窄间隙焊要求

1、1 绪论随着科学技术的发展，焊接逐步成为制造业，尤其是装备制造业中的重要加工手段。由于焊接结构具有制造周期短、效率高、成本低、质量好等优点，焊接技术在制造业中占有重要地位。尤其是在石油、化工、电力设备制造和汽车制造、航空制造等技术中，焊接都扮演者重要角色。在改革开放以来的20多年里焊接技术得到了快速发展和提高，先进的设备和工艺都已广泛应用于生产，例如电子束、激光束、等离子束、焊接机器人工作站、焊接柔性生产系统、窄间隙焊接技术、磁控宽带极堆焊技术、双丝高效气体保护焊技术、全数字化焊接电源、熔滴过渡与熔透控制技术、搅拌摩擦焊技术等等。对于大口径管线环焊缝的焊接，无论从内壁还是外壁焊接，技术、设备和

2、焊接工艺都已非常成熟，但是对于小口径，管内径小于100mm的管线，从内壁焊接环焊缝，存在一定难度，主是焊接方法，用手工电焊条焊接，焊缝离管口近时，勉强可以焊接，但效率低；采用其它方法，由于管径小，操作受到限制，必须采用专用的设备才可进行焊接。温州地区是我国的泵阀之乡，有很多的泵、阀生产企业，部分企业在生产中经常碰到小口径阀体的内壁环焊缝的焊接，由于企业技术人员和高级技术工人不足，要解决小口径管内壁环焊缝焊接工艺问题，有一定的难度。图一为某阀门厂小口径高压阀体，其内壁的A处要求焊接，由于口径小，操作受到限制。温州地区小口径阀体内环缝的焊接数量较多，焊缝距管口较远，都在100mm以上，现大多采用手

3、工电弧焊，有的情况下要将焊条弯曲才能焊接，焊接效率低，且在预热焊接时，焊接环境艰苦，很难保证焊接质量。本研究的目的是研制一套专用的焊接设备，同时利用兰州理工大学现有的活性焊剂氩弧焊技术(A-TIG焊)，解决阀门厂小口径阀体内管壁环焊缝焊接技术。 阀体内环缝的焊接方法，与管材内环缝的焊接是相同的。大口径管材的焊接，无论从内壁还是外壁焊接，工艺、技术都非常成熟。大都采用自动焊工艺，如埋弧焊、CO2气体保护焊等；且自动化程度很高，如全自动管焊机。小口径的管材对接的环焊缝，大都从外壁焊接，采用单面焊双面成型技术，只有外部无法焊接的特殊工件。活性焊剂氩弧焊（简称A-TIG焊），最早由乌克兰巴顿焊接研究所

4、在2O世纪6O年代研制，并应用于能源、化工和航空航天工业等领域。20世纪末期，英国TwI和美国EWI对ATIG进行了研究，并转入实际应用，其中EWI的活性剂FSS-7已经用于海军舰艇的制造中。2l世纪初，巴顿焊接研究所(PWI)已将ATIG技术应用于焊接核反应堆管子部件、汽车胎环、氧气钢瓶、汽车压缩空气钢瓶、高压罐等工业领域。我国国内的研究起步较晚，哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室的刘凤尧等人和甘肃工业大学的樊丁等人都对其进行了研究。在相同的焊接规范下，同常规的TIG焊相比，ATIG焊可以大幅度提高焊接熔深，而不增加正面焊缝宽度。目前ATIG焊可以用于焊接不锈钢、碳钢、镍基合金和钛合金

5、等材料。同传统的TIG焊相比，ATIG焊可以提高生产率2. 6倍 ，降低生产成本，同时还可以减小焊接变形，具有非常广泛的应用前景。A-TIG焊是在原有TIG焊的条件下，焊接前在母材表面涂上一薄层活性焊剂(厚度约0.1mm )，此焊剂为无机物粉末和挥发性液体介质(如丙酮等)的混合物，挥发性液体介质挥发后，留下活性焊剂。焊接时在电弧作用下，焊剂蒸发，其中的活性组分直接转移至等离子区，与电弧发生相互作用，使电弧中的电子数呈现减少趋势，电弧导电性能减弱，结果造成电弧自动产生压缩，热量集中、电弧力集中，电弧的压缩可增强阳极焊缝根部的电流密度(1.52倍)和电弧强度(1.52.5倍)，从而使焊接熔深增加。

6、乌克兰巴顿电焊所的萨维茨基博士已成功的将A-TIG焊应用于碳钢、合金钢、奥氏体不锈钢和珠光体钢管道的全位置焊接接头。A-TIG焊由于高效、省电、使用方便，将会广泛应用。本文研究的主要内容为以下几点：1）直角气体保护焊枪的设计与制造 小直径管内焊接，由于受到空间的限制， 焊枪要求体积小，只能采用90°直角枪，直角枪弯曲半径小，焊丝的送进受到较大的阻力，焊枪的设计与制造是能否进行焊接的关键。2） 焊缝的跟踪控制 阀体口径小，焊枪要放入阀体内，要保证焊枪准确的对准焊缝，还要放入焊枪的跟踪、定位、监控等设施。焊接过程中的跟踪是保证焊接质量的关键。3） 小体积大电流氩弧焊枪的研制ATIG焊焊接

7、时，要将10mm左右的焊缝一次熔透，要求焊接电流在250A左右，要将焊枪放入阀体内部，焊枪体积要求小，且要通水冷却，成功的关键在于焊枪的设计。4） 焊枪的摆动系统 高温高压阀体阀内壁比较厚，需要多层多道焊接才能填满焊缝，摆动可提高焊接效率，摆动的频率、幅度、形式对焊接效率、质量有很大影响，也是关键技术之一。2机构部分 2.1示意图一 焊接设备示意图: 2.2焊枪一 焊枪的设计管内堆焊时， 焊丝和管壁轴线方向的夹角可以不是90°；而焊接内壁环焊缝时，由于有坡口，焊丝和管壁轴线方向的夹角必须在90°左右。气体保护焊焊枪的夹角一般在120°100°，管径大时，

8、可以抬高焊枪的尾部，获得焊丝和管壁轴线方向的夹角在90°左右。从管内壁焊接小口径管材，由于管径小，焊枪在管内受到限制，要求焊枪的夹角为90°，焊丝的送进、焊接过程的跟踪、监控等很难实现。尤其是直径小于100mm的管材。 上图表示管内堆焊和对接时焊枪夹角的区别二 焊枪示意图: 第一部分 绪论一、立项的背景和意义 随着科学技术的发展，焊接逐步成为制造业，尤其是装备制造业中的重要加工手段。由于焊接结构具有制造周期短、效率高、成本低、质量好等优点，焊接技术在制造业中占有重要地位。尤其是在石油、化工、电力设备制造和汽车制造、航空制造等技术中，焊接都扮演者重要角色。在改革开放以来的20

9、多年里焊接技术得到了快速发展和提高，先进的设备和工艺都已广泛应用于生产，例如电子束、激光束、等离子束、焊接机器人工作站、焊接柔性生产系统、窄间隙焊接技术、磁控宽带极堆焊技术、双丝高效气体保护焊技术、全数字化焊接电源、熔滴过渡与熔透控制技术、搅拌摩擦焊技术等等。对于大口径管线环焊缝的焊接，无论从内壁还是外壁焊接，技术、设备和焊接工艺都已非常成熟，但是对于小口径，管内径小于100mm的管线，从内壁焊接环焊缝，存在一定难度，主是焊接方法，用手工电焊条焊接，焊缝离管口近时，勉强可以焊接，但效率低；采用其它方法，由于管径小，操作受到限制，必须采用专用的设备才可进行焊接。温州地区是我国的泵阀之乡，有很多的

10、泵、阀生产企业，部分企业在生产中经常碰到小口径阀体的内壁环焊缝的焊接，由于企业技术人员和高级技术工人不足，要解决小口径管内壁环焊缝焊接工艺问题，有一定的难度。图一为某阀门厂小口径高压阀体，其内壁的A处要求焊接，由于口径小，操作受到限制。温州地区小口径阀体内环缝的焊接数量较多，焊缝距管口较远，都在100mm以上，现大多采用手工电弧焊，有的情况下要将焊条弯曲才能焊接，焊接效率低，且在预热焊接时，焊接环境艰苦，很难保证焊接质量。本研究的目的是研制一套专用的焊接设备，同时利用兰州理工大学现有的活性焊剂氩弧焊技术(A-TIG焊)，解决阀门厂小口径阀体内管壁环焊缝焊接技术。二、国内外研究现状和发展趋势阀体

11、内环缝的焊接方法，与管材内环缝的焊接是相同的。大口径管材的焊接，无论从内壁还是外壁焊接，工艺、技术都非常成熟。大都采用自动焊工艺，如埋弧焊、CO2气体保护焊等；且自动化程度很高，如全自动管焊机。小口径的管材对接的环焊缝，大都从外壁焊接，采用单面焊双面成型技术，只有外部无法焊接的特殊工 图一 阀体内壁焊接位置，A处为要求焊接的环焊缝，L随口径变化件，如上述的阀体内壁的环焊缝，从内壁焊接。哈尔滨锅炉厂用气体保护焊，为内径约为150mm的管材，从内壁进行堆焊。管内堆焊和管内环焊缝的焊接有差别，如图二所示。管内堆焊时， 焊丝和管壁轴线方向的夹角可以不是90°；而焊接内壁环焊缝时，由于有坡口，

12、焊丝和管壁轴线方向的夹角必须在90°左右。气体保护焊焊枪的夹角一般在120°100°，管径大时，可以抬高焊枪的尾部，获得焊丝和管壁轴线方向的夹角在90°左右。从管内壁焊接小口径管材，由于管径小，焊枪在管内受到限制，要求焊枪的夹角为90°，焊丝的送进、焊接过程的跟踪、监控等很难实现。尤其是直径小于100mm的管材。 图二 管内堆焊和对接时焊枪夹角的区别活性焊剂氩弧焊（简称A-TIG焊），最早由乌克兰巴顿焊接研究所在2O世纪6O年代研制，并应用于能源、化工和航空航天工业等领域。20世纪末期，英国TwI和美国EWI对ATIG进行了研究，并转入实际应用

13、，其中EWI的活性剂FSS-7已经用于海军舰艇的制造中。2l世纪初，巴顿焊接研究所(PWI)已将ATIG技术应用于焊接核反应堆管子部件、汽车胎环、氧气钢瓶、汽车压缩空气钢瓶、高压罐等工业领域。我国国内的研究起步较晚，哈尔滨工业大学焊接生产技术国家重点实验室的刘凤尧等人和甘肃工业大学的樊丁等人都对其进行了研究。在相同的焊接规范下，同常规的TIG焊相比，ATIG焊可以大幅度提高焊接熔深，而不增加正面焊缝宽度。目前ATIG焊可以用于焊接不锈钢、碳钢、镍基合金和钛合金等材料。同传统的TIG焊相比，ATIG焊可以提高生产率2. 6倍 ，降低生产成本，同时还可以减小焊接变形，具有非常广泛的应用前景。A-T

14、IG焊是在原有TIG焊的条件下，焊接前在母材表面涂上一薄层活性焊剂(厚度约0.1mm )，此焊剂为无机物粉末和挥发性液体介质(如丙酮等)的混合物，挥发性液体介质挥发后，留下活性焊剂。焊接时在电弧作用下，焊剂蒸发，其中的活性组分直接转移至等离子区，与电弧发生相互作用，使电弧中的电子数呈现减少趋势，电弧导电性能减弱，结果造成电弧自动产生压缩，热量集中、电弧力集中，电弧的压缩可增强阳极焊缝根部的电流密度(1.52倍)和电弧强度(1.52.5倍)，从而使焊接熔深增加。乌克兰巴顿电焊所的萨维茨基博士已成功的将A-TIG焊应用于碳钢、合金钢、奥氏体不锈钢和珠光体钢管道的全位置焊接接头。三、 研究开发内容和

15、技术关键1、研究内容经调研，高温高压阀体需要从内壁焊接的内径最小为42mm，大的很大，但到340mm以上时，由于空间较大，易于焊接。所以本研究从最小内经42mm开始，分为42100mm、100340mm两段进行研发。1） 研制内径为42100mm高温高压阀体内壁环缝焊接的专用设备以及焊接工艺；2） 研制内径为100340mm高温高压阀体内壁环缝焊接的专用设备以及焊接工艺；3） 研制内径为42100mm高温高压阀体内环缝的ATIG焊焊接专用设备以及焊接工艺；4） 研制小管径内焊枪的自动跟踪系统及研制跟踪装置；5） 制作焊接转台：6） 阀门材料焊接工艺研究，探讨ATIG焊在阀门材料中的应用范围。优

16、选出10种以上阀门材料的焊接工艺，通过焊接工艺评定：2、关键技术1）直角气体保护焊枪的设计与制造 小直径管内焊接，由于受到空间的限制， 焊枪要求体积小，只能采用90°直角枪，直角枪弯曲半径小，焊丝的送进受到较大的阻力，焊枪的设计与制造是能否进行焊接的关键。5） 焊缝的跟踪控制 阀体口径小，焊枪要放入阀体内，要保证焊枪准确的对准焊缝，还要放入焊枪的跟踪、定位、监控等设施。焊接过程中的跟踪是保证焊接质量的关键。6） 小体积大电流氩弧焊枪的研制ATIG焊焊接时，要将10mm左右的焊缝一次熔透，要求焊接电流在250A左右，要将焊枪放入阀体内部，焊枪体积要求小，且要通水冷却，成功的关键在于焊枪

17、的设计。7） 焊枪的摆动系统 高温高压阀体阀内壁比较厚，需要多层多道焊接才能填满焊缝，摆动可提高焊接效率，摆动的频率、幅度、形式对焊接效率、质量有很大影响，也是关键技术之一。8） 阀门材料焊接工艺研究及ATIG焊在阀门材料中的应用 高温高压阀门多用在石油化工、电力行业，对所用材料本身和材料的焊接要求非常严格，基本上为耐热钢和高温合金。这些合金的合金系统复杂，为铁基Cr、Ni含量较高的低、中、高合金或Ni、Co基合金。合金的组织结构复杂，可以是铁素体、珠光体、马氏体或奥氏体，可以是单相组织，也可以是多相复合组织，也有可能是异种金属的焊接，这些因素给焊接带来许多问题，要获得可靠的焊接接头，要选择合

18、适的焊接材料、焊接方式和合理的焊接工艺，包括焊后热处理等。四、预期目标（知识产权申请情况、应用前景）1、 主要技术经济指标1） 研制内径为42100mm高温高压阀体内壁环焊缝的专用焊接设备一套以及焊接工艺；主要技术参数：焊接方法：气体保护焊，(MIG/MAG)；焊接最大电流：250A；可用焊丝直径：0.6mm、0.8mm、1.0mm；焊接最小内经：42mm；焊缝距管口距离：200mm；焊枪上下移动范围：0100mm；焊枪左右移动范围：050mm；焊枪前后移动范围：0200mm；焊枪跟踪误差：±0.5mm；焊枪摆动范围：010mm；焊枪角度：90°；2） 研制内径为10034

19、0mm高温高压阀体内壁环焊缝的专用焊接设备一套以及焊接工艺；主要技术参数：焊接方法：气体保护焊，(MIG/MAG)；焊接最大电流：500A；可用焊丝直径：1.0mm、1.2、1.6mmmm；焊接最小内经：100mm；焊缝距管口距离：400mm；焊枪上下移动范围：0800mm；焊枪左右移动范围：0100mm；焊枪前后移动范围：0400mm；焊枪跟踪误差：±0.5mm；焊枪摆动范围：030mm；焊枪角度：90°、100120°两种；3） 研制内径为42110mm高温高压阀体内壁环焊缝的ATIG焊焊接专用一套设备以及焊接工艺；主要技术参数：焊接最小内经：42mm；焊缝距

20、管口距离：200mm；焊枪上下移动范围：0100mm；焊枪前后移动范围：0200mm；焊枪跟踪误差：±0.5mm；焊枪角度：90°；最大电流300A；4） 研制小管径内焊枪自动跟踪系统及研制跟踪装置一套；主要技术参数： 跟踪误差：±0.5mm；5） 确定ATIG焊在阀门材料中的应用范围，优选出10种以上阀门材料的焊接工艺，通过焊接工艺评定，协助企业制定ATIG焊接标准。6） 制作焊接转台一套：主要技术参数：转动速度：03转/分钟；最大夹持直径：400mm；7） ATIG焊省电，属于节能作业，每年可节约2050万元成本；8） 设备、技术可作为商品出售，但主要为社会效

21、益。五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解1、研究方案及技术路线 本研究分为六大部分，第一部分为研制两套分别适和焊接内经为42100mm和100340mm高温高压阀体内壁环焊缝的专用气体保护焊设备；第二部分为研制一套适和焊接内经为42100mm高温高压阀门内壁环焊缝的A-TIG专用设备；第三部分焊枪的定位、跟踪装置和控制系统的研制；第四部分制造一套焊接转台；第五部分为常用阀门材料焊接工艺调试；第六部分为ATIG焊在阀门材料中的应用和协助企业制定ATIG焊接标准。图三 MIG/MAG焊设备总体方案1） 内壁环焊缝的气体保护焊设备 MIG/MAG焊总体方案见图三所示，设备由焊接转台、焊接机座、焊枪升降机构，焊枪前后、左右调节机构，焊枪摆动机构，焊枪，焊接电源等组成，并配有定