3 - 5 倍”“。使用双层气体保护，内层为c 0 ：外层为氩气，也是很有效的途 径”。加入氦气也可增大熔深”“。从电弧形态上来看，这些气体的加入使电弧发 生了收缩。其作用机制一般认为是，所加入的气体与氩气相比都具有较强的导热 性和较大的比热，对电弧的冷却作用，使电弧的导电通道限制在电弧的中心区域， 旋转陶瓷片约束t i g 电弧超窄间隙焊接技术研究 从而使电弧的电流密度增加。在工件表面涂敷活性助焊剂的方法( a t i g ) ，在相 同的焊接参数下可使熔深增加2 5 倍矧。尽管其作用机制还没有形成统一的认识 啪1 ，但试