窄间隙焊接技术.doc

焊 接 进 展 讲 座 A 结课作业 姓名：袁亮文学号：09850324 班级：焊接技术与工程3班 学院：材料科学与工程学院窄间隙焊接技术摘要：随着材料的不断发展，越来越多的材料需要被焊接，为提高效率，出现了许多新型的焊接技术。关键词：窄间隙、焊接、气体保护窄间隙钨极氩弧焊 此种焊接工艺基本不产生飞溅和熔渣，由于电弧的稳定性，也很少产生明显的焊接缺陷，并且也已确立向全位置焊接的应用。但是这一方法的缺点在于工作效率低，为了提高工作效率，对填充焊丝通电加热的同时，还应该采用热电阻线焊接法，这种方法的有利方面是可以个别选择焊接电流和填充焊丝的送给量。但是，如果给予填充焊丝过多的通电量，会引起钨极惰性气体保护焊的磁冲击，形成的电弧不稳定。因此，采取将电弧电流和电线电流分别脉冲化或错开其相位，或将单方面的电流交流化等措施。超高强钢的使用促进了TIG焊在窄间隙焊接中的应用，一般认为TIG焊是焊接质量最可靠的工艺之一。由于氩气的保护作用，TIG焊可用于焊接易氧化的非铁金属及其合金、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，焊缝金属中的氢含量很低。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。 窄间隙焊条电弧焊 由于窄间隙焊接主要面向机械化及自动化生产，焊条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，窄间隙焊条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，成本仅为绑条焊的1/11；对1840mm的，级钢适用。 窄间隙电渣焊 窄间隙电渣焊除了可以焊接各种钢材和铸铁外，还可以焊接铝及铝合金、镁合金、钛及钛合金以及铜。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2575mm的平板结构。其焊剂、焊丝和电能的消耗量均比采用埋弧焊低，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，与传统电渣焊相比，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。但其设备比较庞大，同时对所用渣剂的脱渣性要求较高。 窄间隙激光焊 由于激光焊焊接的板厚超过6mm时被列入厚板焊接，而激光焊的坡口宽度很小，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CO2激光器，目前可焊厚度达50mm，深宽比高达12:1。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。窄间隙埋弧焊 窄间隙埋弧焊出现于上世纪80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它重型焊接结构。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50%80%；可节约焊丝38%50%，焊剂56%64.7%。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，并且要求焊剂具有焊接时所需的载流量和脱渣效果，从而使焊缝具有合适的力学性能。一般采用多层焊，由于坡间隙窄，层间清渣困难，对焊剂的脱渣性能要求秀高，尚需发展合适的焊剂。 尽管SAW工艺具有如下优点：高的熔敷速度，低的飞溅和电弧磁偏吹，能获得焊道形状好、质量高的焊缝，设备简单等，但是由于在填充金属、焊剂和技术方面取得的最新进展，使日本、欧洲和俄罗斯等国家和地区在焊接碳钢、低合金钢和高合金钢时广泛采用NG-SAW工艺。 NG-SAW用的焊丝直径在25mm之间，很少使用直径小于2mm的焊丝。据报导，最佳焊丝尺寸为3mm。4mm直径焊丝推荐给厚度大于140mm的钢板使用，而5mm直径焊丝则用于厚度大于670mm的钢板。 单道焊仅在使用专为窄坡口内易于脱渣而开发的自脱渣焊剂时才采用。然而，尽管使用较高的坡口填充速度，单道焊方案较之多道焊方案仍有一些不足之处。除需要使用非标准焊剂之外，它还要求焊丝在坡口内非常准确地定位，对间隙的变化有较严格的限制。对焊接参数，特别是电压的波动以及凝固裂纹的敏感性大，限制了这一工艺的适应性。单道焊在日本使用较多。 日本以外的其他国宝广泛使用多道焊，其特点是坡口填充速度相当低，但其适应性强，可靠性高，产生缺陷少。尽管焊接成本较高，但这一方案的最重要之处在于，允许使用标准的或略为改进的焊剂，以及普通SAW焊接工艺。 窄间隙熔化极气体保护焊 窄间隙熔化极气体保护焊是利用电弧摆动来到达焊接钢板两侧壁的一种方法。在平焊方法中，为了使I形坡口的两边充分焊透，使电弧指向坡口两侧壁，采用了各种方法：在焊丝进入坡口前，使焊丝弯曲的方法；使焊丝在垂直于焊接方向上摆动的方法；麻花状绞丝方法；药芯焊丝的交流弧焊方法；采用大直径实心焊丝的交流弧焊方法等。另外，也有采用（Ar）30%+（CO2)70%作为保护气体与1.6mm实心焊丝相配合的气体保护焊方法，用来焊接特殊形状复杂的接头。在横焊方法中，为了防止I形坡口内熔融金属下淌，以便得到均匀的焊道，提出了如下焊接方法：利用焊接电流的周期性变化，使焊丝摆动或将坡口分成上下层的焊接方法，以及将2种方式组合起来的焊接方法等。在立焊窄间隙MAG焊接方法中，为了保证坡口两侧焊透，研制了摆动焊丝的焊接方法以及焊接电流与焊丝摆动同步变化的焊接方法。 窄间隙焊接的发展方向及其新进展 窄间隙焊具有极高的焊接生产率，更优良的接头力学性能，更小的焊接残余应力和残余变形，更低的焊接生产成本等显著技术与经济优势，将其归为先进制造技术，当之无愧。然而，迄今为止，该技术在厚板焊接领域的推广应用仍极其有限，我国不少行业至今在应用上仍没有零的突破。要使窄间隙焊接技术更成熟化、更实用化、技术经济优势更明显化，还应主要从以下方面加快技术开发和技术进步： （1）开发更低热输入的弧焊技术，以满足高强钢甚至高合金钢、空间位置适应性更宽等方面的需要； （2）开发GMAW方法的超低飞溅率控制技术（包括电源），以满足窄间隙自动焊工艺过程高可靠性、高稳定性的需要； （3）开发高抗干扰能力、高可靠性、高精度的自动跟踪技术，以满足焊枪在狭窄坡口内安全可靠运行，电弧在坡口内空间作用位置高度准确的需要。 近10余年来，关于窄间隙焊接新技术的开发研究，世界各国似乎都放慢了速度，原因可能在于超低飞溅率控制技术和高可靠性的实时跟踪控制还未产生技术上的飞跃，而绝对不是窄间隙焊技术已达到尽善尽美的状态。十分可喜的是，各国焊接专家们并没有心灰意冷，自上世纪90年代以来在为弧焊技术产生质的飞跃而进行的不懈研究中，取得了令人振奋的新进展，从而为窄间隙焊技术的快速发展奠定了基础。近10余年来的部分进展如下： （1）采用脉冲旋转射流过渡技术，在降低飞溅率的同时增强两侧壁的熔合；采用磁场控制窄间隙坡口内的电弧摆动； （2）超低飞溅率（3%）表面张力过渡焊机已开发成功（美国Lincoln公司）且已商品化； （3）采用计算机辅助控制的各种光电、激光等自动跟踪系统相继开发出来（如瑞典ESAB公司、美国Jellin公司以及国内数所大学等）； （4）恒流CO2焊机、模糊控制半自动GMAW焊机（如日本）等新型电源相继开发出来（有的已商品化）； （5）高熔敷速度、低飞溅率、无需层间清渣的药芯焊丝的开发，为窄间隙药芯焊丝电弧焊的应用提供了可能性； （6）高稳定度送丝机构（如双电机、四轮驱动等）已成功应用于常规GMAW方法中。 总之，近年来在GMAW领域开发出来的诸多新工艺、新设备、新装置、新器材，以及工业技术水平的不断提高，都为窄间隙焊的技术进步提供了新思路、新途径和新技术储备。相信在不久的将来，更高效率、更高质量、更低成本、更可靠、更实用化的窄间隙焊接技术还会不断涌现出来。搅拌摩擦焊摘要：随着材料的不断发展，越来越多的异种材料需要被焊接，为实现此效果，搅拌摩擦焊诞生。关键词：搅拌摩擦焊、原理、发展搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚315mm、尺寸616的Al船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。下面主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及搅拌摩擦焊在中国的发展现状。 搅拌摩擦焊的原理搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图所示。在焊接过程中 工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。 在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题，目前已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。 关于在搅拌摩擦过程中界面原子的运动现在仍处于研究阶段。 搅拌摩擦焊的特点焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在Al合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。 同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加 了结构的制造成本。 目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如Al、cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料，经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。 搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用，但由于焊接方法特点的限制，目前仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接，而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或村垫。原则上，搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接，也可进行异种金属材料的焊接。 另外，搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。 搅拌摩擦焊在中国的发展现状2002年，在中国航空工业集团-北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所共同签署关于搅拌摩擦焊专利技术许可、技术研发及市场开拓等领域的合作协议的基础上，中国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司成立，标志着搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发及工程应用工作的正式开启。 搅拌摩擦焊作为一种多学科交汇的新方法，可以发展出纵缝焊接、环缝焊接、无匙孔焊接、变截面焊接、自支撑双面焊接、空间3D曲线焊接、搅