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窄間隙焊接的應用現狀及發展趨勢

添加時間:2015-02-10 9:58:20

 自1963年12月《鐵時代》雜志上首次刊發由美國Battelle研究所開發的窄間隙焊接技術以來(術語“窄間隙焊接”于1966年5月第一次出現在《British Welding Journal》雜志上發表的由美國Battelle芯克腞 P Meister和D C Matin合寫的文章中〔1〕),窄間隙焊接技術作為一種更先進的焊接技術,立即受到了全世界各國焊接專家的高度關注中华彩票网开机号分析,并相繼投入了大量的研究〔2〕。 V Y 馬林從許多刊物中整理出了窄間隙焊接的下述特征〔3〕:①是利用了現有的弧焊方法的一種特別技術;②多數采用I形坡口,坡口角度大小視焊接中的變形量而定;③多層焊接;④自下而上的各層焊道數目相同(通常為1或2道);⑤采用小或中等熱輸入進行焊接中华彩票网开机号分析中华彩票网开机号分析;⑥有全位置焊接的可能性中华彩票网开机号分析。

 
    日本壓力容器委員會施工分會第八專門委員會曾審議了窄間隙焊接的定義中华彩票网开机号分析,并作了如下規定〔4〕:窄間隙焊接是把厚度30mm以上的鋼板,按小于板厚的間隙相對放置開坡口,再進行機械化或自動化弧焊的方法(板厚小于200mm)。經過半個多世紀的研究和發展,人們對其焊接方法和焊接材料進行了大量的開發和研究工作中华彩票网开机号分析,目前窄間隙焊在許多國家的工業生產中都發揮著巨大的作用。
 
    1  窄間隙焊接技術的分類和原理
 
    窄間隙焊接技術按其所采取的工藝來進行分類〔5〕,可分為窄間隙埋弧焊(NG-SAW)、窄間隙熔化極氣體保護焊(NG-GMAW)、窄間隙鎢極氬弧焊(NG-GTAW)、窄間隙焊條電弧焊中华彩票网开机号分析、窄間隙電渣焊中华彩票网开机号分析、窄間隙激光焊,每種焊接方法都有各自的特點和適應范圍。
 
    1.1  窄間隙埋弧焊
 
    1.1.1  窄間隙埋弧焊簡介
 
    窄間隙埋弧焊出現于上世紀80年代中华彩票网开机号分析,很快被應用于工業生產中华彩票网开机号分析,它的主要應用領域是低合金鋼厚壁容器及其它重型焊接結構。窄間隙埋弧焊的焊接接頭具有較高的抗延遲冷裂能力,其強度性能和沖擊韌性優于傳統寬坡口埋弧焊接頭,與傳統埋弧焊相比,總效率可提高50%~80%中华彩票网开机号分析;可節約焊絲38%~50%,焊劑56%~64.7%。窄間隙埋弧焊已有各種單絲、雙絲和多絲的成套設備出現,主要用于水平或接近水平位置的焊接,并且要求焊劑具有焊接時所需的載流量和脫渣效果,從而使焊縫具有合適的力學性能。一般采用多層焊,由于坡口間隙窄,層間清渣困難,對焊劑的脫渣性能要求秀高,尚需發展合適的焊劑中华彩票网开机号分析。
 
    盡管SAW工藝具有如下優點:高的熔敷速度,低的飛濺和電弧磁偏吹,能獲得焊道形狀好、質量高的焊縫,設備簡單等,但是由于在填充金屬、焊劑和技術方面取得的最新進展,使日本中华彩票网开机号分析、歐洲和俄羅斯等國家和地區在焊接碳鋼、低合金鋼和高合金鋼時廣泛采用NG-SAW工藝。
 
    NG-SAW用的焊絲直徑在2~5mm之間中华彩票网开机号分析,很少使用直徑小于2mm的焊絲。據報導,最佳焊絲尺寸為3mm。4mm直徑焊絲推薦給厚度大于140mm的鋼板使用中华彩票网开机号分析,而5mm直徑焊絲則用于厚度大于670mm的鋼板中华彩票网开机号分析。
 
    NG-SAW焊道熔敷方案的選擇與許多因素有關。
 
    單道焊僅在使用專為窄坡口內易于脫渣而開發的自脫渣焊劑時才采用。然而,盡管使用較高的坡口填充速度中华彩票网开机号分析,單道焊方案較之多道焊方案仍有一些不足之處。除需要使用非標準焊劑之外,它還要求焊絲在坡口內非常準確地定位,對間隙的變化有較嚴格的限制。對焊接參數,特別是電壓的波動以及凝固裂紋的敏感性大,限制了這一工藝的適應性。單道焊在日本使用較多。
 
    日本以外的其他國寶廣泛使用多道焊中华彩票网开机号分析,其特點是坡口填充速度相當低中华彩票网开机号分析,但其適應性強,可靠性高,產生缺陷少。盡管焊接成本較高中华彩票网开机号分析,但這一方案的最重要之處在于中华彩票网开机号分析,允許使用標準的或略為改進的焊劑中华彩票网开机号分析,以及普通SAW焊接工藝中华彩票网开机号分析。
 
    1.1.2  窄間隙埋弧焊的焊接特性
 
    窄間隙焊接是在應用已有的焊接方法和工藝的基礎上,加上特殊的焊絲、保護氣中华彩票网开机号分析、電極向狹窄的坡口內導入技術以及焊縫自動跟蹤等特別技術而形成的一種專門技術。埋弧焊的優勢和局限性就直接遺傳給窄間隙埋弧焊技術中华彩票网开机号分析,并在很大程度上決定著窄間隙焊接的技術特性、經濟特性、應用特性和可靠性〔7〕:
 
    (1)埋弧焊時電弧的擴散角大,焊縫形狀系數大,電弧功率大,再配合適當的絲-壁間距控制,無需像熔化極氣體保護焊那樣,必需采用較復雜的電弧側偏技術,即埋弧焊方法的電弧熱源及其作用特性中华彩票网开机号分析,可直接解決兩側的熔合問題中华彩票网开机号分析,這是埋弧焊方法在窄間隙技術中應用比例最高的重要原因。
 
    (2)焊接過程中能量參數的波動對焊縫幾何尺寸的影響敏感程度低。這是由于埋弧焊方法的電弧功率高中华彩票网开机号分析,同樣的電流波動量△I,在埋弧焊時所引起的波動幅度要小得多。
 
    (3)埋弧焊過程中熔滴為渣壁過渡中华彩票网开机号分析,液渣罩和固態焊劑的高效“阻擋”作用中华彩票网开机号分析,根本不會產生飛濺,這是埋弧焊在所有熔化極弧焊方法中所獨有的特性,正是窄間隙焊技術所全力追尋的中华彩票网开机号分析。因為深窄坡口內一旦產生較大顆粒的飛濺,無論是送絲穩定性、保護的有效性還是窄間隙焊槍的相對移動可靠性都將難以保證。
 
    (4)在多層多道方式焊接時,通過單道焊縫形狀系數的調節,可以有效地控制母材焊接熱影響區和焊縫區中粗晶區和細晶區的比例中华彩票网开机号分析。通常焊縫形狀系數越大中华彩票网开机号分析,熱影響區和焊縫區中的細晶區比例越大中华彩票网开机号分析。這是由于焊道熔敷越薄,后續焊道對先前焊道的累積熱處理作用越完全,通過一次中华彩票网开机号分析、二次甚至三次固態相變,使焊縫和熱影響區中的部分粗晶區轉變成細晶區,這對提高窄間隙焊技術中焊態接頭的組織均勻性和力學性能均勻性具有極其重要的意義。
埋弧焊方法依靠電弧自身特性而無需采取特別技術即可解決極小坡口面角度(0o~7o)條件下的側壁熔合難題;焊縫幾何尺寸對電弧能量參數波動不敏感;無焊接飛濺的技術特性無條件地遺傳給窄間隙焊技術,從而極大地提高了窄間隙埋弧焊時送絲、送氣及焊槍在坡口內移動的可靠性中华彩票网开机号分析,這對保證窄間隙焊接的熔合質量和過程可靠性起了決定作用。然而,埋弧焊方法的局限性也原原本本地遺傳給了窄間隙技術。
 
    (1)由于狹窄坡口內單道焊接時極難清渣,使得窄間隙焊接時,必須采用每層2道(或3道)的熔敷方式,這將帶來NG-SAW技術中,不可能把填充間隙縮到像NG-TIG,NG-GMAW那樣。10mm左右),而最小間隙一般也在18mm左右,這是NG-SAW在技術和經濟上難以更理想化的根本原因。
 
    (2)埋弧焊方法的諸多技術優勢起源于大電弧功率,這將使得NG-SAW時焊接熱輸入增大中华彩票网开机号分析,焊接接頭的焊態塑、韌性難以提高,重要的NG-SAW接頭常常需要焊后熱處理方可滿足使用性能要求中华彩票网开机号分析。
 
    (3)難以實施平焊以外的其它空間位置的焊接。
 
    1.1.3  工業上成熟的NG-SAW技術
 
    埋弧焊是目前工業領域應用最為廣泛的焊接方法之一,也是應用到窄間隙技術中最成熟、最可靠中华彩票网开机号分析、應用比例最高的焊接方法。到目前為止,在工業上比較成熟的窄間隙埋弧焊技術有以下幾種:
 
    (1)NSA技術  它是日本川崎制鋼公司為碳鋼和低碳鋼壓力容器中华彩票网开机号分析、海上鉆井平臺和機器制造而開發的NG-SAW。采用直焊絲技術及用陶瓷涂的特殊的扁平導電嘴中华彩票网开机号分析。此技術采用單焊道,并采用單焊絲或串列雙絲。焊絲直徑3.2mm中华彩票网开机号分析。以MgO-BaO-SiO2-Al2O3為基本成分的特殊設計的KB-120中性焊劑轉變能引起熱膨脹,以致具有較好的脫渣性。
 
    (2)Subnap技術  它是由日本鋼鐵焊接產品工程公司為碳鋼和低合金鋼Ng-SAW開發的。它采用直焊絲、單焊道和單焊絲或串列雙絲。焊絲直徑3.2mm。為獲得較好的脫渣性,特殊設計了主要成分分別為TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgO的2種焊劑。
 
    (3)ESAB技術  它是瑞典NG-SAW設備和焊接材料制造廠家ESAB為壓力容器和大型結構件的碳鋼和低合金鋼焊接而開發的中华彩票网开机号分析。設計采用雙焊道,并采用固定彎絲中华彩票网开机号分析。
 
    (4)Ansaldo技術  它是由意大利米蘭Ansaldo T P A Breda鍋爐廠NG-SAW設備制造商和用戶開發的。它采用固定彎曲單焊絲,每層熔敷多焊道。
 
    (5)M A N-GHH技術  它是由西德M A N-GHH Sterkrade為核反應堆室內部件制造而開發的中华彩票网开机号分析。它采用單焊絲雙焊道。
 
1.2  窄間隙熔化極氣體保護焊
 
    1.2.1  窄間隙熔化極氣體保護焊簡介
 
    窄間隙熔化極氣體保護焊是1975年后研制成功的,這一工藝是在采用特殊的焊絲彎曲結構以使焊絲保持彎曲,從而解決坡口側壁的熔透問題之后得以實現的〔8〕。
 
 
    窄間隙熔化極氣體保護焊是利用電弧擺動來到達焊接鋼板兩側壁的一種方法。在平焊方法中,為了使I形坡口的兩邊充分焊透,使電弧指向坡口兩側壁,采用了各種方法:①在焊絲進入坡口前中华彩票网开机号分析,使焊絲彎曲的方法;②使焊絲在垂直于焊接方向上擺動的方法;③麻花狀絞絲方法;④藥芯焊絲的交流弧焊方法中华彩票网开机号分析中华彩票网开机号分析;⑤采用大直徑實心焊絲的交流弧焊方法等。另外,也有采用φ(Ar)30%+φ(CO2)70%作為保護氣體與ф1.6mm實心焊絲相配合的氣體保護焊方法,用來焊接特殊形狀復雜的接頭。在橫焊方法中中华彩票网开机号分析,為了防止I形坡口內熔融金屬下淌,以便得到均勻的焊道,提出了如下焊接方法:利用焊接電流的周期性變化,使焊絲擺動或將坡口分成上下層的焊接方法,以及將2種方式組合起來的焊接方法等中华彩票网开机号分析。在立焊窄間隙MAG焊接方法中中华彩票网开机号分析,為了保證坡口兩側焊透中华彩票网开机号分析,研制了擺動焊絲的焊接方法以及焊接電流與焊絲擺動同步變化的焊接方法。
 
    1.2.2  工業上成熟的NG-GMAW技術
 
    表面張力過渡<5>(Suface Tension Transfer)技術采用了7個國家的20余項專利中华彩票网开机号分析,最早于1993年由美國林肯公司的高級工程師Stava發表在Welding Journal上。表面張力過渡技術源于短路過渡技術,但又不同于傳統的短路過渡技術,它主要通過表面張力對熔滴的作用實現熔滴過渡。表面張力過渡理論認為,從熔滴與熔池開始接觸直到縮頸小橋斷裂為止的熄弧期間內,熔滴上沒有等離子流力、電弧推力、斑點力、金屬蒸汽反作用力等作用力,此時若不考慮重力與電磁力的作用中华彩票网开机号分析,則熔滴完全在熔滴與熔池融合界面的表面張力作用下完成了向熔池的鋪展、縮頸、斷裂中华彩票网开机号分析,在短路期間內,縮頸小橋形成時與存在期間輸出小的焊接電流與電弧電壓中华彩票网开机号分析,極大地減少了短路液態小橋的爆炸程度,從而減小了飛濺。
 
    表面張力過渡工藝是熔化極氣體保護焊方法中短路過渡工藝技術的一次巨大技術進步,它具有以下技術優勢:①飛濺率非常低中华彩票网开机号分析,熔滴呈軸向過渡;②焊接煙塵量;③作業環境更舒適(低煙塵、低飛濺中华彩票网开机号分析、低光輻射);④低熱輸入條件下熔合優良中华彩票网开机号分析;⑤具有良好的打底焊道全位置單面焊雙面成形能力;⑥操作更容易,作業效率更高中华彩票网开机号分析。
 
    1.3  窄間隙鎢極氬弧焊
 
    此種焊接工藝基本不產生飛濺和熔渣中华彩票网开机号分析,由于電弧的穩定性,也很少產生明顯的焊接缺陷中华彩票网开机号分析,并且也已確立向全位置焊接的應用〔9〕。但是這一方法的缺點在于工作效率低中华彩票网开机号分析,為了提高工作效率,對填充焊絲通電加熱的同時,還應該采用熱電阻線焊接法,這種方法的有利方面是可以個別選擇焊接電流和填充焊絲的送給量。但是中华彩票网开机号分析,如果給予填充焊絲過多的通電量,會引起鎢極惰性氣體保護焊的磁沖擊,形成的電弧不穩定中华彩票网开机号分析。因此中华彩票网开机号分析,采取將電弧電流和電線電流分別脈沖化或錯開其相位,或將單方面的電流交流化等措施。
 
    超高強鋼的使用促進了TIG焊在窄間隙焊接中的應用,一般認為TIG焊是焊接質量最可靠的工藝之一〔5〕。由于氬氣的保護作用中华彩票网开机号分析,TIG焊可用于焊接易氧化的非鐵金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬(如鉬、鈮、鋯)等,其接頭具有良好的韌性,焊縫金屬中的氫含量很低。由于鎢極的載流能力低,因而熔敷速度不高,應用領域比較狹窄,一般被用于打底焊以及重要的結構中中华彩票网开机号分析。
 
    1.4  窄間隙焊條電弧焊
 
    由于窄間隙焊接主要面向機械化及自動化生產中华彩票网开机号分析,焊條電弧焊在窄間隙焊接中的應用不多中华彩票网开机号分析,而且焊接質量不好控制中华彩票网开机号分析。但實際生產中中华彩票网开机号分析,窄間隙焊條電弧焊具有其他焊接方法所不能替代的優勢(如使用方便、靈活、設備簡單等),因此在某些領域中,如在大壩建筑中用于鋼筋的窄間隙焊接,解決了由于鋼筋連接技術造成的鋼筋偏心受力問題,成本僅為綁條焊的1/11;對ф18~40mm的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ級鋼筋均適用〔5〕。
 
    與其它NG技術比較,窄間隙焊條電弧焊應用非常有限。
 
    1.5  窄間隙電渣焊
 
    窄間隙電渣焊除了可以焊接各種鋼材和鑄鐵外,還可以焊接鋁及鋁合金、鎂合金中华彩票网开机号分析、鈦及鈦合金以及銅。它被廣泛用于鍋爐制造中华彩票网开机号分析、重型機械和石油化工等行業,近年來在橋梁建造中,窄間隙電渣焊被用于焊接25~75mm的平板結構〔5〕。其焊劑、焊絲和電能的消耗量均比采用埋弧焊低,并且工件厚度越大,效果越明顯中华彩票网开机号分析,焊接接頭產生淬火裂紋的傾向小,與傳統電渣焊相比,焊縫和熱影響區的金屬性能更高中华彩票网开机号分析,可免除或簡化焊后的熱處理過程。但其設備比較龐大,同時對所用渣劑的脫渣性要求較高。
 
    1.6  窄間隙激光焊
 
    由于激光焊焊接的板厚超過6mm時被列入厚板焊接,而激光焊的坡口寬度很小,此時可以認為是窄間隙激光焊接。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器,目前可焊厚度達50mm,深寬比高達12:1中华彩票网开机号分析。激光焊接的焊縫在焊態下硬度很高,主要含馬氏體組織,應進行焊后熱處理。由于激光焊要求大功率的激光器,設備要求高,因此在生產領域中的應用是有限的中华彩票网开机号分析。
 
    2  窄間隙焊接的應用現狀
 
    窄間隙焊焊縫較好的力學性能、較低的殘余應力與殘余變形以及窄間隙焊高的焊接生產率與低的生產成本,決定著該技術在鋼結構焊接領域客觀上存在著巨大的應用潛力和廣闊的應用范圍。從技術角度上看,其諸多的技術優越性決定著該技術具有極大的誘惑力。但從經濟角度上看,窄間隙焊接技術的確存在著一個經濟板厚范圍問題,即享有其技術優越性的同時中华彩票网开机号分析,能猁顯著經濟效益的板厚范圍中华彩票网开机号分析。一般來講,板厚越大中华彩票网开机号分析,其經濟效益也越大。具有明顯經濟優越性的最小板厚,可稱為窄間隙焊的下限板厚。該下限板厚隨著結構鋼種中华彩票网开机号分析、結構可靠性要求、結構尺寸及空間位置而變化,但一般為20~30mm。上限板厚只取決于所開發的窄間隙焊技術的焊槍可達深度中华彩票网开机号分析,理論上不存在上限板厚限制焊槍。已有的窄間隙焊,焊接500~600mm板厚無任何技術障礙。
目前,窄間隙焊接已成功地應用到了工業生產中的許多方面,其具體分布結構見表1,2<10>中华彩票网开机号分析。

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