（材料加工工程专业论文）超窄间隙焊接焊剂带研制及电弧特性.pdf

硕十学位论文 摘要 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 入材料的焊接方面具有重要的应用价值。贴敷式焊剂片和连续送入式焊剂带约束 电弧超窄间隙焊接方法，利用专门开发的焊枪以及基本满足使用要求的焊剂片带 制作工艺，可在实验室条件下获得稳定的焊接过程和较好的焊缝成型。焊剂带约 束电弧方法，焊剂带的位置是约束电弧的关键。但是，贴敷焊剂片约束电弧的方 法易造成夹渣缺陷，清渣困难，不利于工业化应用；连续送入焊剂带约束电弧的 方法工艺稳定性有待进一步的改进，不能够在工业应用中获得稳定的焊接过程接 过程；以上焊剂带焊剂片都不能精确控制电弧受约束的程度；此外，对约束电弧 特性的研究有待进一步的深入。本文制作了适合约束电弧超窄间隙焊接的焊剂带 片，并通过采集焊接电压电流波形研究焊剂带片约束电弧的电弧特性。 针对贴敷焊剂片和连续送入焊剂带各自的优点和不足，对焊剂的送入方式和 焊剂的涂覆方式进行改进，经过一系列尝试，确定了金属支架预置焊剂片与铁丝 网内芯预置焊剂片；并通过实际焊接试验对其使用性能进行评价，铁丝网内芯预 置焊剂片在焊接过程中对焊剂片的定位更准确，可以实现对电弧约束程度较为精 确的控制。 将铁丝网内芯焊剂片用于焊接试验，分别改变焊剂带预置高度和焊接电压， 研究发现：侧壁焊剂带预置高度，影响熔化极电弧的约束程度，以及在间隙坡口 中的作用范围；在焊剂带预置高度很小时，电弧的作用范围主要集中坡口的底部， 燃弧开始弧长较长，随着熔滴的不断长大，电弧长度逐渐缩短，在电压波形上出 现初始燃弧电压高，随后快速降低，同时具有较高的短路峰值电流。当随着侧壁 焊剂带裸露高度的增加，电弧的作用范围从坡口底部向侧壁扩张，电弧长度缩短， 在电压波形上表现出相对低的瞬时燃弧电压，燃弧后电压下降速度也相对慢甚至 不再下降，短路峰值电流减小，同时，表现出瞬时短路出现几率增加。焊接电压 影响着短路过渡过程中的弧长和电弧作用范围，当电压较低时，弧长较短，电弧 只作用在坡口底部，在电压波形上出现初始燃弧电压高，随后快速降低，同时具 有较高的短路峰值电流；电压进一步增大，弧长增加，这使得电弧对间隙侧壁和 底部都有较好的加热效果，电压电流波形上的表现为燃弧阶段电压变化不大的周 期增多，瞬时短路出现几率增加；电压进一步增大，过渡类型转变为非短路过渡。 关键词：超窄间隙焊接；焊剂片约束电弧；电压电流波形；电弧特性 趣f 问隙烬 a 珲训带研制及r 乜弧 j 。p a b s t r a c t u l t r a n a r r o wg a pw e l d i n gh a sh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i nw e l d e dj o i n ta n di m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u et om a t e r i a li nn e e do fl o ww e l d i n gh e a t i n p u t u n g ww i t hf l u xs t r i p s b a n d s ，u s i n gp r o d u c t i o np r o c e s s e so ff l u xs t r i p s b a n d s a n dt o r c hs p e c i a l l yd e v e l o p e dt om e e tb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h i sw e l d i n gm e t h o d ， m a k e si ta v a i l a b l et oa c h i e v eas t a b l ew e l d i n gp r o c e s sa n dag o o df o r m a t i o no fw e l d p r e l i m i n a r ys t u d i e ss h o w e dt h a tf l u xp o s i t i o ni sav i t a lf a c t o ri nu n g ww i t hf l u x s t r i p s b a n d s h o w e v e r ，f l u xb a n d sa r en o tc o n d u c i v et oi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sd u et o t h ed i f f i c u l t yi ns l a gr e m o v ea f t e rw e l d i n ga n dp o s s i b i l i t yo fw e l dd e f e c t so fs l a g i n c l u s i o n ，u n g ww i t hf l u xs t r i p sh a sap o o rs t a b i l i t yo ft h ep r o c e s s ，n e i t h e ro ft h e m c a ng e tp r e c i s ec o n t r o lt ot h ed e g r e eo fc o n s t r a i n e da r c b e s i d e s ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o n s t r a i n e da r cn e e d saf u r t h e rs t u d y t h e r e f o r e ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r ed e v e l o p i n gn e ws u i t a b l em e t h o d st ou n g w w i t hf l u xs t r i p s b a n d sa n ds t u d y c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n s t r a i n e da r ct h o u g ha n a l y s i n gv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s b a s e do nt h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h ef l u xs t r i p s b a n d s ，a f t e ras e r i e so fm a k i n g u pe x p e r i m e n t s ，n e wm e t h o d st h a tf l u xm a t e r i a l sa r ep u ti n t oa r cz o n ea r ep u tf o r w a r d t w ok i n d so fp r e s e tf l u xb a n d sr e s p e c t i v e l yu s i n gm e t a lh o l d e ra n du s i n gi r o ng a u z e a r em a d e b o t ho ft h e ma r ev e r i f i e dt h r o u g hw e l d i n gt e s t t h er e s u l t ss h o w st h a t p r e - s e tf l u xb a n d su s i n gi r o ng a u z ec o u l da c h i e v eah i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n d p r e c i s ec o n t r o lt ot h ed e g r e eo f c o n s t r a i n e da r c m e t a la r cw e l d i n gt e s t sw e r ea l s oc a r r i e do u to nig r o o v ed e p o s i t e dw i t ht h ef l u x b yp r e - s e tf l u xb a n d su s i n gi r o ng a u z e ，c h a n g ew e l d i n gv o l t a g ea n dt h eh e i g h to fl o w e r s i d e w a l l su n c o v e r e db yf l u xb a n d sr e s p e c t i v e l y r e s u l t ss h o wt h a t ，w e l d i n gv o l t a g eh a s a f f e c t so na r cl e n g t ha n df u n c t i o n a lr a n g eo ft h ea r cd u r i n gs h o r tc i r c u i ta n di m p a c t st o t h em o d eo fm e t a lt r a n s f e r 。w h e nt h ev o l t a g ei sv e r ys m a l l ，t h ea r cl e n g t hi sl o w , t h e a r co n l yh e a t st h eg r o o v e sb o t t o m ，i nv o l t a g ew a v e f o r m st h ev o l t a g ei sh i g ha sa r c r e i g n i t e s ，a n dt h e nq u i c k l yd e c r e a s e s ，a tt h es a m et i m es h o r t c i r c u i tp e a kc u r r e n ti s h i g h ；w h e nt h ew e l d i n gv o l t a g ei n c r e a s e s ，t h ea r cl e n g t hi sl o n g e ra st h ea r cr e i g n i t e s ， t h eh e a t i n gr a n g eo ft h ea r ce x p e n d sf r o mt h eg r o o v e sb o t t o mt ot h es i d e w a l l s t h e r e f o r e ，t h ev o l t a g es l o w l yd e c r e a s e sa f e ra r cr e i g n i t i n g ，e v e nd o e s n td e c r e a s e t h e p r o b a b i l i t yo fi n s t a n t a n e o u ss h o r tc u r r e n ti n c r e a s e s ；w h i l ev o l t a g ef u r t h e ri n c r e a s e d ， t h em o d eo fm e t a lt r a n s f e rc h a n g e sf r o ms h o r t - c i r c u i tt on o n s h o r t c i r c u i t t 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 db yf l u xb a n d sc o n t r o l st h ed e g r e eo f l i c o n s t r a i n e da r ca n df u n c t i o n a lr a n g eo fc o n s t r a i n e da r ci nu l t r a n a r r o wg a p w h e nt h e h 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 db yf l u xb a n d si sv e r ys m a l l ，t h ea r co n l yh e a t st h e g r o o v e sb o t t o m ，t h ea r cl e n g t hi sl o n g e rw h i l es h o r tc i r c u i te n d sa n dt h ea r c r e i g n i t e s a n dg r a d u a l l yb e c o m es h o r t e ra sm o l t e nd r o pg r o w su p t h e r e f o r e ，t h ev o l t a g ei s h i g h e ra sa r cr e i g n i t e s ，a n dt h e nr a p i d l yd e c r e a s e s i nt h i sc a s e ，d u et ol o wf r e q u e n c y o fs h o r tc i r c u i t ，t h ec u r r e n tp e a ko fs h o r tc i r c u i ti sl a r g e r w h e nt h eh e i g h to fl o w e r s i d e w a l l su n c o v e r e db yf l u xb a n d si n c r e a s e s ，t h eh e a t i n g r a n g eo ft h ea r ce x p e n d sf r o m t h eg r o o v e sb o t t o mt ot h es i d e w a l l s ，t h ea r cl e n g t hi ss h o r t e ra s t h ea r cr e i g n i t e s t h e r e f o r e ，t h ev o l t a g ei sl o w e ra sa r cr e i g n i t e s ，a n dt h e n s l o w l yd e c r e a s e s 。e v e n d o e s n td e c r e a s e a n dt h a t ，f r e q u e n c yo fs h o r tc i r c u i ti n c r e a s e s ，t h ec u r r e n tp e a ko f s h o r tc i r c u i tl o w e r s ，a n dt h ep r o b a b i l i t yo fi n s t a n t a n e o u ss h o r tc u r r e n ti n c r e a s e s k e y w 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 xb a n d s ；a r cv o l t a g ea n d c u r r e n tw a v e f o r m s ；a r cc h a r a c t e r i s t i c ； i l 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： 日期加年6 月p 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： 导师签名： 锄硝 芝乞 日期：洳俸 日期：沙7 7 年 占月f 。日 参月p 日 第1 章绪论 l 超窄间隙焊接的优越性 l1 l 焊接生产效率高 现代工、j k 生产中大厚擘金属结构工件的制造越来越引起人们的关注，随着该 类结构生产的小断增长，人们一直在为提高其焊接方法的町靠性、适应性和效率 而不断地努力。几种焊接方法中焊接效牢和热输入的关系，如图l1 所示，埋弧焊 及大电流熔化极气体保护焊等高线能量焊接过程具有较高的焊接效率，但同时， 会增加热影响区( h a z ) 的尺寸，减缓冷却速度从而损失部分接头性能；在钨极氩弧 焊( g t a w ) 和传统的窄m 隙焊接中，尽管热输入较小，但需要进行多道焊，焊接敬 率低口】。这样，可以减少所需的热输入量、减少所需的焊道数，从而提高焊接效率。 s a w 、 絮搿 一篓：尝2 船 图li 焊接过程中的焊接效率和热输入的关系”1 窄间隙焊接技术牛产车受诸多因素的影响，如焊接坡u 的填充面秘，熔赦效 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万法高， 但d f 十填充面积的减小，使其生产率符到了大幅度提高p 】。焊接牛产成本一般包括 焊接材料消耗费，维修费，人1 = 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 度提高人工也同步降低。随着板厚的增加，窄间隙焊的材料费和人上费节约比 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，目此窄 间隙焊在厚板领域具有极显著的优势【4 l 。对超窄间隙焊接而言，由于具有更小的坡 敞 坦。吖川防t h ：烬制带研制及r f 旧& 4 i 陀 口间隙，在提高厚板焊接效率方面，具有更显著的作用；板厚减小，需要的金属 填充物也进一步减少，且所需的热输入减小，这样，超窄间隙焊接对提高中厚板 焊接效率，亦有重要的意义。 1 1 2 适用于热输入敏感材料的焊接 对于细晶粒钢而言，热影响区晶粒粗化导致的性能恶化以及不适当焊接热输 入导致的( h a z ) 软化是最主要的问题【5 】。在焊接热循环的作用下，热影响区的强度 要大大低于母材的强度。因此，解决细晶粒钢焊接性问题是我国新一代钢铁材料 项目中主要问题1 6 j 。 采用任何降低焊接线能量的方法焊接细晶粒钢都可以解决以上问题，但从工 程应用的情况来看，超窄间隙焊接更具有实用价值。试验 7 】采用了涂覆焊剂片超 窄间隙焊的焊接方法焊接细晶粒钢，坡口间隙可以减小到4 5 m m 以下，可以在线 能量o 5 k j r a m 以下进行焊接，对焊后试样的焊接接头的组织进行显微分析，测量 焊接接头硬度，且与普通埋弧焊做了对比。试验发现，采取该方法完全可以抑制 细晶粒钢热影响区的晶粒长大，避免热影响区软化。同时对超窄间隙焊焊接方法 的细化晶粒、提高热影响区强度的原因进行了分析和讨论。在不增加合金元素的 情况下，该方法可使焊缝金属的强度与细晶粒母材等强匹配。 文献 8 研究了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，发现随着线能量的减小，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。此外，对比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。 这也就意味着完全可用超窄间隙焊接技术获得与细晶粒钢等强匹配的焊缝。 另外，张富巨等人【9 】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同的，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。 1 1 3 优异的接头性能 相对传统焊接技术而言，超摘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 2 珂! 卜学伊论文 反而还有提升。其原因是：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，从而提高了窄问隙焊接接头的力学性能i l o 。 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【1 2 】。此外，在奥氏体不锈钢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，从而减小应力腐蚀倾向 1 3 1 。 窄间隙焊接由于具有上述诸多优点，因而在压力容器和管道【1 0 。、大型机械 【14 1 、海洋结构及造船【1 5 “1 7 】等方面取得了广泛的应用。 1 2 超窄间隙焊接存在的问题 侧壁熔合不良是窄间隙焊接存在的主要问题。图1 4 为文献【l8 】采用高速焊接 方法得到的间隙宽度与窄间隙侧壁熔合参数的关系，当间隙宽度超过15 m m 时， 电弧加热区宽度小于间隙宽度，因而电弧加热不到侧壁及其根部；当间隙宽度约 在8 1 5 m m 的范围内时，尽管电弧可以作用到间隙两侧壁，但却加热不到侧壁根 部；当间隙宽度约在6 8 m m 的范围内时，虽然电弧可以加热到间隙两侧壁及其根 部，但这时的电弧却很不稳定，易发生电弧沿间隙侧壁向上攀升的问题，以致电 弧加热位置上移而不加热间隙底部；当间隙宽度约在6 m m 以下时，电弧更不稳定， 电弧斑点极易爬上两侧壁，反而使得电弧不能加热侧壁根部。吴启东采用分裂阳 极差动测量法，对钨极焊接电弧在窄间隙中的电场分布的研究表明i l 引，当钨极焊 接电弧置于窄间隙中时，间隙侧壁有一定的电流流过，但在间隙侧壁根部处的电 流密度始终趋向于零，这也是造成超窄间隙焊接时侧壁熔合不良的主要原因。另 外，常规窄间隙焊接时两侧壁距离至少都在9 m m 以上，如图1 2 所示，这一距离 已经超出了焊接电弧所能充分加热侧壁的范围，只有通过摆动或旋转电弧才能增 强电弧对侧壁的加热效果1 2 0 1 ，在实际操作中由于坡1 2 1 间隙的波动，前一道焊缝的 平整度、电弧中心轴线与坡口中心线的重合程度等，都易造成电弧对侧壁加热不 充分f 2 1 1 ，而对于间隙宽度更小的坡口，对焊接操作的要求更高，正是由于这些因 素最终导致超了窄间隙焊接时易产生侧壁及坡口底部熔合不良的焊缝缺陷。 翘。矿m 隙! = f ；i i 胛刺带研：川及 旧4 i f ， 兰 量 电 1 一 乜 蠹 龄 o 、一 菠 图1 2 间隙宽度与窄间隙侧壁熔合参数的关系 1 s l 为了能在不摆动电弧的情况下使两侧壁熔合良好，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【2 2 1 。然而，当两侧壁间距小于6 m m 的情况下进行焊接时，较小的 间隙中尺寸使得间隙侧壁对电弧的稳定性产生影响，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，此时电弧将无法通过自调节作用维持自身 稳定性，从而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”，它也是超窄间隙焊接存在的主要问题【2 3 1 。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、 增加电弧稳定性的有效途径。 1 3 超窄间隙焊接技术现状 电弧攀升是超窄间隙焊接存在的主要问题。为了防止电弧攀升，并增强电弧 对间隙侧壁及其根部的加热效果，目前已开发了多种超窄间隙电弧焊接方法。 n a k a m u r a 1 j 已经开发了一种可实现超窄间隙焊接的控制系统，如图1 3 所示， 该焊接控制系统中，通过恰当的脉冲电流使电弧在坡口侧壁上下移动，从而防止 攀升，电弧的加热作用下，坡口底部和侧壁可实现熔合。然而，如图1 4 所示，该 超窄间隙焊接方法虽然能够防止电弧沿侧壁攀升，但由于电弧斑点较发散以致不 能保证电弧有效加热间隙底部及侧壁根部，因而上下两道焊缝交接处易发生未熔 合。 4 硕f j 学何论文 翻滟嗽 见 1 l 。一 ；弱m i ： 敬 ：绻一 , k - 3 仃煽绷 图1 3 电流波形控制超窄间隙焊接原理示意i i ! t 1 】 张富巨【2 4 】研究了药：芭：焊丝电弧焊( f c a w ) i 艺方法在窄间隙焊接领域中的工 程应用可行性。采用非均匀压缩药芯焊丝电弧技术实现了居中单丝无电弧摆动条 件下的低线能量高质量焊接，解决了窄间隙焊接中两侧壁难以均匀熔合的技术关 键。该方法通过压缩电弧使得药芯焊丝具有更大的电弧扩散角，在一定的的坡口 尺寸下，电弧不做任何横向摆动，就可以解决两侧壁的均匀熔合问题。由于采用 了普通药芯焊丝，焊缝表面覆盖一层约0 5 m m 厚的渣壳，该渣壳在狭窄坡口内较 难以清除。 张富巨等人通过自主开发的超窄间隙( 间隙宽度6 8 r a m ) 混合混合气体保护 焊接技术【25 1 ，成功焊接了b h w 3 5 低合金热强钢板厚和9 8 0 钢厚板，并按国家标 准对焊接接头进行了拉伸、弯曲、冲击试验，金相组织，显微硬度和接头宏观分 析，所有技术指标符合国家标准，且焊接热影响区很窄，该区塑韧性损伤极小【2 6 ”1 。 但是，该方法中须针对不同的被材料确定合恰当的保护气成分，技术的推广需要 针对多种材料做大量的实验。 针对窄间隙焊接侧壁熔合不良的问题，通过进一步缩小坡口间隙，使两侧壁 都进入电弧的加热斑点范围内，无须电弧摆动就能保证两侧壁的可靠熔合。然而， 在这种情况下出现任何焊丝偏向侧壁一侧时将导致电弧在焊丝与距离较近的侧壁 之间燃烧，也就是说，由于焊丝与侧壁距离太近，电弧的自调节作用无法起作用， 电弧将以较大电流爬上侧壁。为此，将特定成分的焊剂做成焊剂片，贴敷于i 型 坡口的两侧面，或将焊接涂覆在钢带制成焊剂带，连续送入电弧两侧，焊剂片焊 剂带在电弧热的作用下熔化使电弧受到约束，从而阻止了电弧沿侧壁向上攀升， 有效控制电弧的加热区域，保证了坡1 2 1 两侧壁的有效熔合【2 2 , 2 8 l 。焊剂片和焊剂带 的主要部分为各种焊条药皮原材料和粘结剂，这不仅有利于调控电弧，对电弧和 熔池金属进行气保护，甚至可以向焊缝添加合金元素以改善焊缝性能。根据焊剂 焊剂的送入方式的不同，将连续送入坡口的涂覆焊剂成分的长钢带命名为焊剂带， 。嵋问1 z r w f & 胛制带研制技电弧4 l 而尺寸较短、通过胶层粘附或其他方式固定在坡口内的被称为焊剂片。 1 4 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法 课题组针对窄间隙焊接中间隙侧壁和间隙根部熔合不良，焊接过程不稳定的 问题，设计出焊剂片带约束电弧超窄间隙焊接方法，开发出可用于该方法的焊枪 以及基本满足使用要求的焊剂片带制作工艺，确定了焊接过程中恰当的气保护方 法，并对研焊剂带的约束熔化特性、焊接参数匹配对焊缝成型的影响、焊剂带约 束电弧超窄间隙焊接中的电弧加热特性及焊剂带相对电弧位置与其电位的相关性 进行研究，并初步研究了约束电弧的电弧特性。 1 4 1 焊剂带约束电弧超窄间隙焊枪 每一种窄间隙焊接新方法的实施，都是由相应的一套窄间隙焊接装置来完成。 设计出结构新颖、性能可靠的窄间隙焊接装置是非常重要的，尤其是用于超窄间 隙焊接的焊枪，用常规的送丝及传导电流的方式很难满足要求。本课题组为了实 现焊剂带约束电弧的超窄间隙焊接，研究相应的装置及保证方法。 首先必须要保证焊丝可靠导电。常规的导电是通过有一定弯曲的焊丝在导电 嘴内孔产生的接触力来实现的。由于超窄间隙焊接的坡口宽度很小，焊丝必须完 全矫直后进入坡口，以防止电弧向侧壁发生偏移。还需有一定的措施使焊剂带准 确输送到电弧的两侧，保证焊剂带不能与焊丝端头接触，否则会干扰熔化焊丝的 熔滴过渡，甚至影响焊接过程的稳定性。 根据以上焊剂带约束超窄间隙焊接的基本要求，设计出如图1 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，保证导电铜板与焊丝有良好的电接触，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。为了防止板式导电 嘴与坡口侧壁接触，焊枪的前后设置有导向的功能。此外，在两根焊剂带中间放 置一对弹簧片，将焊剂带向外撑开，来克服在焊接时电磁场对焊剂带的作用力。 导电嘴前方安装一根扁截面导管，通入氩气保护电弧区。常规窄间隙焊接对 气保护的要求很高，这主要是由于较窄的间隙两侧壁易导致靠近侧壁处的保护区 气流由层流转变成紊流，从而破坏气体的保护效果【2 9 1 。根据超窄间隙焊接的特点， 分析并选择合适的气保护方法，设计用于研究气保护效果的试验装置，并利用该 装置研究气体喷嘴的截面形状、气流量及喷嘴距离对气保护效果的影响，找到了 适合于超窄间隙焊接的气保护参数。 研究发现，利用焊剂带约束电弧进行超窄间隙焊接时，采用粗扁管单侧倾斜 送气的方法对电弧区进行保护，效果比细扁管底部垂直送气和细扁管两侧倾斜送 气效果要好。可以避免导气管烧损、减轻保护区气体紊流。利用设计的气保护试 6 硕f 学何沦文 验装置找到了不同喷嘴截面所对应的最佳气流量。气体喷嘴截面尺寸为2 5 m m x 1 2 m m ，气体喷嘴与电弧距离为2 0 2 5 m m ，气流量为1 0 l m i n ，是适合于焊剂带 约束电弧超窄间隙焊接的最佳气保护参数【3 们。 图1 4 用于连续送入式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的焊枪 利用以上设计的焊枪进行超窄间隙焊接试验【”】。系列焊接试验表明，焊枪的 设计能很好地满足超窄间隙焊接的要求。用焊剂带对电弧进行约束，可阻止电弧 沿侧壁攀升，同时能有效控制电弧的加热区域，保证坡口两侧壁的有效熔合。导 电嘴采用弹簧片作用的双铜板结构，精确设计导电铜板的几何形状，保证其可靠 导电和耐用性。焊剂带与电弧的相对位置的准确保证，以及合适的送焊剂带速度 是保证稳定焊接过程的关键。 1 4 2 焊剂片焊剂带的制作工艺 1 4 2 1 贴敷式焊剂片 该方法是将由焊剂构成的绝缘焊剂片压涂在两侧壁，使电弧与侧壁被隔绝， 电弧只能在电极与坡口底部及焊剂片熔化了的侧壁范围内燃烧，位于该范围内的 焊剂片主要是被电弧加热熔化。由于电弧呈圆锥形且熔池内阴极斑点的加热，只 有接近熔池的焊剂片才能被熔化完全，所以电弧被约束在两侧壁与间隙底部之间 的区域内。其他部分的焊剂片依然存在，这将防止电弧沿侧壁攀升以及焊枪与侧 壁之间偶尔打弧的发生。 将一定成分配比的焊剂药粉用少量钾钠水玻璃粘接并研磨成絮状，撤在厚度 为0 3 m m 的铁丝网表面进行挤压，使絮状焊剂牢固地填充在铁丝网格内，且整个 铁丝网都被焊剂所包覆，最终获得厚度6 为0 4 m m 0 6 r a m 厚的焊剂片。利用无机 粘接剂，将做好的焊剂片粘贴在工件两侧壁并进行挤压，使多余的粘接剂被挤出， 保证焊剂片与工件侧壁粘接良好。然后再把粘有焊剂片的工件放入加热炉内进行 加热，加热温度为2 0 0 3 0 0 。以降低焊剂片内残存的水份，加快粘接剂的固化速 7 钽中问隙w 拨碍，刊带研制砭电弧 ，f ，l 度。 焊剂片是约束电弧，防止电弧攀升的主要因素，焊剂片的耐高温性能对约束 电弧和防止电弧攀升有重要影响。焊剂片的厚度、焊剂成份及致密度是影响焊剂 片耐高温性能的主要因素。焊剂成份对焊剂片耐高温性能的影响，主要取决于焊 剂中高熔点物质的含量，高熔点物质的质量百分含量越高，焊剂片的耐高温性能 也越好。 在超窄间隙丽侧压涂焊剂以约束电弧的方法，可以获得较为稳定的超窄间隙 电弧，并获得良好的焊缝。但是，压涂式焊剂片使用过程中还遇到了一些问题【2 3 】： 首先，焊剂片烘干时间长，对烘干设备要求较高。将做好的焊剂片用无机胶 粘贴在工件坡口两侧壁后，需要对工件及焊剂片进行加热烘干以去除焊剂片中的 水分( 包括结晶水) ，这不仅要求烘干时间要足够长，而且还要求烘箱的体积要足 够大。这在实际生产过程中是极不合理的，而且能耗也很高。 其次，清理焊渣时易导致焊剂片从工件侧壁剥离。由于超窄间隙焊接过程是 单层多道焊接，因此每焊完一道后就需要清理焊渣。然而，超窄间隙焊接产生的 熔渣不仅位于焊道的表面，而且还位于侧壁与焊道交界处，因此在清理焊渣的过 程中易导致焊剂片从工件侧壁剥离，从而破坏了焊接过程的正常进行。 再次，该方法不易控制焊剂的量，易造成夹渣等缺陷。为保证约束电弧的效 果，焊剂片应有一定的厚度，因此焊接时产生的渣量较多；另一方面两侧壁间距 很窄，冈而生成的熔渣较集中，焊接时过多的熔渣易导致熔渣前流，从而使电弧 在前流的熔渣表面燃烧，以至电弧不能有效加热熔渣覆盖的间隙底部而形成夹渣 和熔合不良。 上述间隙侧壁贴覆焊剂片超窄间隙焊接方法存在的问题限制了该方法在实际 生产中的应用，为此必须在间隙侧壁贴覆焊剂片超窄间隙焊接方法的基础上研究 开发新的超窄间隙焊接方法。 1 4 2 2 连续送入式焊剂带 位于超窄间隙中的电弧很不稳定，将会沿两侧壁向上燃烧，并从间隙中攀升 出来。为了解决超窄间隙焊接时电弧易攀升的问题，两条由涂覆焊剂的钢带制成 的焊剂带沿间隙侧壁分别被连续送入坡口内的电弧两侧，在合理的焊接参数匹配 范围内，焊剂带的熔化端头低于焊丝的熔化端头，焊剂带在电弧两侧形成类似于 焊条套筒功能的焊剂带作用长度，其绝缘性能良好，可将电弧与侧壁隔离，从而 防止电弧攀升，并使电弧被约束在焊剂带熔化端头下方的一定空间范围内，这样 可使电弧在加热两侧壁的同时，也能加热间隙底部。通过增加送带速度，可使“套 筒长度”增加，电弧的阴极斑点被进一步约束在更小的区域内，电弧的能量密度提 高，电弧对侧壁根部的加热效果增强，因而可有效防止侧壁熔合不良。 连续送入式焊剂带，中间为厚度为0 1 m m ，宽度为6 m m 的钢带，钢带两面为 8 硕f j 学伊沦之 焊剂涂层，焊剂涂层由大理石、萤石等可以起到如造气、造渣、稳弧等冶金作用 的粉料，与硅溶胶制备成稳定的涂料，涂覆在钢带表面干燥而成。 试验3 2 对连续送入式焊剂带制作过程中，钢带的表面处理工艺、焊剂颗粒大 小对粘接强度的影响、焊剂涂料浓度对粘接强度的影响、焊剂带涂料粘接强度的 评定方法、焊剂带涂覆方式、焊剂带干燥方式等进行了细致的研究，确定了如下 焊剂带制作工艺： 1 硅溶胶涂料的制备 将所需量的硅溶胶置于搅拌桶中，连续搅拌的过程中，逐渐将3 0 0 4 0 0 目焊 剂粉料加入硅溶胶中，焊剂粉量加完后继续搅拌2 h 3 h 。为改善硅溶胶涂料的涂挂 性，降低涂料表面张力，可在涂料中加入表面活性剂。选用阴离子型的渗透剂t ， 加入量为硅溶胶粘结剂重量的0 3 。为防止不同比重的焊剂粉料发生分层，宜在 涂料制备好后就进行下一道工序，或在使用前还需慢速搅拌1 小时以上，使其混 和充分，涂料均匀。 2 焊剂带的涂覆 钢带经过表面除油、打磨之后，将0 1 m m 厚的钢带穿过配置好的硅溶胶涂料， 为了保证涂料的均匀厚度，让多余的涂料沿较长的钢带或涂层表面自行流下。通 过改变硅溶胶涂料的浓度和涂敷次数来达到调节焊剂带厚度的要求。 3 焊剂带的干燥 焊剂带干燥影响因素主要有焊剂带的涂覆层数、环境湿度、环境温度以及风 速。焊接带每层干燥过程中必须严格控制温度，相对湿度及风速等。在硅溶胶网络 骨架中容存的自由水越多，凝胶的稳定性越差，越容易发生同溶，所以焊剂带制 作过程中，每层必须彻底干燥。等钢带涂层达到所需厚度，参考碱性焊条的烘干 温度，加热度至4 0 0 高温以上，完全失去固定水，增加涂层强度，同时在焊接过 程中，也会减少焊接缺陷。 4 后续处理 焊剂带容易在电磁力的作用下与工件侧壁形成较大间隙而使电弧发生攀升， 这需要焊剂带具有一定的刚度。可在在按如上工艺制作做好的焊剂带表面涂一层 恰当浓度水玻璃。等自然晾干后，将焊剂带卷成一定半径的小盘，4 0 0 0 c 以上烘干。 焊剂带表面固化的水玻璃使得焊剂带钢性较好，满足焊剂带与间隙侧壁紧贴的要 求。 焊前烘干焊剂带，装入焊枪的导带管。该工艺制的的焊剂带可弯曲性好，具 有恰当的刚度，表面粗糙度恰当，涂层结合强度良好。该焊剂带基本可以满足连 续送入电弧两侧，并对电弧进行约束的使用要求。 1 4 3 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接工艺实验的结果 1 4 3 1 焊剂带约束电弧特性的实验分析 文献 3 3 】利用向电弧两侧连续送入焊剂带以约束电弧的方法，调节焊接参数， 9 翘? 卜l lj 峭! 兀 孑岬刊蔚研：| j | j 及i i 弧4 ，i 研究了不同参数对焊剂带熔化和约束参数的影响，以及不同约束参数对电弧形态 和焊缝成形的影响。结果表明，焊剂带靠弧柱区的热量被加热熔化，在稳定的焊 接条件下，形成一个确定的焊剂带与电弧作用长度，其大小随电弧电压的减小， 送带速度的增加而增大，这一参数直接影晌着焊剂带约束电弧的形态，增加它可 使电弧长度增长而宽度减小，进而可使焊缝的熔深增加而熔宽减小；焊剂带与电 弧中心距离的减小可明显减小电弧的宽度，使焊缝熔宽减小而熔深增加；利用焊 剂带约束电弧的特性可以实现超窄间隙焊接。 1 4 3 2 焊剂带位置与电位的相关性 为了能够深入理解焊剂带对电弧的约束作用，以便更好地将焊剂带约束电弧 的特性应用于超窄间隙焊接，有必要对焊剂带在电弧中任意时刻的位置做出判断。 试验【3 4 】借助于焊剂带的独特结构，即中间为薄钢带、两面为绝缘焊剂，将钢带看 作探极，通过采集焊剂带上钢带的电压波形，可对焊剂带在电弧中的位置进行分 析和判断，从而为进一步研究超窄间隙焊接电弧的约束行为提供良好的方法与思 路。 通过采集焊剂带电压波形并根据电压波形值的大小，可判断出焊剂带在电弧 区的位置及熔化的焊剂带向熔池中过渡的方式。焊剂带电压为零的情况有两种， 一种是焊剂带端头位于弧柱之外，另一种是焊剂带端头与熔池接触。只有当焊剂 带电压以0 v 维持较长时间时才可说明在该时间段内焊剂带端头是与熔池发生了 接触，反之则说明在该时间段内焊剂带端头与弧柱是分离的。通过改变电弧电压 对电弧进行摄像并采集焊剂带电压波形，测量得到了不同焊剂带电位时的焊剂带 端头距熔池表面距离。随着焊剂带距电弧中心距离的增加，电弧对焊剂带的加热 效果逐渐减弱，并且焊剂带在电弧区的停留位置将依次转变为：焊剂带端头与熔 滴接触、焊剂带端头与弧柱接触、焊剂带端头与熔池接触：此外，还通过通过改 变电弧电压对电弧进行摄像并采集焊剂带电压波形，测量得到了不同焊剂带电位 时的焊剂带端头距熔池表面距离。 焊剂带电位的变化说明，在焊接过程中焊剂带端头受到诸多因素的影响，其 相对于电弧的位置是多样的，这样对约束电弧的效果也是不确定的。当焊剂带紧 贴侧壁时，两侧焊剂带电压相等，这样不会出现由于电弧两侧焊剂带电位不相等 现象的存在，一旦两焊剂带的钢带发生接触或者钢带跟周围的金属接触，就会在 接触点产生电弧并造成焊剂带粘连现象1 3 2 1 ，此外，焊剂带紧贴侧壁的位置时，焊 剂带熔化后向熔池过渡比较稳定，而焊剂带对电弧的控制也比较好描述。 1 4 3 - 3 焊接参数对焊缝成型的影响 良好的焊缝成型，需要各个焊接参数恰当匹配。除了焊接电压、送丝速度和 焊接速度，焊剂带送入速度也是一个关键的焊接工艺参数。焊剂带送入速度过小， 1 0 坝i ：掌f 一论文 会引起电弧沿坡口侧壁攀升；过大会引起飞溅增大以及渣量过大。合适的焊剂带 速度送入速度，与焊接电压有一定的关系。一般焊接电压较高时，选用的最佳送 焊剂带速度相应较快。试验 3 2 】 3 5 对这些焊接参数的选取进行了细致的研究。 1 焊接电压的影响 焊接电压决定着超窄间隙焊接电弧能否加热到两侧壁，只有在合适的送带速 度和电压匹配范围内电弧才能被有效约束，从而确保间隙侧壁和底部被均匀加热。 在焊接电流和送带速度一定的情况下，随着焊接电压的增加，侧壁熔深增加、底 部熔宽增加、侧壁熔高增加，但底部熔深减小。在其它焊接参数确定的情况下， 当焊接电压较小时，会减弱电弧对两侧壁的加热作用并且导致焊缝凸起高度的增 加，焊缝截面易呈中间高而两侧低的“凸”形。当焊接电压增加，电弧稳定燃烧时 的电弧长度增加，电弧高温区的宽度增加，若在送带速度不变的情况下，焊剂带 作用长度变短，电弧直接加热侧壁的高度增加，因此焊缝的侧壁熔高增加。从而 易形成中间低、两边高的焊缝即凹焊缝。当焊接电压超过某一临界值时，电弧长 度增长导致热量分散，底部熔化热量不足导致底部未能熔化。从而导致了底部不