新型焊接工藝研究

楊瀟然

摘要：焊接技術是工業工程和材料科學發展中的一種很關鍵的技術。隨著材料學的發展和焊接條件要求的提高，傳統的焊接技術已經逐漸不能滿足現代化的焊接需求。本文簡單介紹了傳統的焊接工藝分類，主要分析了新型的焊接技術水下焊接，并對它的特點和未來發展趨勢作了詳盡的分析。

關鍵詞：傳統焊接；水下焊接

隨著現代工業的發展，對結構和材料的要求越來越高，如造船和海洋工程要求解決大面積拼板、大型立體框架結構自動焊及各種低合金高強鋼的焊接問題；石油化學工業要求解決各種耐低溫及耐各種腐蝕性介質壓力容器的焊接問題；航空航天工業中要求解決鋁、鈦等輕合金結構的焊接問題；重型機械工業中要求解決大截面構件的拼接問題；電子及精密儀表制造工業要求解決微精密焊件的焊接問題。因此，優質、高效、節能的現代焊接技術正逐步取代能耗大、效率低和工作環境差的傳統焊條電弧焊焊接工藝，焊接技術結構性的轉變必將對裝備制造業技術水平與生產能力的提升發揮更加重要的作用。

1.傳統焊接工藝簡介

傳統上焊接更多地被認為是一種技藝而不是技術性很強的制造方法。很多傳統焊接方法嚴重依賴于操作人員的熟練程度，還有很多傳統焊接方法相對生產成本較高而且工藝重復性很差。但事實上，雖然焊接過程可能是一個多物理場耦合的復雜過程，國際上仍然開展了大量的高水平研究，人們對焊接過程中的很多基本物理現象有了更深入的了解，這些研究為焊接工藝技術的飛速發展提供了科學基礎。金屬焊接方法有40種以上，主要分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。

（1）熔焊熔焊是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動，冷卻后形成連續焊縫而將兩工件連接成為一體。為了提高焊接質量，人們研究出了各種保護方法。例如在鋼材焊接時，在焊條藥皮中加入對氧親和力大的鈦鐵粉進行脫氧，就可以保護焊條中有益元素錳、硅等免于氧化而進入熔池，冷卻后獲得優質焊縫。

（2）壓焊是在低于被焊金屬熔點的溫度下，不添加填充金屬，施加一定的壓力，使接頭產生必要的塑性變形，實現焊接的方法。各種壓焊方法的共同特點是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素燒損，和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了焊接過程，也改善了焊接安全衛生條件。同時由于加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，因而熱影響區小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強度的優質接頭。

（3）釬焊釬焊是使用比工件熔點低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于工件熔點的溫度，利用液態釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現原子間的相互擴散，從而實現焊接的方法。焊接時形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側在焊接時會受到焊接熱作用，而發生組織和性能變化，這一區域被稱為熱影響區。焊接時因工件材料焊接材料、焊接電流等不同，焊后在焊縫和熱影響區可能產生過熱、脆化、淬硬或軟化現象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調整焊接條件，焊前對焊件接口處預熱、焊時保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質量。

2.新型焊接工藝——水下焊接

水下焊接由于水的存在，使焊接過程變得更加復雜，并且會出現各種各樣陸地焊接所未遇到的問題。由于水對光線的吸收、反射及折射作用，使光線在水中傳播的距離顯著縮短，水下電弧的能見度非常低，加上電弧周圍產生的氣泡影響，嚴重妨礙了潛水焊工技術的正常發揮。另外，水的熱傳導系數較高，約為空氣的20倍左右。在濕法焊接時，往往易出現高硬度的淬硬組織。因此，水下焊縫含氫量一般都較高，容易引起氫脆或諸如白點及冷裂紋等缺陷。

水下焊接有干法、濕法和局部干法三種。

（1）干法焊接

干法焊接是指把包括焊接部位在內的一個較大范圍內的水人為地排開，使潛水焊工能在一個干的氣相環境中進行焊接的方法，即焊工在水下一個大型干式氣室中焊接。這種方法多用于深水，需要預熱或焊后熱處理的材料，或質量要求很高的結構的焊接。與濕法和局部干法焊接相比，干法焊接安全性最好，但使用局限性很大，應用不普遍。

（2）濕法焊接

濕法焊接是焊工在水下直接施焊，而不是人為地將焊接區周圍的水排開的水下焊接方法。電弧在水下燃燒與埋弧焊相似，是在氣泡中燃燒的。焊條燃燒時焊條上的涂料形成套筒使氣泡穩定存在，因而使電弧穩定，如圖8-1所示。要使焊條在水下穩定燃燒，必須在焊條芯上涂一層一定厚度的涂藥，并用石蠟或其他防水物質浸漬的方法，使焊條具有防水性。氣泡由氫、氧、水蒸氣和由焊條藥皮燃燒產生的氣泡；渾濁的煙霧生的其他氧化物。為克服水的冷卻和壓力作用造成的引弧及穩弧困難，其引弧電壓要高于大氣中的引弧電壓，其電流較大氣中焊接電流大15%～20%。水下濕法焊接與干法和局部干法焊接相比，應用最多，但安全性最差。由于水具有導電性，因此防觸電成為濕法焊接的主要安全問題之一。（3）局部干法焊接

局部干法焊接是用氣體把正在焊接的局部區域的水人為地排開，形成一個較小的氣相區，使電弧在其中穩定燃燒的焊接法。由于它降低了水的有害影響，使焊接接頭質量比濕法焊接得到明顯改善。與干法焊接相比，無需大型昂貴的排水氣室，適應性明顯增大。它綜合了濕法和干法兩者的優點，是一種較先進的水下焊接方法，也是當前水下焊接研究的重點與方向。

3.未來發展趨勢

未來水下焊接技術主要朝著智能化和自動化方面發展。自動化體現在軌道焊接系統和水下焊接機器人系統，焊接過程自動監控，焊接質量好，節省工時，而且減輕潛水員的工作強度是目前的發展方向。自動化的應用時遙控焊接，可以突破潛水焊工所能達到的水深限制。目前較為成熟的是軌道焊接系統。它采用模塊結構，維護簡單。但軌道焊接受安裝和維護的限制，水深不超過600 m。最近快速發展的水下焊接機器人系統具有更大的靈活性，在高壓干法焊接下，可進行GTWA、GMAW 及FCAW 焊接，在水深1100 m 仍能得到滿意的焊接質量。水下爬壁焊接機器人系統在激光裝置的引導下可更加靈活地實現焊縫和缺陷的檢測與控制，并有利于焊接質量的提高。由于水深的影響，送絲系統是水下焊接的一個難點，一種新型高可靠性的水下翻轉和送絲反饋系統已經得到應用。

4.總結

未來的焊接工藝，一方面要研制新的焊接方法、焊接設備和焊接材料，以進一步提高焊接質量和安全可靠性，如改進現有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運用電子技術和控制技術，改善電弧的工藝性能，研制可靠輕巧的電弧跟蹤方法。另一方面要提高焊接機械化和自動化水平，如焊機實現程序控制、數字控制；研制從準備工序、焊接到質量監控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產線上，推廣、擴大數控的焊接機械手和焊接機器人，可以提高焊接生產水平，改善焊接衛生安全條件。

參考文獻

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