（材料加工工程专业论文）固壁约束tig电弧的特性及超窄间隙焊接的应用.pdf

兰州理工大学硕+ 学位论文 摘要 超窄间隙焊接是采用间隙尽量小的i 形坡口，得到焊接变形较小、接头性能 优良的焊接接头的一种高效率焊接技术，超窄间隙焊接的关键技术就是如何解决 侧壁熔合问题，因此它受到各国的广泛关注。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，限制了超 窄间隙焊接技术的实际应用性。 本试验设计了陶瓷片约束电弧超窄间隙焊接的焊枪，在焊枪上钨极的两侧加 上的圆形旋转陶瓷片可以约束电弧，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，从而保证坡口两侧壁的有效熔合。创新性 的采用气动陶瓷片转动和三向气保护方式，通过试验确定了三向气保护的气体流 量。通过对电弧形态的观察分析，以及焊缝形状的测量，试验研究了旋转陶瓷片 约束下的电弧形态和对母材的加热特性；通过超窄间隙坡口焊接试验分析，匹配 了合适的电压、电流等焊接工艺参数，保证坡口侧壁熔合，从而实现将坡口间隙减 小到6 m m 以下进行焊接的目的。采用平板分裂阳极法测定焊接电流在焊接过程中 的分布规律，同时自行设计了运动铜丝静电探针，对t i g 电弧进行低扰动诊断， 测量了弧柱区不同位置的电位，结合静电探针与等离子体相互作用机理分析了电 位波形的形成机制，提出摆动载流通道t i g 电弧模型。研究发现当探针位于电弧 的中央区域时，探针与载流等离子体和非载流等离子体发生交替接触，使探针上 的电位呈负电位和零电位交替变化的形式。电极的阴极斑点和工件的阳极斑点之 间，形成一种直径小于弧柱的载流通道，它以数百h z 的频率，在电弧内部温度较 高的等离子区空间旋转和摆动，载流通道承担所有的电弧电流，而在载流通道没 有运动到的外围温度区域，呈现温度较低的负离子区。 关键词：超窄间隙焊，约束电弧，静电探针，tig 电弧，载流通道 a b s t r a c t t h eu l t l ? a - n a r r o w 。g a pw e l d i n gi sah i g he 伍c i e n tw e l d i n gt e c h n o l o g yi n w h i c hi g r o o v el su s e d b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp r o d u c t i v i t ya n dl o w e r w e i d i n g d i s t o r t i o n t h ek e yt e c h n o l o g yo fu l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n gi s t h ep r o b l e mo ft h e s i d e w a l l sf u s i o n 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 em e p r o b l e mo fm s i o no 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 lp r o c e s so f w e l d i n ga n de q u l 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 叩 w e l d i n gi sl i m i t e di nm a n yf i e l d s t h ea u t h o rd e s i g n e dan e w t i gw e l d i n gt o r c hf b ru l t r a n a r r o ww e l d i n gw i t hf l u x s t r l p sc o n s t r a l n l n ga r c a 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 e r a m i cp i e c e so nt w o s l 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 d i n gt h ea r c c l l m b l n gu pt r o mt h en a r r o wg a pb o t t o m ，a v o i d i n gt h eo c c u r r e n c eo fp la s mb e t w e e n s l d e w a l la n dt u n g s t e ne l e c t r o d e ，w h i c hc a n e f f e c t i v e i 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 0 1 v i n g t 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 f o rt h ef i r s t t i m e ，i n t r o d u c i n gs h i e l d i n gg a st om a k et h ec e r a m i cp i e c e sw h e e l i n ga n dp r o t e c t i n gt h e w e l d l n gg a pf r o mt h r e ed i r e c t i o n s t h ea p p r o p r i a t eg a sn o wc a nb em a d es u r e t h e a u t h o rs t u d l e sa r cm o r p h o l o g ya n dh e a t i n g c h a r a c t e r i s t i co fa r cu n d e rd i f 五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 es i z s o 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 矗e c to fa r c h 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 l e dw l t hr o t a r yc e r a m i c t bo b t a i nm a t c h e dp a r a m e t e r sa n d f u s i o no ft h es i d e w a l l s l nu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g ，t h ea u t h o r a n a l y z e sw i d t ho fm e l t i n ga n dd e p t ho f m e l t i n gt h a ti si n f l u e n c e db yw e l d i n gp a r a m e t e r s ，f o rv o l t a g e ，c u r r e n ta n ds oo n s o u i 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 l l r yo u tu n d e r6 m m t h ee x d e r i m e n t d e t e r m i n e dt h ec u i r e n t d i s t r i b u t i n gd i s c i p l i n a r i a nb ya d o p t i n ga n o d ei nf l a t a tt h e s a m et l m e ，m o v i n ge l e c t r o s t a t i cp r o b em a d eo f c o p p e rw i r ew a sd e v e l o p e dt ob eu s e d f o rd i a g n o s i so ft i ga r c t h ep o t e n t i a l so ft h ea r cc o l u m nf o rv a r i o u sp r o b e p o s i t i o n s w e r em e a s u r e dw i t hl o wp e r t u r b a t i o n i nb a s i so ft h em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o n b e t w e e ne l e c t r o s t a t i c p r o b ea n dp l a s m a ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o b e p o t e n t i a l w a v e f o n nl np l a s m aw e r ee x p l a i n e d t h em a i nr e s u i to f t h i sw o r ki st h a tw h e nt h e e l e c t r o s t a t i cp r o b el o c a t e st h ec e n t e ra r e ao fa r c ，i ta l t e m a t e l yc o n t a c t sw i t hc u r r e n t c a r r y l n gp l a s m aa n dn o n - c u r r e n t _ c a r r y i n gp l a s m a ，t h e r e b yt h ep o t e n t i a lo ni tc h a n g e s b e t w e e nn e g a t i v ea n d z e r o o s c i l l a t i n gc u l l r e n t - c a r r y i n gc h a n n e lm o d e lo ft i ga r cw a s p r e s e n tl nt h l sp a p e r i na ni n n e ra r cr e g i o n ，c u r r e n tc a r r y i n gc h a n n e l sc o n n e c t i n gt h e 兰州理工大学硕士学位论文 c a t h o d es p o t sa n da n o d es p o t so s c i l l a t ew i t ht h ef r e q u e n c yo fh u n d r e d sh zt of l o mt h e h i g h e rt e m p e r a t u r er e g i o no ft h ea r c ，a n dt h ec u r r e n tc a r r y i n gc h a n n e l sc a r r ya 1 1a r c c u r r e n t i nt h eo u t e rr e g i o nw h e r et h ec u r r e n tc a r r y i n gc h a n n e l sd on o tr e a c h ，t h e r ei s an e g a t i v ei o nr e g i o nw i t ht h el o w e rt e m p e r a t u r 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 ， f u s i o n o ft h e s i d e w a l l s ， e l e c t r o s t a t i c p r o b e ，t i ga r c ，c u r r e n tc a r r y i n gc h a n n e l i 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：田玉吉i 匀互力日期：加? 年乡月z 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。 2 一 月月 乡厂 年年 p o 5 砒础 期期日日 舍_ 以乙 j认，r 矾等 士日 玉 名名签签者师作导 兰州理丁大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 窄间隙焊接的工程意义及国内外应用现状 1 1 1 窄间隙焊接的定义及分类 所谓窄间隙焊接是利用现有的电弧焊方法，采用间隙尽量小的i 形坡口，从 而得到高质量的焊接接头的一种高效率焊接方法。由于窄间隙焊接技术可大幅度 地减少坡口的横截面积，从而降低了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，因此随 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，传统的焊接工艺方法已不能满足要求，于是窄间隙焊接已经被看作是 一种经济的，能得到优良性能的焊接接头的高效焊接技术阳1 。 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 j 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； 焊接线能量先对较小( 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n 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。 窄间隙焊接方法有如下几种：气体保护焊方法，简称气保焊；埋弧焊焊接方 法( s a w ) ；气电弧焊方法( e g w ) ；采用焊条的手工焊接方法( m m a w ) ；自保 护电弧焊接方法( f c a w ) 等。 在气体保护弧焊方法中，m a g 与m i g 焊接方法( g m a 方法) 最多( 保护气 体为c 0 2 ，a 卜h e ，a 卜c 0 2 ) ，占总数的5 5 ；t i g 焊接方法( g t a 方法) 占剩余的 1 1 。在g m a 焊接方法中，多数报告是介绍平焊和横焊窄间隙焊接的。 ( 1 ) 窄间隙气体保护弧焊方法 窄间隙m a g 及m i g 焊接方法。 固壁约束t i g 电弧的特性及超窄间隙焊接的应用 窄间隙g m a 平焊方法中，为了使i 形坡口的两边充分焊透，研制了如下各 种方法：使焊丝弯曲的方法；使焊丝摆动的方法；采用麻花焊丝方法；采用药芯 焊丝的交流弧焊方法；采用大直径实芯焊丝的交流弧焊方法等。另外，也采用 a r + c 0 2 ( 7 0 ) 作为保护气体与直径1 6 m m 的实芯焊丝相配合的气体保护焊方法， 来焊接特殊车辆的形状复杂的接头。 在横焊方面，为了防止i 形坡口内熔融金属往下淌，以便得到均匀的焊道， 提出了如下焊接方法：利用焊接电流周期性变化的焊接方法，使焊丝摆动或将坡 口分成上下层的焊接方法，以及将各种方式组合起来的焊接方法等。此外，也有 根据被焊结构的坡口变化，自动地调整焊接规范的全自动焊接。 在立焊窄间隙m a g 焊接方法中，为了保证坡口两侧焊透，研制了摆动焊丝 焊接方法以及与摆动同步地变化焊接电流的焊接方法等n 引。作为全位置焊接方法 的实例，压力水管的现场焊接方法已得到了应用嫡1 。 窄间隙t i g 焊接方法 超高强度钢的使用促进了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。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( 如 钼、铌、锆) 等，其接头具有良好的韧性，焊缝金属中的含氢量很低阳1 。由于钨极 的载流能力低，因而熔敷速度不高，应用领域比较狭窄，一般被用于打底焊以及 重要的结构中。实际生产中可用热丝的方法以提高其熔敷速度，郑州电力修造厂 引进的由法国p o l y s o u d e 公司制造的窄间隙t i g 焊全位置自动焊机是目前新一代 的全位置窄间隙焊机，它就是采用热丝的方法，预先测定工艺参数，由计算机贮 存程序后进行实际生产。但由于没有焊缝自动跟踪装置，在生产中还需要人工监 视引。 作为窄间隙g t a 焊接，有的利用在送进的焊丝中通过直流电并使由此产生的 磁场偏向焊接前进方向的焊接方法，以及把这一方法用于压力水管环缝的现场单 面焊接方法。在窄间隙热丝t i g 焊接方法方面，研制了利用低频脉冲电流立焊或 横焊不锈钢的焊接方法。此外，为了防止因填丝和通电而引起磁偏吹，还研制了 周期性地增减电弧电流，并在电弧电流减少之瞬间填丝通电的焊接方法。 ( 2 ) 窄间隙埋弧焊接方法 窄间隙埋弧焊出现于8 0 年代，很快被应用于工业生产，它的主要应用领域是 低合金钢厚壁容器及其他重型焊接结构。窄间隙埋弧焊的焊接接头具有较高的抗 延迟冷裂能力，其强度性能和冲击韧性优于传统宽坡口埋弧焊接头，与传统埋弧 焊相比，总效率可提高5 0 8 0 ，可节约焊丝3 8 5 0 ，焊剂5 6 6 4 7 。 窄间隙埋弧焊已有各种单丝，双丝和多丝的成套设备出现，主要用于水平或接近 水平位置的焊接，并且对焊剂要求具有焊接时所需的载流量和脱渣效果，从而使 兰州理工大学硕士学位论文 焊缝具有合适的机械性能。一般采用多层焊，由于坡口间隙窄，层间清渣困难，对 焊剂的脱渣性能要求很高，尚需发展合适的焊剂n 0 1 。在窄坡口内应具有良好的脱 渣性是最主要的因素。某焊接材料制造厂生产的脱渣性良好的熔炼型或烧结型焊 剂已成功地用于窄问隙焊接。焊接用坡口形状为u 或v 形( 角度2 0 4 0 ) ，使用直 径o 2 m m 4 8 m m 的焊丝。 ( 3 ) 窄间隙电渣焊 窄间隙电渣焊除可焊接各种钢材和铸铁外，还用于焊接铝及铝合金、镁合金、 钛、钛合金以及铜，它被广泛用于锅炉制造、重型机械和石油化工等行业，近年来 在桥梁建造中，窄间隙电渣焊被用于焊接2 5 7 5 m m 的平板结构。其焊剂、焊丝 和电能的消耗量均比埋弧焊低，并且工件厚度越大效果越明显，焊接接头产生淬 火裂纹的倾向小，较传统电渣焊相比，焊缝和热影响区的金属性能更高，可免除 或简化焊后的热处理过程，与一般电渣焊一样，其设备比较庞大，同时对所用渣 剂的脱渣性要求较高n 引。 ( 4 ) 窄间隙手工电弧焊 由于窄间隙焊接主要面向机械化及自动化生产，手工电弧焊在窄间隙焊接中 的应用不多，而且焊接质量不好控制。但实际生产中，窄间隙手工电弧焊具有其 他焊接方法所不能替代的优势( 如使用方便、灵活、设备简单等) ，因此在某些领 域中，如在大坝建筑中用于钢筋的窄间隙焊接，解决了由于钢筋连接技术造成的 钢筋偏心受力问题。 ( 5 ) 窄间隙激光焊 由于激光焊焊接的板厚超过6 m m 时列入厚板焊接，而激光焊的坡口宽度较 小，此时可以认为是窄间隙激光焊接。厚板的激光焊普遍采用高功率c 0 2 激光器， 目前可焊厚度达5 0 m m ，深度比高达1 2 ：1 。激光焊接的焊缝在焊态下硬度很高， 主要含马氏体组织，应进行焊后热处理。由于激光焊要求大功率的激光器，设备 要求高，因此在生产领域中的应用是有限的。 ( 6 ) 窄间隙气电焊接方法 在窄间隙气电焊方面，已研制了采用直径1 6 m m 的药芯焊丝，在v 形或x 形窄坡口中进行高效率焊接的方法。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m i n 高速晃动，有的在焊厚板时使焊丝摆动。 ( 7 ) 窄间隙自保护电弧焊接方法 在窄间隙自保护电弧焊接方面，已研制了采用直径2 o m m 药芯焊丝的横焊方 法，焊接时在v 形窄坡口内( 坡口角度1 5 0 2 0 0 ) 周期性地增减焊接电流，故焊 道形状容易控制。 ( 8 ) 窄间隙涂药焊条手工电弧焊接方法 在窄间隙涂药焊条手工电弧焊接方面，已经研制了钢轨的强制成形焊接方面， 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 固壁约束t i g 电弧的特性及超窄间隙焊接的应用 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 ，而其他焊接 条件不变。 1 1 2 窄间隙焊接的国内外发展应用现状 目前，世界各主要国家对窄间隙焊接已开展了广泛研究，现已取得了许多成 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 m i 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 ) ，并在工业中得 到应用。其中n g s a w 根据不同板厚，坡口的间隙在1 0 2 6 m m 范围内，坡口间 隙和焊丝直径比在4 3 6 3 之间，均采用每层两道和三道的方法焊接，但实验发 现若采用每层一道，进一步减小坡口间隙和焊丝直径比，焊接过程无法稳定。 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，坡口间隙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1o 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，使 焊缝熔合不良，会破坏焊接过程的正常进行幻。 2 0 世纪9 0 年代以来在电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，从而为窄间隙焊接技术的快速发展奠定了基础。在日本，压力容器 目前所采用的窄间隙焊接方法主要是利用给焊丝施加一个力，使焊丝在焊接过程 中不断地振动或使焊丝倾斜一定角度并旋转来达到焊接的目的。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1 1 。 然而，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、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也低。因 此，超高强钢的焊接问题已成为焊接领域的主要研究课题。作为窄间隙焊的成员 之一的t i g 窄间隙焊接技术的研究在众多领域也有了新的突破。在以提高效率、 4 兰州理下大学硕十学位论文 降低成本、节约能源、注重质量的前提下，新型的t i g 窄间隙焊纷纷诞生，有窄 间隙h s t 焊接方法、m c t i l 焊接方法、窄间隙热丝t i g 焊接方法、窄间隙全位 置t i g 焊接方法、低频脉冲电流窄间隙t i g 焊接方法等新型方法n 引。还有的利用 在送进的焊丝中通过直流电并使用由此产生的磁场偏向焊接前进方向的焊接方 法，以及把这一方法用于压力水管环焊缝的现场单面焊接方法。t i g 窄间隙焊接 技术的应用，虽然生产率和节能等方面都有了明显提高，并且t i g 窄间隙焊接有 着传统t i g 焊焊缝成形好，质量高的特点，但还是存在许多质量方面的问题( 如 侧壁熔合难的问题) 。在此方面国内武汉大学的张富巨作了许多工作，但都不是很 理想，对坡口的宽度没有新的突破，对约束电弧行为和电弧物理过程还有待于研 究。 根据日本焊接学会2 0 0 0 年出版的压力容器及管道焊接新技术报告，随着日本 对电能需求的持续增长，其相应设备的需求也势必会增加，这就要求必须采用高 效的焊接生产工艺来降低制造成本，而窄间隙焊接正是今后焊接技术的发展方向 之一。而t i g 窄间隙焊接正能满足当今高生产效率、低能耗、低成本、高质量的 要求，所以t i g 窄间隙焊接技术仍有广阔的发展空间。 本试验研究的新型t i g 窄间隙焊接技术，利用独特的电弧约束方法，将使其 坡口间隙比目前国内外报道的所有窄间隙焊接技术所用的坡口间隙都要小，在不 降低焊接效率的前提下，可以使线能量降低到0 5 k j m m ，是常规焊接方法的 1 6 1 8 ，其它窄间隙焊接的1 2 l 3 ，因此成为解决超高强钢焊接热影响区晶粒 粗化的有效方法曲。这种焊接方法既改变了传统t i g 焊的效率低的问题，同时又 保证了产品的高质量要求。此外，普通焊接方法都采用“等强度原则”，即焊后焊 缝必须与母材强度相等，这就要求我们要选用合金元素含量高的焊丝，但这会使 成本提高很多倍。然而，我们在试验中发现，在采用普通焊丝的情况下，通过降 低焊接线能量来使得熔池冷却速度增加，就可以减小焊缝的晶粒尺寸，所获得的 焊缝强度基本与母材一致，这就为今后细晶粒高强钢的生产与应用开辟了广阔的 前景。 1 2 窄间隙焊接的优越性及存在的问题 1 2 1 窄间隙焊接的优越性 与常规焊接技术相比，窄间隙焊具有以下诸多技术与经济的优越性： 1 热压缩塑性变形量的大幅度缩小且沿厚板方向上更趋均匀化，从而带来接头的 残余应力、残余变形减小； 2 焊缝横截面积大幅度减小，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，也大幅度降低了焊接生产成本n5 1 ； 5 闽壁约束t i g 电弧的特性及超窄间隙焊接的应用 3 。深丽窄的玻嗣侧壁有利予焊接区的冶金保护，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 热影响区的塑性、韧性损伤也大大减小，缺墨韧性相对提离 鉴于上述原因，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。 l 。2 。2 窄间隙焊接存在的问题 实现高质量、高可靠性的窄间隙焊接并非易事，因为在深而窄的坡口内进行 电弧焊接，传统坡霸下传统王艺技术难以保证焊接质量，存在以下困难： 。由于在传统技术( 较大间隙和较大坡口面角) 下的电弧轴线极易与坡口面 有较大夹焦( 有时甚至垂直) ，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，坡口面与焊道、焊层发生未 熔合的几率很小。在窄间隙焊接条件下，若用传统技术焊接，电弧轴线基本与坡 口面平行，一般情况下连能量密度较低的电弧周边也难以作用到坡口侧壁，更不 用说能量密度高的电弧中心了，这导致了侧壁均匀熔合的可靠性差( 低能量焊接 时极为突出) 。 在深而狭窄的坡口内明弧焊接时，焊接飞溅对工艺可靠性影响极大。特别 是c 0 2 焊和m i g 焊短路过渡焊接时飞溅较大，飞溅金属会贴附到喷嘴内壁，不 仅浪费了焊接材料、降低熔敷效率，严重时将使焊炬不能正常工作，而且焊缝成 形较差。 对工艺参数的稳定和电弧空间位置的控制要求极高。因为工艺参数的稳定 精度和电弧的准确度直接影响到层、道间以及与侧壁之间的熔合质量；深而鬻坡 口内的清渣极为困难；深而窄坡口内保护气体的送达和层流状态的保持直接决定 着对焊接区的冶金保护等n ，。 从目前来看，广泛应用的窄间隙焊接技术存在间隙相对较宽、生产率低、位 置适应性差、线能量大等缺点。窄间隙技术的所有技术和经济优势均来自焊接接 头中减少了添充金属的比侧，而且其减小的比铡只取决于坡豳阆隙g 的大小。通 常技术条件下，坡口间隙g 越小，其技术和经济优势越明显n 引。现有技术中窄间 隙埋弧焊、窄闻隙药苍焊丝电弧焊、窄阕隙熔纯极气体保护焊，由于受到脱渣等 工艺因素的影响，要从目前间隙水平，再往下降是很难的。熔滴过渡中的飞溅， 直接影响深入窄间隙坡口焊炬的长时闻可靠性工作，同时飞溅溅射到侧壁上的非 正常熔敷。 窄间隙钨极氩弧焊接技术在四十余年国内外研发过程中，迄今失止是应用最 少的其技术和经济优势相对于上述几种焊接技术而畜主要是，窄间隙钨极氩弧 焊接技术线能量小、电弧稳定性好、没有飞溅、没有夹渣、焊接缺陷少、焊缝强 度和韧性高。应用较少的关键原因是，困其电弧发散，能量密度低，熔敷速度低， 6 兰州理工大学硕十学位论文 导致生产效率吃较低；因其在侧壁与底板褶交尖焦处电流密度很低，电弧对尖惫 处加热效果差，致使两侧壁、侧壁与底板相交尖角处熔合困难n ；因其钨极和坡 蜀侧壁易旁生等离子弧。基予实现离质量，蹇可靠性，高效率的焊接为前提，减 少坡口间隙，提高熔敷速度，提高生产效率，提高产品质量就显得更加重要。因 此，开发一种更先进的更容易推广的超窄间隙t i g 焊接方法就追在眉睫。 1 3 超窄间隙g t a w 的提出和解决的关键问题 本课题我们首先尝试另井一种思路，利用旋转的陶瓷片圈壁对电弧进行约束， 提高能量密度，有效控制电弧的加热区域，来保证坡口两侧壁及侧壁与底板相交 尖角处的有效熔合，利用旋转静陶瓷片绝缘钨摄与侧壁，避免产生等离子弧轴引。 然后通过实验的方法对其进行验证，由此不但可以推进理论研究的不断完善和提 高，两且可以为焊接工艺参数的制定提供更科学的依据秘朝。 解决的关键问题： 1 侧壁不熔合 常规窄间隙焊接一般都采用电弧摆动或电弧旋转的方法以保证电弧对侧壁加 热均匀，焊缝成形良好。为了能在不摆动电弧的情况下使两侧壁熔合更好，只有 减少两侧壁闻距，使两侧壁同时位予电弧的加热范围内，即进行超窄间隙焊接。 然而在采用i 型坡口且两侧壁间距小于6 m m 的情况下进行超窄间隙焊接时，常规 坡麓下的常规工艺难以保证焊接质量，其中最大的技术难点是窄阕隙的侧壁与底 板不熔合或熔合的可靠性差h 引。 2 电弧向侧壁攀升 两侧壁同时位于电弧的加热范围内，进行超窄间隙焊接时，由于钨极端头到 侧壁距离小于钨极端头到熔池表面的距离，这时电弧将集中在单侧壁燃烧并沿着 该侧壁向上攀升，电弧的宙调节终雳无法越作用，导致焊接过程无法进行。 针对于超窄间隙焊接过程中的电弧的能量密度及加热效率提高，两侧壁及两 侧壁与底扳夹角处熔合难的问题傲了一系列的研究，电弧在约束下，其形态发生 明显的纵向压缩变化，用静电探针测量电弧不同位置处的电位梯度的方法为其提 供了电弧模型，用平板分裂阳极的方法研究了在焊接过程中的电流分布规律，用 约束理论的方法为实际焊接工艺参数制定提供相关依据，然后荐用这个理论对实 际超窄间隙焊接过程进行指导。为此我们提池了一种间隙只有5 5 m m 的超窄间隙 焊接技术，即设计了新型t l g 焊枪及用静电探针测量电弧不同位置处电位的测量 装置。 在此方法中，采用气动高速旋转的耐高溢的陶瓷片来对电弧进行约束，将电弧 压缩，防止电弧向侧壁攀升，从而使底部完成良好的熔合，达到焊接的要求。 7 嗣肇约柬下 g 电弧的特性及越窄间隙焊接的应用 1 。4 本课题研究内容 ( 1 ) 、在常规焊枪喷嘴的基础上，针对焊枪的气体保护固有的特点，我们尝试一 静新的愚路，研制开发种新型耀于超窄间隙焊接的簟l g 焊枪及用静电探 针测量电弧不同位置处悬浮电位的测量装置。 ( 2 ) 、对焊枪的功麓、性能进行全面试验及论证。其中包括陶瓷片的选择、安装、 调试、烧损等试验。 ( 3 ) 、利用新设计的焊枪进零亍焊接试验研究：在平板上对旋转陶瓷琦约束电弧 形态及电弧加热特性试验研究，研究不同参数下的电弧形态及加热特性。 在平板上进行焊接规范试验，确定气体保护等各种工艺参数匹配关系， 各种工艺参数对焊缝成型的影响。在平板上利用静电探针技术对t i g 电 弧约束前后进行研究分析，利用分裂阳极的方法对焊接电流在焊接过程中 的分布规律进行研究， 在深丽狭窄的坡霞内焊接试验，确定各种工艺参 数匹配关系及工艺参数对侧壁熔合的影响。 ( 4 ) 、在5 6 穰趣闻隙坡叠内试焊，通过对焊缝截面的观察和分析，验证旋转陶瓷 片约束t i g 电弧后加热效果较未压缩时有所改善，从而使侧壁与底板夹角 处待到很努的熔合。 8 兰州理下大学硕士学位论文 第二章超窄间隙g t a w 的焊接思想 2 1 约束电弧的行为 2 1 1 传统的约束方法 我们根据埋弧焊、等离子束焊、电弧焊形成焊条套筒焊接的电弧约束行为来 对t i g 焊的电弧进行约束，从而达到窄间焊接的目的。 埋弧焊约束电弧行为：电弧在颗粒状焊剂下产生，在金属和焊剂的蒸汽泡 中燃烧，汽泡项部被一层熔融状焊剂一溶渣所构成的渣膜包围。通过对电弧进行 约束，焊接的线能量增大，熔深加深，从而形成高质量的焊缝心别。 等离子束焊约束电弧行为即等离子弧温度和能量密度高的原因就是：a 、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； b 、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；c 、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 度进一步加强瞳引。喷嘴约束是前提，而收缩作用是实质。 焊条套筒约束电弧行为：焊条熔化时在端部形成具有一定长度的套筒，合 适的套筒可使电弧集中，电弧挺度和吹力增大，从而加强了细滴过渡，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 熄弧现象心刳。 2 2 2 本课题研究的新型约束方法 电弧的弧长是通过改变钨极与工件的高度，来调整电弧弧长。将陶瓷片 靠近两侧壁处以隔绝电弧，电弧只能在电极与陶瓷片内壁之间的范围内燃烧，呈 圆锥形的电弧被压缩在两侧壁与间隙底部之间的区域内。绝缘物的存在防止了电 弧沿侧壁攀升，防止了电弧迅速从间隙底部“攀升 到间隙的上部而造成间隙上 部熔合而下部未熔合的发生。电弧与侧壁的距离是通过改变两个陶瓷片之间的距 离来改变，减少电弧与侧壁的距离，也就是改变电弧的形态，来对电弧进行约束； 减小电弧与侧壁的距离也就意味着坡口间距的减小，即超窄间隙焊接口3 。此外陶 瓷片在旋转的过程中，在陶瓷片的内壁形成一层薄的气体层，这层气体再次对电弧 9 蹋肇约束t i g 电弧的特性及超窄间隙焊接的应用 进行强制性的冷却压缩，使亳弧酶能量密度大大地增加，同时电弧向周豳的辐射的 热损失减少了，电弧的热效率增加，电弧的温度显著提高n 们。 2 。2 超窄闻隙g t a w 焊接的基本原理 2 2 1 电弧焊解决窄间隙焊接母材与底板的熔合 实现高质量、高可靠性的窄间隙焊较为困难，因为在深而窄的坡口内进行焊 接，常规下的焊接工艺难以保证焊接质量，其中最大的技术难点是窄闻隙的侧壁 熔合的可靠性差。这是由于在常规技术( 较大间隙和较大坡网面角) 下的电弧轴 线极易与坡瞬面有较大夹角( 有时甚至垂直) ，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翻面上，只要工艺规范与操作工艺得当，坡口面与焊 道、焊层发生未熔合的几率很小。但在窄间隙常规技术焊接中，电弧轴线基本与 玻霞面平行，一般情况下线蕤量密度较低的电孤震边也难以律餍到坡躁侧壁，更 不用说能量密度高的电弧中心了，这导致了侧壁均匀熔合的可靠性差( 低能量焊 接时极为突淑) 娃1 。 近4 0 年来，世界各国的焊接专家在攻克这一技术难关上，发明了许许多多的 技术方法，麴纳如下：采用麻花焊丝；采用波浪焊丝；采用双丝分别偏淘 两侧壁：采用螺旋送进焊丝；焊枪在坡口内偏摆；焊丝端部弯曲并轴向旋 转；偏心旋转；交流波形上叠加 脉冲；旋转射流等“3 。焊接的根本 目的是熔化母材坡口的两侧面，常规 焊接方法采用v 形坡露，就是为了增 加电弧对坡口侧面的作用，保证其熔 透，妇图2 1 ( 鑫) 所示；如果将v 形 坡口变为i 形坡口，或将v 形坡口的 夹焦减小，电弧对坡霸侧面的加热效 果就会减弱，如图2 1 ( b ) 所示；因 此，防止坡髓侧面产生未焊透，一直 是各种窄间隙焊接方法所要解决的关 【a ) ( b )( c ) 匹堑巫 圈2 。 电弧对擐l j 壁作用漂理图 键问题，为此产生了各种各样的电弧摆动方法，增加电弧对坡口侧面的作用，如 图2 1 ( c ) 所示；另外一种解决闷题的思路是，进一步缩小坡口侧面到电弧的距 离，也就是减小坡口间隙，如图2 1 ( d ) 所示；加强电弧对坡口侧面的加热效果。 僵试验发现，当坡蠢润隙减小到一定值时，电弧就无法稳定燃烧。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。如果坡口侧面 到焊丝璇头的距离小于电弧赫长度，电弧只在其中一侧酶坡蹬侧面上燃烧，这时 l o 兰州理t 大学硕十学位论文 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，如图2 1 ( f ) 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的不好，同样会发生以上问题n 引。 2 2 2 约束电弧的超窄间隙焊接g t a w 的基本原理 窄间隙t i g 焊接时，易形成侧壁不熔合的一个重要原因是：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乜6 1 。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。 ( a )( b )( c )( d ) 图2 2 陶瓷片约束电弧原理图 在目前的研究中提出了一种新的非熔化极超窄间隙焊接方法( 间隙 w 2 时，电弧处于压缩状态，如图2 3 ( a ) 所示，其弧长 l a = l 彰c o s 9 一 ( 己a t a n 拶一a 2 一b ) s i n 护 从得到的弧长关系式分析可知，被压缩后的弧长l a 与电弧自由燃烧的弧长l a 、 电弧的扩散角2 口、两陶瓷片的间距、坡