（材料加工工程专业论文）超窄间隙焊接过程工艺稳定性及熔池形成.pdf

硕f ：学位论文 摘要 本文在总结以前对焊剂带约束电弧超窄间隙焊接研究的基础上，重新设计了焊枪以 提高焊剂带约束电弧的稳定性。采用新的焊枪在一定的焊接参数和焊剂带送进速度范围 下进行焊接试验，并结合焊接电压及焊剂带电压的波形图，对焊接过程中焊剂带在电弧 中的位置经行分析，发现在采用连续送进的焊剂带约束电弧的焊接过程中，焊剂带在电 弧中位置不确定，造成对电弧的约束程度不稳定。此外，焊剂带在向前移动时由于坡口 内侧飞溅、摩擦等因素的影响易使焊剂带与焊丝轴线之间发生偏移，最终导致焊接过程 稳定性变差发生电弧攀升。这些问题的出现都源自焊剂带刚性不足。 为认识焊剂带约束电弧的超窄间隙焊接中，母材的熔化特性及熔池的形成机制，重 新设计了一种可调约束程度的焊剂带。在放置焊剂带的i 形坡口中进行熔化极电弧焊接 试验，且采用一种快速中断电弧的方法，使焊接过程中焊剂带、坡口底部和侧壁的熔化 形态得以保留并观察。分析认为，在电弧区焊剂带被电弧热熔化的同时，对电弧产生一 定的热收缩效应，加之焊剂带没有熔化的部分对电弧的固壁约束作用，能有效约束电弧 在窄间隙坡口中的作用范围。当选择合适的侧壁根部焊剂带预留高度时，电弧的加热区 域控制在坡口的底部和侧壁的根部，熔滴过渡的冲击作用及电弧力集中在熔池前端，使 熔融金属形成一种从弧坑向后的流动，有利于排出熔池中的气体和熔渣，从而形成无缺 陷的焊缝。当侧壁根部焊剂带裸露高度大于一定值时，电弧所受约束程度减小，电弧加 热区域扩展到较大范围的坡口侧壁上，熔滴过渡分散在坡口底部和侧壁上，熔池熔融金 属难以形成贯穿整个熔池的流动，所形成的焊缝存在较多的孔洞。 关键词： 超窄间隙焊接；焊剂带约束电弧；稳定性；母材熔化：熔池 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v es t a b i l i t yo fc o n s t r i c t e da r c ，ar e d e s i g no fw e l d i n gt o r c hi sp r e s e n t e d b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e so fu l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n gw i t hc o n s t r i c t e da r cb ys u c c e s s i v e f e e d i n gf l u xs t r i p s u n d e rt h ec o n d i t i o no f ac e r t a i nw e l d i n gp a r a m e t e r sa n daw i d er a n g eo f f e e d i n gs p e e do ff l u xs t r i p s ，w e l d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tw i t ht h en e wt o r c h ，a n d a n a l y s i so ft h ep o s i t i o no ff l u xs t r i p si nt h ew e l d i n ga r cw e r em a d eo nt h eb a s eo fw e l d i n g v o l t a g ea n df l u xs t r i p sv o l t a g ew a v e f o r m s i tw a s f o u n dt h a tu n c e r t a i n t yo ff l u xs t r i p sp o s i t i o n i n 嗽t e a d st ot h el o ws t a b i l i z a t i o no fc o n s t r a i n t sd e g r e eo fw e l d i n ga r cd u r i n gu l t r a - n a r r o w g a pw e l d i n gw i t hc o n s t r i c t e da r cb ys u c c e s s i v ef e e d i n gf l u xs t r i p s f u r t h e r m o r e ，f l u xs t r i p s d e v i a t ef r o mt h ea x i so fw e l d i n gw i r eb e c a u s eo f w e l d i n gs p a t t e ra n df r i c t i o n , t h i sm a yl e a dt o t h ea r cc l i m bu pa l o n gt h es i d e w a l lf r o mt h eb o t t o m a l la b o v et h e s ep r o b l e m sc a l lb ec o m e d o w nt ot h el a c ko fs t i f f n e s so fs u c c e s s i v ef e e d i n gf l u xs t r i p s f o ru n d e r s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb a s em e t a lm e l t i n ga n dm e c h a n i s mo fp o o l f o r m a t i o ni nu l t r a - n a r r o wg a pw i t hc o n s t r i c t e da r cb yf l u xs t r i p ，an e wt y p eo f f l u xs t r i pw a s d e v e l o p e d e a n dm e t a la r cw e l d i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u to n ig r o o v ed e p o s i t e dw i t ht h ef l u x s t r i p s b yu s i n go fm e t h o df o ri n t e r r u p t i n ga r cq u i c k l y , t h em e l t i n gf o r m so ff l u xs t r i p s ， g r o o r e ，sb o t t o ma n ds i d e w a l l si nt h ew e l d i n gp r o c e s sw e r e h o l da n do b s e r v e d r e s u l t ss h o w t h a t t l l ea r ci st h e r m a l l yc o n s t r i c t e dd u et om e l t i n gf l u xs t r i p s ，i na d d i t i o n ，t h ea r ei so b t a i n e d a 、 僦lc o n s 仃i c t i o na si tc o n t a c t sw i t ht h en o n - m o l t e nf l u xs t r i p s t h e s ec o n s t r i c t i o n sc a l l c o n t r o lt h eh e a t i n ga r e ao ft h ea l ei nn a r r o wg a p w h i l et h eh e i g h to fl o w e rs i d e w a l l s u n c o v e r e db yf l u xs t r i p si sp r o p e r , h e a t i n ga r e ao ft h ea r ci sc o n s t r i c t e dw i t h i ng r o o v e s b o t t o ma n dt h er o o t so fs i d e w a l l s ，f i l l e rm e t a ld r o p l e ti m p i n g e m e n ta n da r cp r e s s u r ew e r e c o n c e n t r a t e do nt h ef r o n tp o r t i o no fm o l t e np 0 0 1 a sar e s u l tt h e s ef a c t o r sc a u s e t h eb a c k w a r d f l o wo fm o l t e nw e l dm e t a l ，w h i c hf a c i l i t a t ee x p e l l i n gt h eg a sa n d t h es l a gi nt h em o l t e nm e t a l ， a n dw e l d s 诵t h o u tt h ed e f e c tc a nb eo b t a i n e d w h e nt h eh e i g h to fl o w e rs i d e w a l l su n c o v e r e d b yf l u xs t r i p si n c r e a s e st oac e r t a i nv a l u e ，t h eh e a t i n g a r e ao ft h ea r ce x t e n dt oh i g h e rp o s i t i o n o fg r o o v e ss i d e w a l l s ，a n df i l l e rm e t a ld r o p l e ti m p i n g e m e n ti ss c a t t e r e do nt h eg r o o v e s b o t i d ma n ds i d e 、v a l l s i nt h i sc a s e ，t h eb a c k w a r df l o wo fm o l t e nw e l dm e t a lc a n n o tb ef o r m e d ， s ot h a tt h eg a sa n dt h es l a gc a nn o tb ee x p e l l e di nt h em o l t e np o o l ，w h i c hm a k ew e l d sc o n t a i n al o to f p o r e s k e yw o r d s ：u l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n g ；a r cc o n s t r i c t e dw i t hf l u xs t r i p s ；s t a b i l i t yb a s em e t a l m e l t i n g ；m o l t e np o o l i l 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。 作者签名：方杓 日期2 中6 月帅 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： 导师签名： 多髑 1 1 七卅 次l u 日期：) 哆年易月p 丑 醐：) 圹多月胂 硕十= 学位论文 第1 章绪论 1 1 窄间隙焊接的定义和特点 焊接作为一种先进的连接技术广泛的应用于现代工业生产中的各个领域。近年来窄 间隙焊接作为一种高效节能的焊接技术，被广泛的应用于工业生产。窄间隙焊接是在母 材厚度相同的情况下，采用焊接坡口间隙小于传统坡口间隙的一种焊接技术，是对传统 焊接技术的继承与发展。经过半个多世纪的发展，尤其是对这种焊接工艺和焊接材料方 面开展的大量的研发工作之后，使得这一技术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 占 1 j 、 ( 1 ) 焊缝横截面积大幅度减少，节约大量的焊接材料与电能，从而在提高焊接生 产的同时，也大大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提高。 ( 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 接热影响区的塑性、韧性损伤也大大减小，缺口韧性相对提高。 窄间隙焊接是焊接技术大家族的重要新成员，作为一种特殊的工业技术，具有以下 公共技术特征乜卅： ( 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敷方式，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。 1 2 窄间隙焊接技术的分类及其适用范围 1 2 1 窄间隙焊接方法的分类 目前，世界各国对窄间隙焊接技术已经做了广泛地研究，在应用上已取得了显著的成 超窄问隙焊接过程t 艺稳定忭及熔池形成 就。对于窄间隙焊接的分类有多种方法，窄间隙焊接按照其采取的工艺不同，可分为熔 化极电弧焊、非熔化极电弧焊、窄间隙埋弧焊、窄间隙电渣焊、窄间隙手工电弧焊、窄 间隙激光焊等h 1 。 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吲，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 2 各种窄间隙焊接方法的适用范围 1 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 r a 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 r a m ，而其它焊接条件都不变璐1 2 窄间隙埋弧焊 窄间隙埋弧焊具有高效，优质，低成本，低能耗的优点脚。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制造方面获得了广泛的应用。窄 间隙埋弧焊焊接时，在较窄的坡v i 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 r a m 以上的压力容器超厚板； 第一，二层使用t i g 焊进行打底，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 也堂 5 】 寸o 3 窄间隙气电焊 气电焊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产生持 续电弧，进行气体保护焊的方法。此外还有在v 形或x 形窄间隙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 - - 一1 0 0 次分钟的高速晃 动；有的则在焊厚板时使焊丝摆动畸1 。 4 窄间隙自保护焊 在窄间隙自保护电弧焊接方面，已研制了采用直径为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1 5 - 2 0 度) 周期性地增减焊接电流，故焊道 形状容易控制喳1 。 5 窄间隙t i g 焊 窄间隙t i g 焊是目前应用最为成功的窄间隙焊接方法陆1 ，尤其是窄间隙热丝t i g 焊接 2 硕l 学位论文 方法，具有熔敷效率高的优点吲，因此获得了广泛的应用。文献阳1 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充分加热，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。 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 n u 。 1 3 窄间隙焊接在工业生产中的应用 1 3 1 锅炉、压力容器 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1 5 0m i l l 左右，现在日本的个别工厂已用于2 5 0f i l 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，如简体纵缝和环缝， 封头的对接接头，接管与人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 钢和超细晶粒钢进行焊接n 纠5 1 。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 3 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n 司。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 0 m m ，也有更厚。 1 3 3 船舶与海洋结构体 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体n 卜1 9 3 。 大型海洋结构体制造中，使用超过1 0 0m 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。 超窄问隙焊接过程1 艺稳定忤及熔池形成 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上推广窄间隙焊接，采用了直径1 2 1 6l l l 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 o ：气体保护， 在交流电源下进行单面焊接n 训。 1 3 4 压力管道 随着压力管道的大型化，大量采用h t 一8 ( 日本钢号) 、s m 一5 8 ( 日本钢号) 等大直径、 大厚度高强度钢管。过去采用药芯焊丝的手工焊接，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t l 动焊接方法。主要采用u 形坡口的气体保护 窄间隙焊接。国内正在建设的第三代核电站堆型a p l 0 0 0 ，由于考虑现场焊接空间狭窄、 主管道壁厚过大、全位置进行焊接及焊缝质量要求高等特点，在西屋公司负责的三门核 电站一号机组的建设中，a p l 0 0 0 主管道焊接优先选用窄间隙钨极氩弧焊方法进行自动化 焊接。 1 4 窄间隙焊接技术主要存在的问题 窄间隙焊接技术，在大厚度母材的焊接中，能充分减小焊缝坡口中的填充面积，节 省大量焊材，从而减少电力损耗和提高生产效率。然而在现有技术条件下，由于坡口间 距的减小在这项技术的使用过程中出现了一些新的技术上的难题。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条件下，电弧轴线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方式得当坡口面 和焊道、焊层间发生未熔合的几率极小。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，一般情况下能量密度很低的电弧周边难以作用到坡口侧 壁，而能量密度最高的电弧中心区域就更加难易加热到坡口侧壁上了，这就导致了侧壁 均匀熔合的可靠性差，尤其是在低线能量焊接时极为突出。 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，文献乜伽的研究表明，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，文献乜卜2 2 3 采用正极性焊 接，而文献口3 3 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 4 硕上学位论文 气孔。此外，在多层多道焊中，若由于焊缝成型呈过凸的表面形状时，往往在坡口面与 熔覆金属面相交处形成熔渣难以清理往往也容易形成夹渣。 5 焊接工艺过程稳定性低 在有熔化极气体保护的窄间隙焊接过程中，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，当导电嘴接近侧壁时 则会造成导电嘴与工件侧壁之间产生电弧而使焊接电弧受到干扰或者焊接过程无法进 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。文献 2 4 通过对双丝熔化极窄间隙气体保护焊的研究发现，双电弧处于共熔池或独立状态 时，焊接过程稳定，处于由共熔池向独立熔池过渡阶段，受窄间隙坡口中非均衡分布的 电磁力作用，电弧发生偏转而被拉断，从而频繁出现电弧偏转一拉断一再引燃这样的反 复循环过程，焊接过程不稳定。此外，双丝沿焊接方向的夹角也是一个重要的参数。当 夹角为零时，焊接过程稳定，若前丝后倾则会加剧电弧的偏移，从而导致电弧被拉断而 产生断弧，焊接稳定性变差。当焊丝与侧壁间距不同时，电弧的形态也不同，当间距为 2 5 姗时，电弧在焊丝坡口底部和侧壁间燃烧，焊接过程稳定：而当间距达到1 5 嗍时， 出现侧壁打弧现象，焊接稳定性恶化。 1 5 超窄间隙焊接的定义及特点 为了解决窄间隙焊接中出现的侧壁熔合不良的问题，在近年来的研究中采用了进一 步减小坡口间隙，使电弧不用摆动便可直接加热到侧壁上，于是便出现了超窄间隙焊接 技术。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 隙宽度小于或等于6 n m ) 更小的一种窄间隙焊接技术，是对窄间隙焊接技术的进一步发 展。超窄间隙焊接具有如下特征降刎： ( 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。 目前，超窄间隙( 间距小于6 m m ) 焊接的研究还处于试验阶段，从发表的论文来看对 于超窄间隙的研究，主要采用了实验的方法、数值模拟的方法或者两者并用的方法。取 得了些阶段性的成果。如兰州理工大学朱亮、郑韶先等先后采用涂覆焊剂片和焊剂带 约束电弧的方法来研究在有约束的情况下超窄间隙焊接中，电弧的加热机理和电弧的特 性以及母材的熔化和焊缝成型乜6 驯。武汉大学焊接研究所张富巨等人采用超窄间隙m a g 焊接技术焊接h 6 1 0 u 2 钢和9 8 0 钢，并对其进行相关的金相和力学性能实验。研究结果表 明：与现有焊接技术相比，可提高生产效率2 - 3 倍；焊接残余应力和变形大幅度降低； 超窄问隙焊接过程t 艺稳定忭及熔池形成 焊接热影响区宽度仅为1 6 m m 左右；且热影响区粗晶脆化程度极低。武汉大学周炼刚等 人应用高斯热源模型对超窄间隙c o 。气体保护焊接条件下的温度场进行数值模拟，表明超 窄间隙焊接温度场具有加热和冷却速度极快；相变温度以上停留时间极短；焊接热影响 区极窄等特性。 1 6 窄间隙和超窄间隙焊接技术研究的重要意义 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，焊接的钢板厚度越来越大，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的高效焊接技术。另外，近些年随着一些新型钢种 焊接性问题的出现，使窄间隙焊接技术的优越性更加明显咖1 。 1 焊接接头的力学性能 相对传统窄间隙焊接技术而言，超窄间隙焊接更容易得到力学性能优良的接头。因 为超细晶粒钢h a z 优良的断裂韧度使得超窄间隙焊成为焊接这种钢材最具吸引力的技 术。实践证明超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m 3 刳。 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口引。 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，但由于填充面 积的减小，使其生产率得到了大幅度提高引。 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c a i 型的坡口，故坡口制作成本降低： 6 硕士学位论文 大幅度节约了焊材使电能消耗费用大幅度减少：焊接材料成本也大幅度降低：焊接生产 率得到大幅度提高，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啪1 。 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 高一倍附钔。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，其生成晶粒大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 。细晶粒钢及超细晶粒钢已成为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 7 】。 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。在细晶粒钢中以不 同线能量焊接时随着线能量的减小，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 1 为x 7 0 管线钢采用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 ? 邑 越 蹦 距焊缝中心距离l u 图1 ix 7 0 管线钢焊缝接头硬度分布 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口1 。 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n 2 蚰删。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和不开坡口的 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n o 6 k j n 嘲，可以使t 。，。降低到1 5 s 以下，与细晶粒钢轧制 超窄闹礤焊接过程t 艺稳定件及熔池形成 生产中的快速冷却速度相当，而且1 3 0 0 c 到9 0 0 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嘲1 。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汹1 。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 决嘲。另外，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 ：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同的，但u n g w 的晶粒宽度比激 光焊约d x 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。 1 7 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 r r o wg a pg m aw e l d i n g ) 是近年来发展起来的一项新 型技术。继承了窄间隙焊接技术的生产效率高、接头力学性能好、残余应力小的优点。 但是由于其进一步减小了焊接坡口的间隙，从而带来了一些与窄间隙焊接技术不同的一 些新的问题。超窄间隙焊接主要存在如下的问题： 1 超窄间隙焊接过程中易发生电弧攀升 为了使间隙两侧壁熔合良好，通过减小两侧壁间距，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嘲1 。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一种有效途径。 2 超窄间隙焊接焊缝成型过程中易发生熔合不良 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，目前在窄间隙焊接技术 领域已开发- y m i g 和m a g 焊接方法嘲矧1 8 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 硕士学位论文 ( 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。 1 8 本课题的研究内容 超窄间隙焊接继承和发展了窄间隙焊接的优点，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，同时也出现了新 的问题。在电弧焊接的过程中母材的熔化主要靠电弧直接加热作用到母材上，使母材熔 化。在窄间隙焊接时，由于坡口侧壁几乎平行于焊接电弧的轴线，电弧不能直接作用到 侧壁上，此焊接方法中存在的最根本的问题就是熔覆金属与间隙侧壁之间、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，焊丝旋转回1 ，外加磁场使电弧在坡口横向做周期性 地摆动嘲1 ，以及通过施加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咖等。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得到很好的解决。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，同时在焊接过程中固壁 约束效果明显等优点，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而导 致的熔合不良的问题具有独特的优势。但是采用此种约束电弧的方法进行焊接，存在一 定的不稳定性。为了进一步提高该方法的稳定性，以便于对超窄间隙焊接过程中的熔池 形成进行研究，还需开发出适合超窄间隙焊接的新型焊枪。本课题使用研制的新型焊枪， 采用连续送进的焊剂带约束电弧，进行了超窄间隙焊接试验，并在该基础上对焊缝熔池 的形成作了研究。本课题的主要研究内容： ( 1 ) 设计开发新型焊枪，并且进行焊接工艺稳定性的研究。在以前研究的基础上， 根据实验结果分析原有焊枪，提出新焊枪所要达到的预期目标。根据预期目标要求，确 定新焊枪的结特，进行焊枪设计、制造组装、调试，最后利用连续送进式焊剂带约束电 弧进行焊接稳定性试验并作分析。 ( 2 ) 研制新的可约束电弧的焊剂带。此焊剂带应该具有与以前所使用的焊剂带不同 的结构和制造特点，可以准确的定位焊剂带在电弧中的位置，同时在电弧气氛中约束程 度可调。焊接后便于通过观察焊剂带的形貌来判断和研究焊剂带对电弧的约束程度。 ( 3 ) 利用新研制的焊剂带来约束电弧进行不同约束程度下的超窄间隙焊接试验。根 据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电弧特性；认识和掌握焊剂 带约束电弧的规律；研究总结焊缝在不同约束程度下的成型状况，探讨可变约束程度式 焊剂带约束电弧情况下焊缝熔池的形成过程与特点。 9 超窄问隙焊接过程t 艺稳定件及熔池形成 第2 章连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的 试验及方法 2 1 焊剂带约束电弧焊接的原理 焊接作为一种材料连接技术，最根本的目的是将母材连接在一起。常规焊接中采用 开坡口的办法，就是为了便于焊接操作者摆动电弧到坡口面上，增加电弧对坡口侧面的 加热作用，确保其具有一定的熔深。从理论上而言，熔化母材坡口的两侧面，只要有非 常薄的母材熔化层就能满足形成连接的要求，实际上约1i 姗的熔化层足以达到可靠的 连接。在超窄间隙焊接中将v 形坡口变为i 形坡口，由于电弧轴线与坡口侧面的夹角变 大，接近平行，加热效果就会减弱，如图2 1 ( a ) 所示，电弧向下加热，不能加热到侧壁 或者加热时热输入量有限，导致间隙侧壁和根部熔合不良。为此在世界很多国家的研究 中，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田一，以及通过施加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陆鲫等。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。 为了解决侧壁和根部熔合不良的问题，人们采用了减小坡口间隙的办法。这一办法 的设想是在间隙变小到一定程度之后，可以在不用摆动电弧的情况下电弧便可以作用到 坡口侧壁，如图2 1 ( b ) 所示。但试验发现，当坡口间隙减小到一定值时，电弧就无法稳 定燃烧唧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：当电弧长度缩短时，焊接电流会加快焊丝的熔化，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焊丝端头到底部的距离时，由于距离的变小，电弧只产生在 坡口侧面与焊丝端头之间，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，造成“电弧攀升，如图2 1f 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不好，偏向其中某一 侧时，同样会发生以上问题啪3 。为了解决超窄问隙焊接时电弧易攀升的问题，作者采用 了两种不同结构的焊剂带来约束电弧进行超窄间隙焊接，如图2 1 ( d ) 和( e ) 所示。 如图2 1 ( d ) 所示，在小于5 m m 的坡口间隙中，当电弧燃烧时沿着坡口内壁在电 弧两侧，连续送进一种以钢带为骨架表面涂覆具有绝缘作用的焊剂的焊剂带，在有限的 空间内绝缘焊丝端头与侧壁，并且该焊剂带同时具有压缩电弧空间对电弧起到约束的效 果。在本实验室以前的研究中发现焊剂带在电弧中的作用长度是影响电弧约束程度的决 定因素，当焊剂带的送进速度过小时，由于电弧的加热焊剂带的熔化速度大于送进速度， 伸入电弧区域的固态的焊剂带长度( 作用长度) 很小，对电弧的约束作用不明显，往往 1 0 硕j j 学位论文 引起电弧攀升，电弧在侧壁和焊丝端头之间燃烧，熔滴向侧壁过渡，形成中空多孔的焊 缝。当焊剂带的送进速度过大时，进入电弧区域的焊剂带来不及熔化，作用长度过长， 对电弧的约束效果过于明显，导致电弧被约束在焊缝底部很小的区域内，形成底部熔深 大，焊缝成型过凸的焊缝。唯有当焊剂带送进速度在适当的范围时，电弧被约束在一定 的范围之内，且电弧约束状态良好时，才有可能形成表面成型和内部质量良好的焊缝。 然而在经过大量实验的验证后，发现采用连续送迸焊剂带的方法可以实现对电弧有效的 约束，但是这种约束在焊接过程中显现出一定的不稳定性，在对连续送进式焊剂带约束 电弧焊接的工艺稳定性做了大量的研究分析之后，发现采用这种约束方法进行焊接，其 焊接过程的稳定性易于被各种因素干扰而使其在焊接过程中失去稳定性，最终导致焊接 电弧攀升。为了解决这一问题，重新设计出新结构的焊剂带，在间隙坡口内侧固定不同 高度的此种焊剂带，该焊剂带可以通过调节其在焊缝间隙中的高度来约束焊接电弧，其 原理如图2 1 ( e ) 所示。 m1 i 出凼避螋i ! i 饕潍(a)b)(c) ( d ) ( e ) 图2 1 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接原理图 2 1 1 连续送进的焊剂带约束电弧 如图2 2 所示，两条以钢带为骨架两面涂覆焊剂而制成的焊剂带，沿间隙侧壁分别 r 图2 2 连续送进式焊剂带约束电弧方法示意图 超窄间隙焊接过程工艺稳定性及熔池形成 以相同的速度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，焊剂带端头超出焊丝端头形成一定的距离长度c ，本文以下称为作用长 度。由于焊剂带的绝缘性，可将电弧与侧壁隔离，防止焊丝端头与侧壁之间产生电弧， 从而防止了电弧攀升。电弧被约束在焊剂带端头下方的一定空间范围内，电弧能量集中， 这样可使电弧对间隙侧壁和间隙底部充分加热。同时焊接电弧与焊剂带随着焊枪以相同 的速度沿侧壁向前移动，时刻保持对电弧的约束效果，完成在焊剂带约束下的超窄间隙 焊接。 2 2 焊剂带的制作工艺 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接中，焊剂带对电弧的约束起着重要作用。焊剂带的结 构和制作工艺过程决定着焊剂带的质量，从而影响着其对电弧的约束效果。以下是本实 验中所使用的焊剂带制作工艺的简单介绍： 连续送进式焊剂带结构是中间为厚度0 1 m m 宽6 m m 的钢带，钢带两面为焊剂涂层， 如下图2 3 所示。焊剂中的主要成分：大理石是造气、造渣、稳弧；萤石主要用于脱氢； 钛白粉用于稳弧和改善脱渣性；纯碱主要用于稳弧。其制作工艺流程为：先将钢带表面 进行处理，然后将焊剂与硅溶胶以一定的比例混合经过搅拌涂覆于钢带表面。 钢 a a 图2 3 连续送进式焊剂带结构示意图 一般情况下，由于在生产过程中钢带表面会粘有油污、氧化层( 如锈蚀) 等的存在， 影响了粘接强度，因此在涂覆焊剂前对钢带的表面处理是必要的。表面处理的具体过程 是： 首先是对钢带表面进行电解除油。利用电解时电极上析出大量气体，猛烈析出的气 泡起机械搅拌和剥离作用，加速了溶液对油脂的皂化和乳化。另外细小的气泡从钢带表 面通过油膜析出时，小气泡的周围吸附着一层油膜脱离钢带带入溶液，这样油脂便被除 去。其次是提高钢带表面粗糙度。从以前的研究试验可知，如果钢带不打磨，焊剂带涂 料涂