（材料加工工程专业论文）窄间隙焊接中焊剂带约束电弧的加热特性.pdf

兰州理t 大学硕f 学位论文 摘要 超窄间隙焊接技术效率高、焊接变形较小、接头的性能优良，因此受到各国 的广泛关注。超窄间隙焊接的关键技术就是如何解决侧壁熔合问题，各国专家为 攻克这一难题，发明了各种摆动电弧或者旋转的方法。但是这些方法使用较为复 杂，这就限制了超窄间隙焊接技术的实际应用性。本文采用5m m 的坡口间隙，将 特定成分的焊剂带沿坡口侧壁送入电弧区，对电弧进行约束，可阻止电弧沿侧壁 攀升；同时又能有效地控制电弧的加热区域，保证坡口两侧壁的有效熔合。 基于焊剂片约束电弧的原理提出了焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法。设计 并改进了相应的超窄间隙焊枪，并通过一系列试验开发了以硅溶胶为粘接剂的焊 剂带制作方法，从而为进一步研究焊剂带约束电弧超窄间隙焊接奠定了基础。 利用焊剂带约束的电弧进行超窄间隙焊接可得到侧壁熔合良好的超窄间隙焊 缝。通过分析超窄间隙焊接时焊剂带在电弧区的不同位置对约束电弧的影响，得 到了焊剂带在电弧区可有效约束电弧的位置条件。另外，得到了焊缝成形良好的 电压与送带速度匹配范围。同时，试验也表明适合于焊剂带约束电弧超窄间隙焊 接的熔滴过渡形态为短路过渡，电压与电流范围为2 0 2 4 v 、2 4 0 2 6 0 a 。最后，利 用焊接电压、焊接电流、送带速度对焊缝截面尺寸的影响，分析了超窄间隙中焊 剂带约束电弧的加热特性 通过同步采集焊接电压波形与焊剂带电压波形，分析了焊剂带在其约束电弧 中的位置与其电位的相关性。同时，还分析了焊剂带熔化后向熔池的过渡方式。 关键词：超窄间隙焊接焊剂带约束电弧 a b s t r a c t u i t r a n a r r o wg a pw e i d i n gi sw i d e i yr e g a r d e da sa ni m p o l r t a n tt e c h n o l o g yb e c a u s e o fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲p r o d u c t i v i t ya n dl o w e rw e l d i n gd i s t o n i o n t h ek e y t e c h n o l o g yo fu l t r a - n a r r o wg a pw e i d i n gi st h ep r o b l e mo ft h es i d e w a l l sf u s i o n ，m a n y s c i e n t i s t si n v e n tm a n yw a y st os o l v et h i sp r o b l e ms u c h a sa r co s c l l i a t l o na n da r c c i r c u m r o t a t i o n b u tt h ec o m p l e x i t yo ft h e s em e t h o d sc o n s t r a i n e dt h ep r a c t l c a l l t y o t t h e s em e t h o d sa pp l i e di ni n d u s t r yp r o d u c t i v i t ) ，t h et h e s i s s e a r c h e dan e ww a yt o r e a l i z et h eu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n gb yu s i n gt h eg a po f5 m m ，t h ef l u xs t r i p st h a t m a d eo fs p e c i a la g g r e g a t e sa r ep u ti n t oa r cz o n et h r o u g h t h eg a ps i d e w a l l s f 1 u xs t r p s c a nc o n s t r a i na r ct op r e v e n t i tf r o mg o i n gu p s i d e ，a n dc o n t r o lt h eh e a t l n gz o n e e f 诧c t i v e l yt oe n s u r eg o o df h s i o no ft h es i d e w a l i s t h eu n g wo fc o n s t r i c t i n ga r cw i t hf l u xs t r i p s ( u n g w f s ) i sb r o u g h tt o n a r d ， w h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fn u xb a n d sc o n s t r i c t i n g a r c 。i h ec o r r e s p o n d l n g w e l d i n gt o r c ho fu n g w h a sb e e nd e s i g n e da n di m p r o v e d ，t h et e c h n o i o g yo tm a k l n g n u xs t r i pw i t hs i l i c as o lh a sb e e nd e v e l o p e d b yas e r i e so fe x p e r i m r n t s ，a c c o r d l n g l y ，a l l o ft h i sh a v ee s t a b l i s h e daf o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t u d yo f t h eu n g ww i t hn u xs t r i p s c o n s t r i c t i n ga r c a d o p t i n gs u r f a c i n gw e l d i n go nt h ep l a t e a n da d j u s t i n gw e l d i n gp a r a m e t e r st o p h o t o g r a p ht h ea r ca n dm e a s u r ea c t i o nl e n g t h o fa r ca n df l u xs t r i p ( a c l ) ，b yw h i c h a n a l v s is t h ee f f e c to fa r ch e a t i n gf l u xs ”i pa n dt h ec h a n g e o fa c l t h e r e b y ， t h e o r e t l c g i s tc a n b ep r o v i d e dt o b ec o n v e n i e n tf o ru n d e r s t a n d i n g t h em e c h a n i s mo fn u xs t r i p s c o n s t r i c t i n ga r c t h ef l u xs t r p sc o n s t r i c t i n ga r ci sa p p l i e di n u n g w t h er e s u l t ss h o w st h a t w e l d sw i t hg o o df u s i o no ns i d e w a l l sc a nb ea c h i e v e dw i t bf l u xs t r i p sc o n s t r l c t l n g a r c p o s i t i o n a lc o n d i t i o n so ff l u xs t r i p s i nt h ea r cz o n et h a tc a ne n s u r et oc o n s t r l c t a r c e f f e c t i v e l yh a v eb e e n0 b t a i n e d ，b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f p o s i t i o no ff l u xs t r i p s i nt h ea r cz o n eo nc o n s t r i c t i n ga r c o t h e 刑i s e ，t h em a t c h i n gr a n g eo f 。v o i t a g e a n d v e l o c i t yo ff e e d i n gf l u xs t r i p sh a sa l s ob e e ng a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h ee x p e n m e n t s h o w st h a ts h o r r tc i r c u i t i n gt r a n s f e rm o d ei st h ep r o p e rt r a n s f c rm o d eo fd r o p ，a n d t h e p r o p e rr a n g eo fv o l t a g ea n dc u r r e n ti nu n g w f s i s2 0 一2 4 va n d2 2 0 - 2 7 0 a a ti a s t ，t h e h e a t i n gc h a r a c t e r i s t i co ff l u xs t r p sc o n s t r i c t i n ga r ci nu n g w i ss t u d i e db ya n a l y z l n g t h ei n n u e n c eo fw e l d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n ta n dv e i o c l t y o t _ t e e d l n g f l u xs t r i p so nt h ec r o s ss e c t i o n a ls i z e so fw e l d s 兰州理t 大学硕 ：学位论文 c o r r e l a t i o nb e t w e e np o s i t i o no ff l u xs t r i pi ni t sc o n s t r i c t i n ga r ca n dp o t e n t i a lo f f l u xs t r i ph a sb e e na n a l y z e db yc o l l e c t i n gt h ew a v e f o r m so fn u xs t r i pa n dv o l t a g e a t t h es a m et i m e ，t h et r a d s f e rm o d e so fm e l t e df l u x s t r i p sh a v eb e e na l s oa n a l y z e d f u r t h e n l l o r e ，t h ew a v e f o r m so ff l u xs t r i pw i t hg o o dc o n s t r i c t i o na n dl a c kc o n s t r i c t i o n h a v eb e e na n a l y s e dc o n t r a s t i v e l y k e yw o r d s ：u i t r a - n a r r o wg a pw e l d i n g ， c o n s t r a i n e da r cf l u xs t r i p s 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈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。除了文中特别加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。 作者签嘲缎 日期：硼年 石 月 。 日 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，即：学 校有权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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名兹纠缝 日期：脚厶月。日 导师签名： 4匆。日期：劢乎年占月矿日 力亿 。 兰州理t 大学硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 窄间隙焊接的技术特征 超窄间隙焊接是对传统的窄间隙焊接技术的继承和发展。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 e l l e 研究所开发的窄间隙焊接技术以来， 作为一种更先进的焊接技术，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。日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会将窄间隙焊接 定义为：“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 ；板厚大于2 0 0 m m 时，间隙小于3 0 m m ) 。经过半个多世纪的研究和发展， 人们对其焊接方法和焊接材料进行了大量的开发工作，目前在许多国家的工业生 产中发挥着巨大作用。 窄间隙焊接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【2 】【3 】【4 】： ( 1 ) 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) ： ( 2 ) 焊缝横截面积比传统弧焊方法至少减少3 0 以上： ( 3 ) 坡口形状多为具有极小坡口面角度( 0 5 7 度) 的v 形或u 形，或者i 形： ( 4 ) 一般采用单道多层和双道多层熔敖方式，且板厚方向上熔敷方式固定： ( 5 ) 焊接线能量相对较小( 双道多层方式时最为突出) ： ( 6 ) 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。 窄间隙焊接与传统焊接技术相比，窄间隙焊接( n a r r o wg a pw e l d i n g ) 具有如 下优点【5 】： ( 1 ) 焊缝横截面积大幅度减少，焊接材料与电能消耗大量节约，从而在大幅 度提高焊接生产的同时，也大幅度降低了焊接生产成本。 ( 2 ) 热压缩塑性变形量的大幅度缩小且沿板厚方向上更趋均匀化，从而带来 接头的残余应力、残余变形减小。 ( 3 ) 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更 高。 ( 4 ) 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。 窄问隙焊接【f 1 焊剂带约束电弧的加热特。r e 在窄间隙焊接中，由于采用低热输入焊接，厚板的冷却速度快，因而h a z 的 宽度很窄，且当采用多层多道方式窄间隙焊接时，焊层较薄，焊缝尺寸小，因而 冷却速度快，从而大大提升了焊接接头的力学性能【6 7 】，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。 1 2 超窄间隙焊接技术特征 超窄间隙焊接( u l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g ) 是比常规窄间隙焊接所用间隙宽度 ( 间隙宽度6 m m ) 更小的一种窄间隙焊接技术。超窄间隙焊接具有如下特征【8 。1 1 】： ( 1 ) 采用熔化极电弧焊接方法且电弧不摆动或不旋转。 ( 2 ) 采用“i ”型坡口，间隙宽度不超过6 m m 。 ( 3 ) 是多层单道焊接。 ( 4 ) 是自下而上的焊接。 ( 5 ) 采用比常规窄间隙焊接更小的线能量，最小可达0 5 k j m m 。 ( 6 ) 有实现全位置焊接的可能性。 1 3 窄间隙焊接和超窄间隙焊接主要存在的问题 超窄间隙焊接( u n g wu l t r a - n a 盯o wg a pg m aw e l d i n g ) 是近年来发展的一项新 型技术。在厚板结构的焊接中，能充分减小填充面积，则可极大减少焊接金属的 填充量，由此带来的是生产效率的极大提高。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。窄间隙和超窄间隙焊接主要存 在如下的问题： 1 窄间隙焊接易产生侧壁熔合不良 由于传统的焊接技术( 较大间隙和较大坡u 面角) 下的电弧轴线极易实现与坡 口面有较大夹角，这样高熔透能力、高能量密度的电弧中心区域就容易作用到坡 口面上，只要工艺规范与操作工艺得当坡口面和焊道、焊层间发生未熔合的儿率 极小。在窄间隙焊接条件下，若用传统技术进行焊接，电弧轴线基本与间隙侧壁 平行，一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难以作用到坡口侧壁，更不用说 能量密度最高的电弧中心了，这就导致了侧壁均匀熔合可靠性差，低线能量焊接 时极为突出。 2 超窄间隙焊接易发生电弧攀升 为了使间隙两侧壁熔合良好，通过减小两侧壁问距，使两侧壁同时位于电弧 的高温加热区内，可增强电弧对两侧壁的加热效果，保证两侧壁的可靠熔合【1 2 】。 然而，在采用“i ”型坡口且两侧壁间距小于6 m m 的情况下进行焊接时，由于焊丝熔 化端头到侧壁距离小于焊丝熔化端头到熔池表面距离，这时电弧将失去自调节作 2 兰州理t 大学硕 j 学位论文 用，并沿两侧壁从间隙中攀升出来，导致焊接过程无法进行，这种不稳定的电弧 现象称为“电弧攀升”，它是超窄间隙焊接存在的主要问题。可见，进行超窄间隙 焊接的关键是防止电弧攀升，而对电弧加以约束则是防止电弧攀升的有效途径。 3 易形成梨形裂纹 窄间隙焊接过程中因焊接参数匹配不合适而极易产生梨形焊缝裂纹。梨形焊 缝裂纹是在焊缝凝固过程中形成的，这种裂纹一般为两种类型：一种能够到达焊 缝表面，另一种则不能到达焊缝表面。梨形焊缝裂纹的产生原因很多，文献【1 3 】的 研究表明，当热输入较大、焊速较高、深宽比大于1 3 、间隙宽度较小时，梨形裂 纹的形成趋势明显增强；反之裂纹的形成趋势则会较小。为了防止梨形焊缝裂纹 的产生，文献【1 4 1 5 1 采用正极性焊接，而文献【1 7 1 则采用热处理的方法防止出现再热 裂纹。 4 易产生夹渣和气孔 在窄间隙焊接时，若焊接工艺不合理或焊接参数匹配不合适，焊缝中易产生 夹渣和气孔。此外，在单层多道焊接中，若焊渣清理不干净也容易形成夹渣。 5 焊接飞溅物对工艺可靠性影响较大 窄间隙焊接过程中，若飞溅物附着在保护气喷嘴处，则会因保护不良而使空 气卷入形成焊缝缺陷；若飞溅物附着在导电嘴处，则会造成导电嘴与工件侧壁短 路而使焊接过程无法进行；若飞溅物附着在间隙侧壁，则会阻碍焊枪在间隙中运 动，严重时会损坏焊枪。 在超窄间隙焊接时，存在的最根本的问题就是间隙侧壁和间隙根部熔合不良， 焊接过程不稳定。为了增强电弧对坡口侧壁和间隙根部的加热效果，目前已开发 了多种窄间隙m i g 和m a g 焊接方法【1 】【9 1 【17 1 ，如： ( 1 ) 向坡口宽度方向连续送入波浪形弯曲焊丝，使电弧摆动。 ( 2 ) 利用两根绕在一起的焊丝( 麻花焊丝) 使电弧旋转。 ( 3 ) 利用弯曲成形齿轮弯曲焊丝，使电弧摆动。 ( 4 ) 将焊丝弯曲成一定曲率并旋转，使电弧摆动。 ( 5 ) 使焊丝呈螺旋状弯曲，使电弧旋转。 ( 6 ) 使焊丝通过焊枪偏心孔，让焊枪高速旋转，电弧也按同一方向旋转。 ( 7 ) 采用双丝分别偏向两侧壁。 ( 8 ) 在交流电弧再引燃时刻叠加脉冲的粗丝焊接等。 ( 9 ) 焊剂片和焊剂带约束电弧的焊接。 目前，超窄间隙( 间距6 m m ) 焊接的研究还处于试验室阶段，出了一些阶段 性的成果，图1 1 是焊剂带约束电弧的超窄间隙( 间隙为5 m m ) 焊接的焊缝形貌， 图1 2 是日本的超窄间隙焊缝形貌，图1 3 是图1 2 的超窄间隙焊接的主要技术参 数。 窄问隙焊接中焊剂带约束电弧的加热特性 1 4 窄间隙焊接方法的分类及焊接工艺的适用范围 1 4 1 窄间隙焊接方法的分类 目前，世界上对窄间隙焊接已经广泛研究，在应用上已取得了卓越的成就，根 图1 1 焊剂带约束电弧超窄问隙焊缝形貌 图1 2 r 本超窄问隙焊缝形貌【1 8 】 圈 皿 图i 3 日本超窄间隙问隙焊接主要技术参数 据焊接方法的不同，窄问隙焊接技术主要分为如下九种形式： ( 1 ) 熔化极窄间隙焊接： 气保护方式的有：窄问隙c 0 2 焊( n g c 0 2 ) ；窄间隙混合气体保护焊 ( n g m a g ) ；窄间隙惰性气体保护焊( n g m i g ) 。 气渣联保方式的有：窄间隙埋弧焊( n g s a w ) ：窄问隙约芯焊丝电弧焊 ( n g f c a w ) ：窄间隙手工电弧焊( n g s m a w ) 。 ( 2 ) 非熔化极窄间隙焊接： 气保护方式的有：窄间隙钨极氩弧焊( n g t i g ) 。 ( 3 ) 高能密度窄间隙焊接的有：窄间隙激光焊( n g l b w ) ；窄间隙电子束焊 ( n g e b w ) 。 1 4 2 典型的几种窄间隙焊接方法 1 窄间隙t i ( ； 4 兰州理t 大学硕十学何论文 窄间隙t i g 焊是目前应用最为成功的窄间隙焊接方法【1 8 】，尤其是窄间隙热丝 t i g 焊接方法，具有熔敷效率高的优点【19 1 ，因此获得了广泛的应用。文献2 0 圳】采 用钨极端头在坡口中左右摆动的热丝t i g 焊接方法，使坡口两侧壁能够被电弧加 热充分，可获得成形良好的接头，该技术已被成功用于厚壁圆管的焊接。 2 窄间隙埋弧焊 窄间隙埋弧焊具有高效，优质，低成本，低能耗的优点【22 1 。尤其当采用细焊 丝时更具有热输入小的优点，因此在大型炼油设备及压力容器方面获得了广泛的 应用。窄间隙埋弧焊焊接时，在窄坡口内具有良好的脱渣性是保证焊接质量的关 键。焊接所用坡口一般为u 形或v 形( 角度为2 4 度) ，使用直径为1 2 4 8 m m 的 焊丝。利用这些脱渣性良好的焊剂，研制了各种窄间隙施工技术。例如，利用直 径为2 m m 焊丝双丝埋弧焊焊接压力容器用钢；利用直径为1 2 1 6 m m 的焊丝摆动 焊接4 0 0 m m 以上的压力容器超厚板；第一，二层使用t i g 焊接，其它各层采用直 径为1 6 m m 的焊丝进行单面埋弧焊接等等。 3 窄间隙气电焊 气电焊( 简称e g 方法) 是将立焊接头的坡口挡上垫板，使坡口成为封闭坡口， 从焊缝中心线上方，向坡口内送进焊丝，形成覆盖整个坡口内面的单一熔池，在 熔池表面和焊丝之间持续电弧，进行气体保护焊的方法。在本方法中，母材的熔 化是以受熔池热而造成的第二次熔化，由于形成大而深的熔池，输入热量多，所 以熔深稳定，对间隙变化、错口、气切缺口等坡口加工缺陷的敏感性低。另外若 能注意防止杂质的混入及加强保护，则焊接区的内部缺陷极为少见。 在窄间隙气电焊方面，已研制了直径为1 6 m m 的药芯焊丝，在v 形或x 形窄 坡口内进行高效焊接的方法。采用这种焊接方法时，有的使焊丝在坡口内沿板厚 方向做5 0 1 0 0 次分钟的高速晃动；有的则在焊厚板时使焊丝摆动【。 4 窄间隙自保护焊 在窄间隙自保护电弧焊接方面，己研制了采用直径为2 m m 的药芯焊丝的横焊 方法，焊接时在v 形坡口的窄间隙内( 坡口角度为15 2 0 度) 周期性地增减焊接 电流，故焊道形状容易控制。 5 窄间隙手工电弧焊 在窄间隙焊条手工电弧焊方面，在已研制的钢轨强制成形方面，其中有的坡 口间隙为1 7 m m 左右，采用与钢轨形状相吻合的铜挡板，施焊时连续焊接不必除 渣；有的为了缩短焊接时间，把坡口间隙减到约1 2 m m ，而其它焊接条件都不变i l j 6 窄间隙激光焊和窄间隙电子束焊 激光与电子束也能用于窄间隙焊接，它们所具有的高能量密度足以熔化填充 进入坡口间隙内的焊丝和药粉。这种技术实际上是把激光或电子束与窄间隙相结 合的产物，据报道激光或电子束窄间隙焊接所用间隙宽度可小至2 3 m m 【2 3 。2 4 1 。 窄间隙焊接r f ，焊剂带约束也弧的加热特性 1 5 窄间隙焊接在工业上的应用 1 5 1 压力容器、锅炉 窄间隙焊接技术在压力容器和锅炉行业应用最广，约占半数。其中8 0 为熔 化极气体保护焊，其余2 0 为埋弧焊。从经济角度考虑，该方法适用的最小板厚 以5 0m m 为限；最大板厚多数在l5 0m m 左右，现在日本的个别工厂已用于2 5 0m m 以上的板厚。可见，该方法在焊接厚板上具有很大的潜力。多用于压力容器的主 要接头，如筒体纵缝和环缝，封头的对接接头，接管与入孔圈的嵌入焊接接头。 在锅炉上，可用于焊接大直径支管接头。对要求严格的核电反应堆锅炉压力容器， 其主要接头几乎全部采用窄间隙焊接方法。在材质方面，采用碳素钢及低合金钢 的压力容器几乎都采用这种方法。目前，已对高合金钢进行焊接【2 5 捌】。从各种焊 接方法的利弊来比较，熔化极气体保护焊时，维持良好的气体保护状态是一个值 得注意的问题，必要时要有防风措施。但该方法不使用焊剂，焊缝中氢含量少， 因此可以降低预热温度及后热温度。埋弧焊中不存在弧光、烟尘和通风的问题， 可以利用原有的装置，加上脱渣性很好的焊剂，在平焊中得到广泛应用。 1 5 2 重型机械 随着焊接结构的大型化，采用的板材越来越厚，要求高效率的、节省能源的 焊接施工【2 9 1 。基于此，一般的埋弧焊、气电焊得以应用。可是这些焊接方法焊接 热输入大，焊接接头特别是热影响区显著脆化，对冲击韧度要求高的产品必须进 行焊后热处理，而这又带来了产品变形等弊端。在这一点上，窄间隙焊不仅经济， 而且具有获得优良接头韧性的特点。在重型机械部门，几乎都采用4 0 0 5 0 0m p a 级碳钢，使用的板厚为1 0 0 2 0 0m m ，也有更厚的，如压力机机身选3 2 5m m 厚。 所采用的焊接方法几乎都是埋弧焊和熔化极气体保护焊。值得注意的是，当采用 窄间隙焊接时，必须认真地比较它们的经济效果，其内容包括：坡口断面积、坡 口加工、坡口组装、夹具的装卸、引弧熄弧板的装卸、焊机准备等。 1 5 3 海洋结构和造船 近几年，世界各国在近海的石油、天然气开采中，广泛地使用大型海洋结构 【3 0 。3 1 】。大型海洋结构制造中( 采油平台) ，使用超过l o om m 的厚钢板越来越多， 而且焊接质量要求很高。因此，高质量、高效率的窄间隙焊接，将成为这一领域 很有前途的施工方法。 在造船行业，由于钢板薄，尚未遇到平焊位置的窄间隙焊接。随着船体的小 型化，薄板的用量增多，为了在隔板的立焊接头一卜推广窄间隙焊接，采用了直径 1 2 1 6m m 细丝可移动式气电焊焊接方法。对于焊接侧板的横向焊缝，可采用药 芯焊丝c 0 2 气体保护，在交流电源下进行单面焊接p 2 。 6 兰州理t 大学硕i 学位论文 1 5 4 压力管道 随着压力水管的大型化，大量采用h t 8 ( 日本钢号) 、s m 5 8 ( 日本钢号) 等大直径、大厚度高强度钢管。过去采用药芯焊条的手工焊接，焊接压力水管倾 斜部分或垂直部分的环焊缝( 全位置焊或平焊) ，现在已采用自动焊接方法。主 要采用u 形坡口的气体保护窄间隙焊接。 1 6 窄间隙焊接研究的重要意义 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 来越广泛焊接的钢板越来越厚，焊接接头的性能要求越来越高，要求大幅度地减 少坡口的横截面积，窄间隙焊接技术由于可降低焊接材料和电能的消耗：而且，在 较小的焊接线能量下实现高效焊接，可减小残余应力、工件变形和热影响区尺寸， 因而被看作是一种经济的、能得到优良性能的焊接接头高效焊接技术。另外，近 些年一些新的钢种焊接性的急待解决，使窄间隙焊接的技术优越性更加明显【3 3 】 1 焊接接头的力学性能 相对传统焊接技术而言，窄间隙焊接更容易得到力学性能优良的接头。多数 研究者认为，窄间隙焊比其他普通焊接方法具有高断裂韧度，特别是对h s l a 钢， 就因为h a z 优良的断裂韧度才使得窄间隙焊成为焊接这种钢材最具吸引力的技术。 实践证明窄间隙焊接接头的各种性能与母材相比不仅没有降低，有的性能反而还 有提升。原因主要是：当采用低热输入焊接时，厚板的冷却速度快，因而h a z 的 宽度很窄，母材原始晶粒的粗晶脆化倾向和塑性损伤小：当采用多层多道方式窄 间隙焊接时，焊层较薄，后一层焊缝对前一层焊缝的原始热处理作用更彻底，使 得焊缝金属的晶粒更细小，从而提高了窄间隙焊接接头的力学性能【3 4 。5 1 。 2 窄间隙焊接接头的残余应力和变形小 窄间隙焊接接头的另一重要优势是焊接残余应力和残余变形小。对于厚板焊 接主要考虑横向收缩变形和角变形，由于窄间隙焊接采用近似i 型的坡口，焊缝 金属在板厚方向比较均匀，加之接头的填充面积相对较少，焊缝金属的熔敷量也 少，所以窄间隙焊接接头的横向收缩量就小。从而窄间隙焊接结构的残余应力和 残余变形大幅度减小【3 6 】。 3 焊接材料的消耗量少 相对传统焊接技术而言采用窄间隙焊接时，焊材消耗大幅度减少，从而使生 产成本降低和生产率提高。 4 焊接生产率高 窄间隙焊接技术生产率受诸多因素的影响，如焊接坡口的填充面积，熔敷效 率，以及自动化焊接程度等。尽管窄间隙焊接的熔敷速度不一定比传统方法高， 芒 墨 6 避 疆 圣 罐 窄问隙胛接t l - 灯剂带约束【u 弧的加热特。陀 但由于填充面积的减小，使其生产率得到了大幅度提高【3 7 】。 5 焊接生产成本底 焊接生产成本一般包括焊接材料消耗费，维修费，人工费，电能消耗费，工 艺装备折旧费，质量控制费等。由于窄间隙焊采用i 型或近似i 型的坡口，故坡 口制作成本降低：大幅度节约了焊材使电能消耗费大幅度减少：焊接材料成本也大 幅度降低：焊接生产率得大幅度提高，人工费也同步降低。随着板厚的增加，窄间 隙焊的材料费和人工费节约比例越来越大，一般来说，比传统焊接方法的生产成 本至少节约4 0 以上，因此窄间隙焊在厚板领域具有极显著的优势【3 引。 6 适应高强钢材料发展与应用的要求 进入9 0 年代中后期，世界钢铁业迎来了新一代钢铁材料( 超级钢) 的研究热 潮，其重点是研究超细晶粒钢。新一代高强钢铁材料的特征是高洁净度、高纯度 和超细晶粒组织，性能比现有材料大幅度提高，强韧性比常用钢材提高一倍，钢 材构件的使用寿命提高一倍【”4 。细晶粒钢及超细晶粒钢，均是通过添加合金元 素和控轧控冷而获得的新型高强钢，其生成品粒人小为可达微米级或亚微米级的 铁素体，从而使钢的强度和韧性都大大提高1 3 9 。4 5 1 。细晶粒钢及超细品粒钢已成为 线能饿e ( u m m ) ( a ) 拉伸强度与线能量的关系 2 艺 嫠 琴 ， 卞 塌 幺 罾 旗 耀 量 刨 袒 毯 篁 旃 线挠璇e “i - ，m m 1 ) ( b ) 软化区宽度与线能量的关 线能毓e ( k j m m ) ( c ) 热影响区宽度与线能量的关系 图1 4 热输入对细晶粒钢焊接接头性能的影响 目前结构钢发展的主要趋势，但焊接时所产生的热影响区晶粒粗化，会导致焊接 兰州碍! t 大学硕l 学位论文 接头的性能下降，这是此类材料在焊接加工过程中存在的主要问题【4 6 5 0 】。 为了解决这一问题，目前主要采取减小焊接时的热输入的方法。如图1 4 所示， 分别为细晶粒钢以不同线能量焊接时的拉伸强度、软化区宽度及h a z 最小硬度变 化曲线，可以看出，随着线能量的减小，焊缝的拉伸强度增大，软化区宽度变窄， h a z 最小硬度提高。图1 5 为x 7 0 结构钢采用g m a w 与u n g w 两种焊接技术所 得的焊缝硬度，尽管使用同一种焊丝，由于超窄间隙焊接冷却速率较大，因此与 常规焊接技术相比更易获得硬度较高的焊缝，完全避免h a z 软化的发生。这也就 意味着与细晶粒钢等强匹配的焊缝完全可用超窄间隙焊接技术获得【”】。 s 善 煞 落 b m 审争w m 争争b m 5051 01 5 距焊缝中心距离_ 图1 5x 7 0 管线钢焊缝接头硬度分布 目前，细晶粒钢焊接一般可采用激光焊、窄间隙焊、脉冲m a g 焊等低热输入 的焊接方法【5 卜5 7j 。然而，激光焊接设备复杂、成本较高；脉冲m a g 焊在焊接厚 壁工件时需开坡口，焊丝填充量多，能耗也高；相比较而言，窄间隙焊接在很小 的热输入且不开坡口的情况下，以较少的焊丝填充量就可以实现两工件的连接。 如果采用坡口间隙为5 m m 超窄间隙焊接，焊接线能量可降低到o 6 k j m m ，可以使 t 8 ，5 降低到1 5 s 以下，与细晶粒钢轧制生产中的快速冷却速度相当，而且1 3 0 0 0 c 到 9 0 0 0 c 奥氏体化的时间也可缩短到2 s 左右，所以可有效控制热影响区的晶粒粗化 【5 9 】。同时，在不增加合金元素的情况下，可使焊缝金属的强度与细晶粒母材等强 匹配【9 】。最新研究发现，在管道焊接中采用超窄间隙焊接，可以使管道内侧接头区 的焊接残余应力变为压应力，从而使应力腐蚀的问题得到根本解决【6 们。另外，张 富巨等人【，7 j 研究焊接热输入对超细晶粒钢h a z 特性的影响表明：当采用u n g w 或激 光焊进行堆焊时，若线能量低于6 k j c m ，则超细晶粒钢的粗晶区不会发生软化现 象；在热输入和其它焊接条件相同的情况下，采用c 0 2 做保护气的u n g w 要比其 常规堆焊的热影响区宽度小3 5 ；热输入相同时，u n g w 和激光焊的晶粒长度是 相i 司的，但u n g w 的晶粒宽度比激光焊约小4 0 。可见，与其它低热输入的焊接 方法相比，超窄间隙焊接在细晶粒钢的焊接方面表现出了更加明显的优越性。 窄问隙焊接t i 好剂带约束i 也弧的加热特性 1 7 本课题的研究内容 超窄间隙焊接生产效率高，可得到性能优良的焊接接头，且在需要控制热输 入的材料焊接方面具有重要的应用价值1 4 引。 然而，在窄间隙焊接时，存在的最根本的问题就是间隙侧壁和间隙根部熔合 不良，焊接过程不稳定。为了解决这个问题，目前己开发了多种增强电弧对坡口 侧壁加热的电弧焊接方法，如焊丝弯曲【6 0 1 ，焊丝旋转【6 0 】，外加磁场使电弧在坡口 横向做周期性地摆动【6 ，以及通过施加一变化的脉冲焊接电流使得焊丝端头沿间 隙两侧壁上下移动，增加电弧对侧壁的加热量【6 2 j 等。尽管这些方法在一定程度上 能够改善电弧对坡口侧壁的加热效果，但间隙侧壁、根部和底部均匀加热的问题 仍然没有解决。焊剂带约束电弧的焊接方法，具有电弧加热集中且电弧受约束程 度可调等优点，对解决超窄间隙焊接时间隙侧壁，尤其是间隙根部不易加热的问 题具有独特的优势。本课题采用焊剂带约束电弧进行了超窄间隙焊接试验。本课 题的主要研究内容： ( 1 ) 进行焊剂带的制作工艺试验，通过对比分析不同工艺方法制作的焊剂带， 找到适合于超窄间隙焊接的焊剂带制作方法，并在原有焊枪的基础上研制、改进 用于焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的焊枪。 ( 2 ) 利用焊剂带约束电弧的方法进行超窄间隙焊接试验，同时结合焊接电弧物 理的知识分析焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的焊缝成形特点，从而认识和掌握焊 剂片带约束电弧的规律；通过改变焊接参数( 焊接电压、焊接电流、焊接速度、 不同类型焊剂带的送带速度和坡口间隙) ，建立焊接参数之间的匹配关系。 ( 3 ) 分析焊剂带在电弧区的位置对约束电弧的影响，从而找到解决这一问题的 方法。利用焊剂带约束电弧进行超窄间隙焊接试验，认识和掌握不同约束情况下 的电弧对超窄间隙焊缝成形的影响规律，并确定满足超窄间隙焊缝成形良好的电 弧约束条件。 ( 4 ) 采集电压波形，确定焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的熔滴过渡形态，从而 找到焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的电压与电流匹配范围；通过分析不同焊接参 数下的超窄间隙焊缝几何尺寸，认识焊剂带约束电弧在超窄间隙中的加热特性。 ( 5 ) 超窄间隙中，同步采集的焊接电压波形与焊剂带电压波形，判断焊剂带在 超窄间隙焊接时，能约束住电弧的位置。通过波形分析焊剂带在不同的位置对焊 缝成型以及焊缝形貌的影响。 1 0 兰州理t 大学硕i ：学位论文 第2 章焊剂带约束电弧超窄间隙焊接试验装置及方法 2 1 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接原理 焊接的根本目的是熔化母材坡口的两侧面，从理论上而言，非常窄的母材熔 化层就能满足形成连接的要求，实际上1m m 的熔化层足以达到可靠的连接。常规 焊接方法采用v 形坡口，就是为了增加电弧对坡口侧面的作用，保证其熔透。如 果将v 形坡口变为i 坡口，电弧对坡口侧面的加热效果就会减弱，如图2 1 ( a ) 所 示，导致间隙侧壁和根部熔合不良：为此已开发了多种增强电弧对坡口侧壁加 热的电弧焊接方法，如焊丝弯曲，焊丝旋转，外加磁场使电弧在坡口横向做周期 性地摆动【6 0 儿6 1 】，以及通过施加一变化的脉冲焊接电流使得焊丝端头沿间隙两侧壁 上下移动，增加电弧对侧壁的加热量哺副等。尽管这些方法在一定程度上能够改善 电弧对坡口侧壁的加热效果，在实际应用中仍存在一定的问题。 另外一种解决问题思路是减小坡口间隙，如图2 1 ( b ) 所示，加强电弧对坡口 侧面的加热效果。但试验发现，当坡口间隙减小到一定值时，电弧就无法稳定燃 烧【6 3 1 。这是因为在自动送丝的熔化极电弧焊中，电弧长度靠电弧的自调节作用来 维持，例如，当电弧长度缩短时，焊接电流会快速加快焊丝的熔化，使电弧长度 得以恢复：如果坡口侧面到焊丝端头的距离小于电弧的长度，则电弧只在其中一侧 的坡口侧面上燃烧，这时焊接电流虽然快速增加，但电弧长度保持不变，电弧的 自调节失去作用，电弧将沿坡口侧面快速向上移动( 在下文中称之为电弧攀升) ， 如图2 1 ( c ) 所示。即使在较宽坡口间隙的窄间隙焊接中，如果焊丝的对中控制得 溶池a )( c ) 图2 1 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接原理图 不好，同样会发生以上问题【38 1 。为了解决超窄间隙焊接时电弧易攀升的问题，作 窄问隙岬接r f i 焊荆，特约束电弧的加热特肚 者采用焊剂带约束电弧的焊接方法，如图2 1 ( d ) 所示。 如图2 2 所示，两条由焊剂制成的焊剂带沿间隙侧壁分别被连续送入间隙内的 电弧两侧，焊剂带与坡口两侧紧贴，在合理的焊接参数匹配范围内，焊剂带端头 图2 2 焊剂带约束电弧方法示意图 与焊丝端头形成一定的距离长度c ( 在下文称之为作用长度) ，由于焊剂带绝缘性 能良好，可将电弧与侧壁隔离，防止电弧攀升。电弧被约束在焊剂带熔化端头下 方的一定空间范围内，电弧能量密度集中，这样可使电弧对间隙侧壁和间隙底部 充分加热。 2 2 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的试验装置及试验方法 图2 - 3 焊剂带约束电弧超窄问隙焊接试验装置示意图 1 2 兰州理下大学硕 ：学位论文 本文所采用的试验装置是电源平特性等速送丝焊接设备，其装配示意图如图 2 3 所示。试验中的焊机由焊接小车，控制箱，焊接电源等三大部分组成。焊接 小车的行程范围比较广，是为了适应长型工件的焊接，小车的行走速度可以调节。 焊枪可以在一定范围自动升降，以适应不同的焊丝伸出长度。焊机的线路共分三 大部分：小车行走系统，送丝、送带系统，电源调节系统。焊接电源采用抽头式硅 整流弧焊平特性直流电源，输出电压下降率为2 v 1 0 0 a 送丝机采用推丝型的送丝 方式，驱动焊丝向焊枪输送，送带机构是通过送带轮驱动焊剂带向间隙侧壁输送。 2 3 焊枪结构及主要部件功能简介 2 3 1 焊枪的结构及设计 在焊接过程中，需要顺畅的将焊丝送入工件坡口，焊剂带同时也要沿焊丝两 侧顺利的送入坡口来约束电弧。根据以上焊剂带约束超窄间隙焊接的基本要求， 2 1 2 0 l9 18 l7 l6 1 5 1 4 图2 4 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接焊枪结构示 设计出如图2 4 所示的焊枪。焊丝经导丝管送入导电嘴，导电嘴由两片铜板构成， 边缘有v 形槽以防焊丝滑脱，两侧的弹簧片对铜板施加一定的力，保证导电铜板 窄问隙胛接 1 上口剂带约水电弧的加热特性 与焊丝有良好的接触，通过调整螺栓进给量实现调整弹簧片夹紧力的大小。焊剂 带通过导带槽被送入坡口的合适位置，并通过调节送带马达的电枢电压来调节送 带速度。焊枪前方安装一根扁截面导管，通入氩气保护电弧区。 超窄问隙焊接的焊枪是实现焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的关键，焊枪的结 构如图2 4 所示。焊枪结构主要由以下零部件组成： l 绝缘板，2 焊丝，3 导丝管，4 送带驱动轮，5 送带轮锁紧螺钉，6 调节焊丝 位置滑槽，7 导丝管锁紧螺钉，8 弹簧片调节螺钉，9 与导电嘴相连接的弹簧片， l0 导向杆，l l 绝缘管，1 2 板式导电嘴，l3 导气管，1 4 焊剂带，1 5 导带管，1 6 导带管调节、锁紧螺钉，1 7 导电嘴电源( 阳极) 接线柱，1 8 送带从动轮，1 9 电动 机，2 0 从动轮弹簧片调节螺钉，2 1 与送带从动轮相连接的弹簧片。 2 3 2 焊枪主要部件及功能简介 1 板式导电嘴 如图2 5 所示，导电嘴是由厚度为2 m m 铜板做成，在导电嘴上开有v 形槽， 导电 图2 5 导电嘴结构示意图 焊剂带 可将焊丝夹紧并准确送入间隙底部。导电嘴对焊丝的夹紧力，是通过与其相连接 的两片弹簧片9 发生弹性变形所提供的，弹簧力的大小可通过弹簧片调节螺钉8 调节。板式导电嘴做成楔形面，该楔形面有利于两焊剂带撑开并减小焊剂带送进 时的阻力。反复