厚板窄間隙焊接技術(shù)研究進(jìn)展

林三寶+蔡笑宇+季相儒

摘要： 針對大厚板，常用的焊接方法需要開大角度坡口，焊接時采用多層多道焊，焊件往往內(nèi)部應(yīng)力較大，變形嚴(yán)重。而窄間隙焊接采用窄而深的坡口，在厚板焊接中具有效率高等優(yōu)勢。針對當(dāng)前常用的厚板窄間隙焊接技術(shù)，本文中主要總結(jié)了國內(nèi)近幾年在激光窄間隙焊接，電弧窄間隙焊接和超窄間隙焊接三個方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞： 窄間隙焊接； 激光焊接； 電弧焊接

中圖分類號： TG442

Abstract： For the welding of thick plates， a wide groove and multi-layer welding technology are needed， so the internal stress in the workpiece is large and deformation is serious. In narrow gap welding， the groove is deep and narrow， so it has some special advantages in the welding process for thick plates， such as high efficient. In this paper， the domestic narrow gap laser welding， narrow gap arc welding and ultra-narrow gap welding techniques in recent years are summarized.

Key words： narrow gap welding； laser welding； arc welding

0 前言

隨著天然氣、石油等化工原料的需求量不斷增加，管道運輸成為這些原料運輸?shù)闹饕緩剑珖奶烊粴狻⑹偷然ぴ系倪\輸管道鋪設(shè)正在如火如荼的進(jìn)行著。運輸管道往往使用較大壁厚、直徑較粗的鋼管，進(jìn)行多段焊接的方式鋪設(shè)。因此，在保證質(zhì)量同時進(jìn)行較低成本的厚板焊接具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的厚板焊接往往采用大角度坡口，焊接過程中填入材料較多，焊接時采用多層多道焊接，焊接應(yīng)力大，焊接工件變形大，熱影響區(qū)寬，降低焊接接頭的塑韌性及力學(xué)性能。相比之下，窄間隙焊接技術(shù)選用小角度的坡口，相對傳統(tǒng)坡口斷面面積減少50%以上，減少了焊接填充材料的消耗，進(jìn)而降低了焊接成本。此外，窄間隙焊接減少了焊接道次，焊接應(yīng)力及變形也相對較小，從焊接厚板的角度考慮，窄間隙焊接具有明顯的優(yōu)勢。

目前窄間隙焊接選用的熱源大致有兩種：一種是使用激光做焊接熱源；另外一種是使用電弧作為焊接熱源。電弧作為焊接熱源的情況下窄間隙焊接又分為窄間隙鎢極氬弧焊（NG-TIG）、窄間隙熔化極氣體保護焊（NG-GMAW）和窄間隙埋弧焊（NG-SAW）。窄間隙埋弧焊主要用于平焊位置的焊接，而且窄坡口內(nèi)單道焊接時極難清渣，容易出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象。窄間隙TIG焊雖然焊縫成形優(yōu)良且接頭質(zhì)量高，但是其焊接效率低。而窄間隙GMAW能滿足全位置焊接的需要，焊接質(zhì)量高，效率高，正逐漸得到更加廣泛的應(yīng)用。下面將對國內(nèi)厚板窄間隙焊接技術(shù)研究進(jìn)行綜述，以期為今后的研究發(fā)展提供思路。

1 激光窄間隙焊接研究現(xiàn)狀

由于激光具有能量密度高，指向性強的優(yōu)勢。激光往往可以作為焊接過程中的優(yōu)質(zhì)熱源，激光窄間隙焊接也逐漸得到人們的關(guān)注，并運用到厚板焊接中。

張波等人[1]用YLS-10000-S2多模光纖激光器對40 mm厚的Q345D鋼板進(jìn)行激光窄間隙焊接。焊縫由13層構(gòu)成，層間高度3 mm，寬度3.5 mm。對得到的焊接接頭進(jìn)行了組織和力學(xué)性能的分析。在參數(shù)適當(dāng)?shù)那闆r下，對Q345D板材進(jìn)行激光窄間隙焊接可以得到無明顯缺陷，成形良好的焊接接頭。焊縫組織主要為鐵素體和粒狀貝氏體，沖擊韌性良好。熱影響區(qū)為馬氏體組織，強度有所提高，拉伸試樣斷裂于母材處，基本滿足力學(xué)性能要求。

王翔宇等人[2]實現(xiàn)了12 mm厚TC4鈦合金激光窄間隙焊接，焊接過程中發(fā)現(xiàn)，激光功率較小會引起焊絲熔化不穩(wěn)定，產(chǎn)生較多的氣孔及未融合缺陷。激光功率過大則會引起焊縫晶粒嚴(yán)重長大，降低焊縫塑韌性，調(diào)整熱輸入后得到了缺陷較少的焊縫。鈦合金母材顯微組織由等軸α相和β相組成的等軸組織構(gòu)成。焊縫區(qū)顯微組織為粗大β柱狀晶和網(wǎng)籃狀α′馬氏體組織。如圖1所示，熱影響區(qū)組織由細(xì)小的針狀馬氏體α′、轉(zhuǎn)變?yōu)棣两M織和β轉(zhuǎn)變組織。

激光能量密度大，用于焊接時往往得到深寬比較大的焊縫，焊縫成形不夠美觀，而電弧作為熱源在焊接過程中成形美觀卻不能得到較大的熔深，因此激光-電弧復(fù)合焊接可以使兩者優(yōu)勢互補。郭鴻鵬[3]使用激光-電弧復(fù)合窄間隙焊接方法分別對7A52鋁合金厚板、6061鋁合金厚板進(jìn)行焊接。激光后傾時焊接過程熔池穩(wěn)定性更好，得到的焊縫質(zhì)量優(yōu)于相同條件下激光前傾時所得到的焊縫質(zhì)量。氣孔缺陷更少。采用激光焊打底，激光-電弧復(fù)合焊進(jìn)行填充的方式進(jìn)行焊接，焊接接頭拉伸性能達(dá)到母材的73.7%，基本滿足使用要求。

2 電弧窄間隙焊接研究現(xiàn)狀

即便當(dāng)前高能束焊接日益發(fā)展，但是電弧焊仍是應(yīng)用最為廣泛的焊接方法，其具有生產(chǎn)成本低、工裝要求低及焊接適應(yīng)性強等優(yōu)勢。在窄間隙焊接技術(shù)中，電弧仍是應(yīng)用最多的熱源，在其基礎(chǔ)上開發(fā)出多種焊接技術(shù)，如旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接、擺動電弧窄間隙焊接技術(shù)等。

窄間隙TIG焊具有焊接過程穩(wěn)定、焊接品質(zhì)高等優(yōu)點，在重要構(gòu)件或特殊材料的窄間隙焊接中廣泛應(yīng)用。孔麗朵[4]針對AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主管道窄間隙TIG焊接的技術(shù)難點，進(jìn)行了大量的工藝實驗，調(diào)整工藝，進(jìn)而改善管道焊接過程中的根部未焊透，層間及側(cè)壁未熔合，焊縫表面氧化等問題。

朱旻等人[5]為了提高厚壁管道的焊接效率，改善焊接接頭的耐腐蝕性能，選用窄間隙熱絲TIG焊的方式對30 mm厚的TP321鋼管進(jìn)行焊接。分析結(jié)果表明，當(dāng)焊接坡口角度在3°時，焊接后在焊接應(yīng)力作用下變形，坡口角度變?yōu)樨?fù)值；坡口角度在4°～6°并未發(fā)生此現(xiàn)象；坡口角度在6°時坡口較大，熔覆金屬量明顯上升，焊接效率下降。此外，進(jìn)行全位置焊接時，要跟據(jù)不同位置時熔池受力情況匹配不同參數(shù)，立向下焊焊接電流比平焊有所增加，立向上焊時焊接電流比平焊小。endprint

為改善窄間隙側(cè)壁熔合不良的問題王建峰等人[6]使用磁控電弧窄間隙TIG焊接的方式對22 mm厚的鋼板進(jìn)行焊接，利用電弧的磁偏吹，在焊接過程中給焊接空間加入磁場，使得電弧左右搖擺，增加電弧作用面積，使更多的熱量傳播到窄間隙側(cè)壁上，進(jìn)而保證側(cè)壁熔深。如圖2所示，磁感應(yīng)強度及磁場頻率會影響電弧行為進(jìn)而影響焊縫成形。磁場頻率的增加會減小焊縫的側(cè)壁熔深，增加焊縫熔深；磁感應(yīng)增大則會增加電弧的擺動幅度，當(dāng)磁感應(yīng)強度為3 mT時電弧擺動效果不明顯，增加至6 mT電弧主要作用在焊縫底部及側(cè)壁交界處，進(jìn)一步增加磁感應(yīng)強度至9 mT時電弧主要集中在側(cè)壁，可能引起咬邊缺陷。隨著磁感應(yīng)強度的增加側(cè)壁熔深也不斷增加，磁感應(yīng)強度增加至9 mT的時候，出現(xiàn)焊縫咬邊現(xiàn)象。

馮東旭等人[7]用擺動鎢極窄間隙脈沖TIG焊對60 mm厚的508-III鋼進(jìn)行焊接。打底及填充焊接電壓控制在9.5～10.5 V，焊接速度控制在70 ～ 110 mm/min，打底焊焊送絲速度為2.5～3 mm/s，填充時送絲速度為1.5～2 mm/s，打底焊鎢極擺動角度18° ～ 20°，填充焊鎢極擺動角度在20°～23°，保護氣流量為20 L/min。焊后焊縫按照相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行了（615 ℃±15 ℃） × 30 h的消應(yīng)力熱處理，如圖3所示，所得焊縫和熱影響區(qū)均為回火貝氏體，無微觀缺陷。

GMAW焊與GTAW相比，其焊接效率較高，但是由于熔滴過渡過程的存在，其焊接過程比GTAW復(fù)雜。顧玉芬等人[8]用高速攝像系統(tǒng)觀察窄間隙GMAW電弧行為和熔滴過渡。焊接過程中窄間隙中的電弧大致分為三種燃燒情況，第一類是焊接電弧在焊絲端頭及一側(cè)側(cè)壁上燃燒，電弧與水平方向呈一定夾角，熔滴呈現(xiàn)大滴過渡的形式。第二類是電弧在焊絲端頭及兩側(cè)側(cè)壁上進(jìn)行燃燒，熔滴過渡形式也為射滴過渡，但熔滴尺寸有所減小。第三類是電弧在兩側(cè)側(cè)壁及間隙底部進(jìn)行燃燒，熔滴過渡形式為射流過渡。電弧出現(xiàn)的爬升現(xiàn)象與最小電壓原理及電弧自調(diào)節(jié)作用有關(guān)，熔滴過渡形式則與電弧弧根角變化引起的電磁力變化有關(guān)。

徐望輝等人[9]采用擺動電弧窄間隙GMAW方法對42 mm厚的10Ni5CrMoV鋼進(jìn)行了焊接，該方法可以得到無宏觀缺陷的焊縫。如圖4所示，焊縫組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體及少部分馬氏體組成，熱影響區(qū)則由粗大的板條狀馬氏體組成，是焊縫最薄弱的部分。該部分沖擊韌性較低，但由于窄間隙焊接一定程度減小了熱輸入，熱影響區(qū)極窄，因此對焊縫整體性能影響較小，滿足使用要求。

埋弧焊具有很高的焊接效率，常用于超大厚壁的工件如鍋爐、管道的焊接。王鑫等人[10]利用窄間隙埋弧焊對集裝箱所用的76.5 mm厚的SA-335P92鋼進(jìn)行了集裝箱環(huán)縫焊接的工藝研究。坡口間隙寬度在18～24 mm范圍內(nèi)，焊絲直徑在2.4～4 mm時，焊道形貌易于達(dá)到要求，實驗發(fā)現(xiàn)焊絲與側(cè)壁需保持一恒定距離，大小與焊絲直徑相近，焊接電流根據(jù)焊絲直徑會有所調(diào)整，使用直徑為2.4 mm的焊絲時，焊接電流不應(yīng)超過450 A，焊接速度在25～30 m/h之間，使用直徑為4 mm焊絲時，焊接電流不超過700 A，焊接速度不宜超過20 m/h。焊接過程中，電弧電壓應(yīng)在28～32 V之間，焊后需對焊縫進(jìn)行去氫及去應(yīng)力熱處理。該工藝窗口下得到的焊縫基本滿足質(zhì)量要求及力學(xué)性能要求，焊縫成形良好。

窄間隙埋弧焊缺點在于焊接過程中清渣較為麻煩，王鑫等人[11]根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)出窄間隙埋弧焊焊接鍋爐時坡口脫渣的辦法，從材料的選擇角度考慮，焊劑選用SJ301脫渣效果要優(yōu)于其他常用的窄間隙埋弧焊焊劑；此外，使用熱脫渣技術(shù)進(jìn)行脫渣，在高溫時用小型氣動鏟將半固態(tài)渣殼剝離下來，渣殼溫度在500 ℃下焊縫脫渣效果最好，溫度過低，渣殼過硬不易清理，溫度過高渣殼處于液態(tài)，清理不連續(xù)。在排焊工藝下焊縫質(zhì)量和脫渣效果有所增加，排焊時電弧靠近焊縫一側(cè)，使渣殼偏離中心，左右渣殼厚度不均勻，利于脫渣。

為了提高窄間隙埋弧焊的焊接效率，焊接時可以選用雙絲焊接甚至三絲焊接，張洪昌等人[12]選用雙絲窄間隙埋弧焊的方法對78 mm厚的S30403不銹鋼殼體進(jìn)行焊接。采用低焊接熱輸入和控制層間溫度等工藝設(shè)施避免了焊接熱裂紋的產(chǎn)生，減小了焊接應(yīng)力。朱言成[13]則選用三絲窄間隙埋弧焊方法對厚板角焊縫進(jìn)行焊接。三絲埋弧焊采用獨立電源供電，采用電流相位控制脈沖焊接焊絲，是焊絲輪流燃弧。其前中后電極組合采用直流反接+交流+交流的方式，避免了三極皆為直流電弧產(chǎn)生的磁偏吹現(xiàn)象，進(jìn)而提升焊接過程中電弧的穩(wěn)定性，使焊縫有良好成形并提高整體性能。焊接過程中焊縫間隙在13～20 mm之間，背后設(shè)置陶瓷襯墊，50 mm焊縫可一次性焊透。

張磊等人[14]認(rèn)為窄間隙埋弧焊進(jìn)行多層多道焊時后層焊道熱量會對前一層有一定的熱處理作用，引起前層焊道熱影響區(qū)組織發(fā)生改變。因此張磊等人使用數(shù)值模擬技術(shù)對溫度場進(jìn)行模擬，并進(jìn)一步分析溫度場與組織轉(zhuǎn)變，推斷出單、雙絲窄間隙埋弧焊接時坡口側(cè)壁過熱粗晶區(qū)組織演化過程。焊道厚度在4 mm時，單絲熱源過熱區(qū)有50%經(jīng)歷正火過程，雙絲焊接過程中則有約55%～60%區(qū)域經(jīng)歷正火過程，可以通過降低前絲焊接電流來減小坡口側(cè)壁過熱粗晶區(qū)，并增強后層焊道對前層焊道的熱處理效果。

3 超窄間隙焊接

近年來，窄間隙憑借厚板焊接的優(yōu)勢，逐步得到人們的廣泛關(guān)注。坡口尺寸及坡口形式成為了窄間隙的獨特標(biāo)志，人們想進(jìn)一步擴大窄間隙在原料節(jié)省方面的優(yōu)勢，因此提出了進(jìn)一步縮小窄間隙坡口寬度的理念，實現(xiàn)了超窄間隙的焊接。傳統(tǒng)窄間隙中，當(dāng)坡口尺寸在5 mm以下時，由于最小電壓原理及電弧自調(diào)節(jié)的作用，窄間隙焊接過程中容易出現(xiàn)側(cè)壁燃弧，焊絲回?zé)膯栴}，超窄間隙在焊縫側(cè)壁附加了焊劑帶來避免側(cè)壁燃弧的現(xiàn)象，實現(xiàn)了超窄間隙的穩(wěn)定焊接。龔練等人[15]選用0.7 mm厚的大理石和螢石作為焊劑帶完成了坡口間隙為3.5 mm，4.0 mm和4.5 mm的Q235鋼的超窄間隙焊接，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡口間隙達(dá)到3.5 mm后，焊接過程極易出現(xiàn)熱裂紋，且隨著坡口間隙的減小焊接熱裂紋傾向增加，裂紋成人字形。焊縫成形系數(shù)是影響超窄間隙的焊接接頭熱裂紋的主要因素。焊縫成形系數(shù)較小時，熱裂紋傾向較大，成形系數(shù)增加到臨界值，焊縫不再產(chǎn)生熱裂紋。此外龔練等人[16]試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡口寬度減小時，電弧特性變得敏感，工藝參數(shù)適應(yīng)性要求提高，相同參數(shù)下焊接電流會有所增加，側(cè)壁熔深增加，如圖5所示。利用不同坡口寬度下焊劑帶約束電弧超窄間隙電弧特性，可以有效調(diào)控工藝參數(shù)，坡口寬度減小，適用的電壓大幅度減小。endprint

激光相比于電弧而言擁有指向性好，能量密度大的優(yōu)點。此外，相比于電弧超窄間隙焊接，激光超窄間隙焊接不易出現(xiàn)電弧中的側(cè)壁燃弧現(xiàn)象。用激光實現(xiàn)超窄間隙的難度相對于電弧而言要小很多。田書強等人[17]實現(xiàn)了9Ni鋼的激光超窄間隙焊接，實驗中使用的母材為16 mm厚的LNG船液罐用X7Ni9鋼，坡口角度為6°，激光器選用的是YLS-10000光纖激光器，焊后對焊縫進(jìn)行了組織及力學(xué)性能的分析，焊縫組織主要為γ固溶體，兩側(cè)為垂直熔合線向焊縫中心生長的柱狀枝晶，焊縫中心為等軸晶；熱影響區(qū)粗晶區(qū)為粗大的板條馬氏體，細(xì)晶區(qū)為馬氏體及少量殘余奧氏體。焊縫接頭抗拉強度略低于母材，焊縫中心沖擊韌性最低為73 J，斷口形貌為韌窩狀，滿足使用的力學(xué)性能要求。

鋁合金在進(jìn)行焊接時容易出現(xiàn)焊接氣孔等缺陷，引起焊接接頭力學(xué)性能的下降，謝余發(fā)生等人[18]對5083鋁合金進(jìn)行了超窄間隙填絲焊接。分析了焊接工藝參數(shù)對焊接未融合傾向和氣孔缺陷的影響規(guī)律。激光功率的升高，焊縫未熔合的傾向降低，氣孔缺陷增加；焊接速度增大，未熔合的傾向增加，氣孔缺陷增加。最終，采用光絲間距為+1 mm、焊接速度為0.42 m/min、激光功率為3.8 kW、送絲速度為3.5 m/min、離焦量為+20 mm、側(cè)吹氬氣流量為20 L/min的工藝，實現(xiàn)了17 mm 深超窄間隙坡口的5083鋁合金激光填絲填充焊接，完全消除了未熔合缺陷，控制氣孔率為0.25%。

鄭韶先等人[19]選用超細(xì)顆粒的焊劑對1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行焊接，研究了焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響。在熱輸入為1.75 kJ/mm及深寬比在1.34的條件下焊接得到的焊縫成形較好。單道焊接時金屬填充厚度可達(dá)11.5 mm，也不易形成“梨形”裂紋。隨著焊接電壓的增加，焊縫從凸焊縫向凹焊縫再向電弧攀升的情況轉(zhuǎn)變。最終，劃定了超細(xì)顆粒焊劑約束窄間隙焊接合理的工藝參數(shù)范圍，焊接電壓在26～32 V之間，焊接電流在200～320 A之間。

4 結(jié)束語

窄間隙在焊接厚板時的獨特優(yōu)勢，使窄間隙焊接逐步被應(yīng)用到各個需要厚板焊接的大型工程中。近年來，窄間隙的應(yīng)用范圍越來越廣，窄間隙焊接的形式也越來越多變。從正常的單絲窄間隙焊接到多絲窄間隙焊接，從電弧窄間隙焊接再到激光窄間隙焊接，窄間隙焊接的發(fā)展及改進(jìn)可以說是十分迅速的。可以預(yù)見，在未來窄間隙方法將擁有更加廣闊的前景。

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