两种高效焊接方法在生产实际中的应用

1、高效焊接方法课程大作业两种高效焊接方法在生产实际中的应用材料科学与工程学院 两种高效焊接方法在生产实际中的应用摘要：当今焊接技术日新月异，为适应工业生产需求许多高效焊接方法应运而生。本文着重介绍了窄间隙埋弧焊（NG-SAW）及变极性等离子弧焊（VPPAW）两种高效焊接方法在工业生产实际中的应用。关键词：高效焊接方法；窄间隙埋弧焊；变极性等离子弧焊0 前言高效焊接方法种类众多，主要包含高效非熔化极焊接技术（如A-TIG、热丝TIG、VPPAW、K-TIG等）、高效熔化极焊接技术（CMT、Tandem、TIME、AC-MIG、STT、MIG钎焊等）、高效埋弧焊技术（多丝、粉末、带极等）、窄间隙焊接

2、（TIG、GMAW和SAW）、复合热源（激光-电弧、PAWMIG、双面双弧等）焊、电渣焊、气电立焊和FSW等。由于高效焊接方法相比传统焊接方法有着高效率、高焊接质量、更好的焊缝成形等不可比拟的优势，各种高效焊接方法都在工业生产实际中得到了广泛应用1。1 窄间隙埋弧焊（NG-SAW）技术在工业中的应用窄间隙埋弧焊出现于上世纪80年代，很快被应用于产业生产，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

3、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，由于坡口间隙窄，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2。窄间隙埋弧焊是在已有的埋弧焊接方法和工艺的基础上,加上特殊焊丝向狭窄坡口内的导入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种新的熔敷方法。其是为了克服50mm以上的大厚度焊件采用普通的“V”、“U”型坡口焊接层/道数多，焊缝金属填充量及所需焊接时间均随厚度成几何级数增长，焊接变形大且难以控制等弊端发展起来的，是近年来出现的一种高效、省时、节能的埋弧焊

4、方法。其所用焊丝直径在25mm之间最佳尺寸为3mm2。1.1 产业上成熟的NG-SAW技术3埋弧焊是目前产业领域应用最为广泛的焊接方法之一，也是应用到窄间隙技术中最成熟、最可靠、应用比例最高的焊接方法。到目前为止，在产业上比较成熟的窄间隙埋弧焊技术有以下几种（1）NSA技术 它是日本川崎制钢公司为碳钢和低碳钢压力容器、海上钻井平台和机器制造而开发的NG-SAW。采用直焊丝技术及用陶瓷涂的特殊的扁平导电嘴。此技术采用单焊道，并采用单焊丝或串列双丝。焊丝直径3.2mm。以MgO-BaO-SiO2-Al2O3为基本成分的特殊设计的KB-120中性焊剂转变能引起热膨胀，以致具有较好的脱渣性。（2）Su

5、bnap技术 它是由日本钢铁焊接产品工程公司为碳钢和低合金钢NG-SAW开发的。它采用直焊丝、单焊道和单焊丝或串列双丝。焊丝直3.2mm。为获得较好的脱渣性，特殊设计了主要成分分别为TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgO的2种焊剂。（3）ESAB技术 它是瑞典NG-SAW设备和焊接材料制造厂家ESAB为压力容器和大型结构件的碳钢和低合金钢焊接而开发的。设计采用双焊道，并采用固定弯丝。（4）Ansaldo技术 它是由意大利米兰Ansaldo T P A Breda锅炉厂NG-SAW设备制造商和用户开发的。它采用固定弯曲单焊丝，每层熔敷多焊道。（5）M A N-GHH技

6、术 它是由西德M A N-GHH Sterkrade为核反应堆室内部件制造而开发的。它采用单焊丝双焊道。1.2 NG-SAW在锅炉、压力容器制造中的应用近10年来，国内外锅炉、压力容器的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着锅炉、压力容器工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必须满足高效、低耗、低污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临复杂而艰巨的技术难题，要求不断寻求最佳的解决方案通过不懈的努力已在许多关键技术上取得重大突破，并在实际生产中得到成功的应用，取得了可观的经济

7、效益，使锅炉、压力容器的焊接技术达到了新的发展水平4。厚壁容器对接缝的窄间隙埋弧焊是一种优质高效、低耗的焊接方法。自1985年哈锅从瑞典ESAB公司引进第一台窄间隙埋弧焊系统以来，窄间隙埋弧焊已在我国各大锅炉、化工机械和重型机械等制造厂推广使用，近20年的实际生产经验表明，窄间隙埋弧焊确实是厚壁容器对接焊的最佳选择为进一步提高窄间隙埋弧焊的效率，国内外推出串列电弧双丝窄隙埋弧焊工艺与设备，但至今未得到普遍推广应用。这不仅是因为增加了操作的难度，更主要的是交流电弧的焊道成形欠佳，不利于脱渣，容易引起焊缝夹渣。近年，美国林肯（Lincoln）公司向中国市场推出交流波形参数（脉冲宽度、正半波电流值、

8、脉冲频率、脉冲波形斜率）可任意控制的型埋弧焊电源。采用这种新一代的计算机控制埋弧焊电源，可使串列电弧双丝埋弧焊的工艺参数达到最佳的组合不但可以获得窄间隙埋弧焊所要求的焊道形成，而且还可进一步提高交流电弧焊丝的熔敷率。可以预期，波形控制AC/DC 埋弧焊电源的问世必将对串列电弧双丝窄间隙埋弧焊的推广应用作出积级的贡献。在我国锅炉、压力容器制造行业中，各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高，像哈锅，上锅这样的企业已达到80%以上不过，在国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操

9、作工监视和手工调整。窄间隙埋弧焊设备主要由焊接机头、焊接电源、自动控制系统、机头自动跟踪系统及焊剂输送与回收装置等部分组成。窄间隙埋弧焊的机头是专用机头，焊头的形式和结构满足窄间隙坡口形状和深度的要求，同时还考虑了连续高温作业条件和安全性能。焊头具有自动机械摆动机构，以便焊接时可以实现自动偏摆，完成自动分道焊接。机头自动跟踪系统可以实现对坡口侧壁的自动跟踪，保证焊头与侧壁的距离始终满足焊接要求5。焊接电源方面，对于单丝焊，宜选用平特性焊接电源，因其具有抗网路电压波动能力强、电弧自动调节作用强以及引弧性能好等优点。对于双丝埋弧焊来说，通常一台选用直流平特性电源配等速送丝系统，另一台选用交流方波式

10、电源配变速送丝系统，即电弧电压自动反馈系统。直流电源作为前导电弧，用于打底焊增加焊接熔深，交流电源作为接续电弧在后。2 变极性等离子弧焊（VPPAW）技术在工业中的应用变极性等离子弧焊（Variable Polarity Plasma Arc Welding，VPPAW）即不对称方波交流等离子弧焊，是一种针对铝及铝合金开发的新型高效焊接工艺方法。它综合了变极性TIG焊和等离子弧焊的优点。一方面，它的特征参数，电流频率、电流幅值及正负半波导通时间比例可根据工艺要求独立调节，合理分配电弧热量，在满足焊件熔化和自动去除焊件表面氧化膜的同时，最大限度地降低钨极烧损；另一方面，可有效的利用等离子束流所具

11、有的高能量密度、高射流速度、强电弧力的特性，在焊接过程中形成穿孔熔池，实现铝合金中厚板单面焊双面成形1。2.1 VPPAW在航空航天工业中的应用铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性而且还具有良好的成形工艺性，因此成为在航空航天工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料6。变极性等离子弧焊接技术是一种先进的高效焊接方法，也是国际宇航制造领域普遍采用的适合铝合金焊接的技术。具有焊缝质量好、焊后变形小、生产效率高等特点7。等离子弧能量集中、温度高，焰流速度大，焊后形成的焊缝比普通交流方波的钨极氩弧焊窄，有“零缺陷”焊接方法的美誉。与激光焊和电子束焊相比，在设备造价、维护费用

12、、设备操作复杂程度以及焊枪运动灵活性方面，变极性等离子弧焊接具有明显的优势。VPPAW 技术在国外航天领域已得到普遍应用。20世纪90年代初，美国波音公司采用此工艺方法焊接空间站铝合金密封结构，2080m 长焊缝全部实现了“零缺陷”。意大利Alenia 公司生产的国际空间站哥伦布舱、节点2 、节点 3 、带有 8个舷窗的观察舱、多功能后勤补给舱等也均采用了变极性等离子弧自动焊接技术。美国航天飞机约90%的外贮箱焊缝均采用了 VPPAW方法。根据国外的应用实践，我国对新一代大型载人航天器密封结构开展了VPPAW的工艺研究8。表1 LF6焊接接头的平均抗拉强度Table 1 Average ten

13、sile strength of LF6 aluminum alloy在新一代大型载人航天器铝合金密封结构的研制中，不仅实现了直径为15004200mm大尺寸的环形焊缝自动焊接，也实现了球形、锥形、柱形和空间复杂型面焊缝的自动焊接8。试验结果表明，焊缝性能达到母材抗拉强度的94%以上（如表1所示），高于结构设计要求。 整个焊接接头的硬度基本为一恒定值，如图1所示8。图1 5mm 厚LF6试样硬度分布曲线Fig. 1 Distribution of hardness of LF6 aluminum alloy, with thickness of 5mm5mm 厚材料的焊缝宽度小于10mm（TI

14、G焊接时约为19mm），焊缝外观光滑均匀，如图2所示。近两年来焊接的焊缝累计总长已达到近1000m，焊缝质量一次合格率大于98%，焊缝的密封性能经受了水压气密试验和力学试验的验证。图2 5mm厚LF6焊接接头的外观成形Fig.2 Appearance of LF6 welding joint, with thickness of 5mm焊后大型铝合金密封结构在不加工的情况下，舱段的最大同轴度小于1mm/4200mm，平行度小于1mm/6400mm，平面度小于0.8mm/4200mm。VPPAW焊接精度远远优于钨极氩弧焊，使焊后的加工工作量大大减少甚至不加工，有效地提高了生产效率8。变极性等离子

15、弧自动焊接技术已成功地应用于新一代长寿命载人航天器大型铝合金密封舱体（锥状、球形等）的焊接。经试验研究表明：变极性等离子弧自动焊接获得的焊缝质量优良、焊缝性能大于母材抗拉强度的90%，焊接变形小，尺寸稳定性好，是实现大型铝合金密封结构高可靠连接和保证尺寸精度的有效手段8。2.2 VPPAW在电子产业中的应用近年来，随着高压开关行业持续长久的发展，SF6金属封闭组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备GLS（Gas Insulated Switchgear）”，在输变电工程上发挥着巨大的作用。断路器、子母线及其设备外壳通常采用铝镁合金作为母材。铝合金壳体作为GLS的成套主力产品之一，其实物量平均每

16、年以35%40%左右的速度递增，壳体因加工质量要求高、加工周期长、品种变化较多等生产实际情况，几乎不能满足GLS产品的装配进度。而550kV及其以上电压等级的GLS产品壳体部分为钢壳体，其中铝合金壳体设计厚度大都为816mm。壳体纵缝焊接是制造过程质量风险最大的焊缝之一，采用传统TIG焊MIG焊或TIG+MIG焊接工艺，已很难保证焊接质量和大批量的生产9。图3、图4分别是厚度8mm和12mm铝合金的焊缝剖断面9。对比图3、图4，可以观察到等离子弧很轻易地将其穿透。由于能量集中、穿透力强、焊接热输入量低，所以热影响区的宽度很窄，并且不会产生过烧组织。对其进行X光探伤，所有焊缝均达到JB4730-

17、94级标准10。无论与是高能束流的焊接方法比，还是与TIG、MIG等常规铝合金焊接方法比，在中厚板铝合金图4 厚度12mm铝合金焊缝剖断面图3厚度8mm铝合金焊缝剖断面 焊接中，变极性等离子焊接不论在焊接品质、焊接效率方面，还是在焊接工艺成熟稳定性和焊接生产成本方面上都具有其它焊接方法无可比拟的技术优势，能满足高端中厚板铝合金产品的焊接要求，是解决高端中厚板铝合金焊接生产制造的关键技术手段。变极性等离子焊接方法既能适应现在生产的需要，又符合今后高能束流焊接发展的方向，随着变极性等离子焊接在铝合金壳体生产中的逐步推广应用，必将为高能束流焊接工艺的发展和在工业生产中应用推广发挥其应有的作用。参考文

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