窄間隙氣體保護焊接工藝發展與應用

秦國梁

山東大學焊接研究所 山東濟南 250061

1 序言

隨著經濟的發展，石油石化與海洋工程等領域的重大裝備日趨大型化、高參數化，高性能材質厚板、超厚板金屬結構（以下統稱厚壁結構）的應用也越來越廣泛。厚壁結構的大拘束度及傳統焊接工藝的大填充量帶來諸多問題，如生產效率低、焊接熱輸入大，使焊接接頭存在較大的殘余應力和殘余變形，從而對接頭塑性、韌性帶來較大損傷，導致焊接接頭力學性能變差等。窄間隙焊接技術（Narrow Gap Welding，NG-W）在保留傳統焊接方法優點的同時，較理想地克服了上述局限性。與傳統焊接技術相比，由于NG-W采用窄而深的焊接坡口，因此大幅度減少了焊縫橫截面積，節約了填充焊接材料，降低了接頭總的焊接熱輸入，在提高焊接生產率的同時降低了焊接生產成本。特別地，由于焊接材料填充量少、總的熱輸入低，不但使接頭殘余應力和殘余變形小、焊縫組織細化，也會大大減小接頭塑韌性損傷，容易獲得高精度、高性能的接頭，因此窄間隙焊接技術已成為石油石化、海洋工程等領域重型裝備厚壁結構的重要焊接成形制造技術。

本文從高端裝備厚壁結構焊接成形制造對窄間隙焊接技術的要求出發，簡明扼要地介紹了窄間隙氣體保護焊接（Narrow Gap Gas Shielded Arc Welding）的技術優勢，以及存在的焊接過程穩定性、側壁熔合、焊縫跟蹤等問題，并基于熔敷效率和熱輸入平衡，提出了激光+電弧復合熱源超窄間隙焊接技術，其具有實現熱敏感材質厚壁金屬結構的高效、低熱輸入、低損傷焊接的技術優勢。

2 窄間隙氣體保護焊接工藝方法及特點

窄間隙焊接技術自1963年8月由美國Battelle研究所開發成功以來，在20世紀70～80年代進入研發高峰，并在80年代末進入了工程應用階段。在早期的窄間隙焊接研發和工程應用中，主要是以窄間隙埋弧焊（NG-SAW）為主。但近年來，隨著對熱輸入比較敏感的高性能材料在厚壁結構中的應用越來越多，NG-ASW熱輸入大的問題逐漸暴露出來，而熱輸入較低的以窄間隙熔化極氣體保護焊（Narrow Gap Gas Metal Arc Welding，NG-GMAW）和窄間隙鎢極氬弧焊（Narrow Gap Gas Tungsten Arc Welding，NG-GTAW）為代表的窄間隙氣體保護焊接技術受到了重視，并進行了廣泛地研發。

窄間隙焊接作為厚壁結構首選的焊接工藝，相比傳統的多層多道大坡口焊接，具有諸多技術與經濟的優越性。

1）節能、省材、高效率：由于坡口間隙大幅減小，填充焊縫金屬減少，能量輸入降低，在大幅度提高焊接生產率的同時，也降低了生產成本。數據表明，NG-GMAW焊材消耗量比普通SAW減少50%以上，比NG-SAW減少了近14%（不包括焊劑消耗量和保護氣體的消耗量）[1]。

2）低的焊接熱輸入、應力變形、熱損傷：低的熱輸入使得接頭具有較低的焊接殘余應力和變形，熱影響區小，對母材的熱損傷也小。

3）焊縫質量高：焊縫組織性能均勻性提高，力學性能特別是塑韌性指標得到改善。

4）在厚板焊接領域具有顯著的經濟優勢：隨著板厚的增加，窄間隙焊的材料費和人工費節約比例越來越大，一般來講，比傳統焊接方法生產成本至少節約40%以上。

由于窄間隙焊接具有顯著的技術優勢和成本優勢，其研發一直是國內外焊接領域的研究熱點之一，各種各樣的窄間隙焊接技術紛紛被開發出來。窄間隙氣體保護焊主要包括NG-GMAW和NGGTAW等窄間隙焊接工藝方法。

2.1 窄間隙熔化極保護焊技術

NG-GMAW是1975年后研制成功的，采用特殊的焊絲彎曲機構使焊絲保持彎曲，以保證坡口側壁熔合。焊絲作為電極可采用大電流焊接，焊接熔敷效率高，同時適用于各種位置焊接，焊后不需要清渣，且明弧焊接便于監視和控制，非常適合自動化焊接[2,3]。

保護氣體通常使用Ar或CO2，在實際工程應用中多用CO2+Ar混合氣。窄間隙CO2氣體保護焊兼顧了CO2氣體保護和窄間隙焊二者的長處，但飛濺率高是其最大的問題，人們一直在尋找降低CO2氣體保護焊飛濺率的方法。表面張力過渡（Surface Tension Transfer，STT）技術極大地降低了氣體保護焊的飛濺率，使純CO2氣體保護焊在NG-W中的應用成為可能[3,4]。另外，藥芯焊絲的使用極大地抑制了CO2氣體保護焊接過程中的飛濺。藥芯焊絲電弧焊（Flux-Cored Arc Welding，FCAW）在純CO2保護下，電弧和熔滴過渡穩定、熔敷效率高、焊縫成形良好，用于NG-W具有側壁熔合良好、單道焊無擺動即可實現窄間隙焊接的優勢。

但基于FCAW的窄間隙焊技術，繼承了SAW和GMAW的優點，但也遺傳了其缺點。一方面是脫渣問題，用較小間隙（如≤12 mm）單道焊接時，清渣十分困難，因而只能采用較大間隙（一般≥18mm），削弱了NG-GMAW的技術優勢；另一方面就是飛濺，主要是大焊接電流使其在熱敏感鋼和平焊除外的空間位置應用時受到了限制，而中小參數焊接時，FCAW極易產生大顆粒以及大顆粒與短路混合過渡，難以避免隨機產生的大顆粒飛濺，直接威脅到焊槍運行和送絲過程的可靠性。這些缺點成為NG-FCAW實際工程應用推廣的障礙。

NG-GMAW過程中，總存在著明弧條件下的熔滴過渡，因而不可避免地存在著飛濺。在常規GMAW工藝中，由于焊接坡口較寬大，飛濺對焊接過程可靠性的影響可很容易地控制到最小。然而在NG-W時，插入式焊槍離側壁的距離很小，隨機產生的大顆粒飛濺若焊合到側壁上，則可能導致焊槍移動卡死或短路的危險；導電嘴末端的飛濺聚集有可能導致送絲中斷，并破壞氣保護效果。盡管通過保護氣氛和焊接參數的合理選擇，可使飛濺降到較低水平（如3%左右），但對可靠性要求極高的窄間隙焊接而言，現有技術水平還不能完全排除飛濺對焊接可靠性的影響，這也許是NG-GMAW技術投入開發、研究最多，而商品化推廣應用卻較少的根本原因之一[5-7]。

2.2 窄間隙鎢極氬弧焊技術

NG-GTAW最早應用是在20世紀70年代初，超高強度鋼等熱敏感材料的應用促進了NG-GTAW的研發。但由于鎢極載流能力低，熔敷效率不高，應用領域較窄，因此一般被用于打底焊及重要結構焊接中。

在實際生產中，為了提高熔敷效率，多采用熱絲GTAW。與NG-SAW相比主要有以下特性。

1）非熔化電極、無焊接飛濺、焊接過程穩定，易實現焊接熱輸入精確控制以及全位置焊接。

2）焊接熱輸入低和無氧氣氛有利于獲得高質量焊接接頭，非常適用于高強鋼、高合金鋼、不銹鋼及鈦合金等材料焊接。

在現有的各種N G-W技術中，若進行綜合評價，則NG-GMAW是相對更優越的技術：從焊接生產率上看，NG-GMAW具有與NG-SAW接近的較高熔敷率，且成倍地高于NG-GTAW；從空間位置上看，NG-GMAW可以全位置焊接；另外，NGGMAW熱輸入范圍寬且很低，使其特別適用于低合金高強鋼、超高強鋼等對熱輸入比較敏感材料的焊接，可降低HAZ損傷。

窄間隙氣體保護焊接工藝技術特點見表1。

表1 窄間隙氣體保護焊接工藝技術特點

目前，隨著電弧物理和弧焊控制技術的進步，NG-GMAW飛濺控制技術必將向更理想的目標發展，隨著研究的不斷深入，出現了諸如STT、CMT Cold Metal Transfer，CMT）等無飛濺的焊接工藝。

2.3 窄間隙激光焊接技術

激光焊接技術由于具有能量密度集中、熱影響區窄、焊后變形小等特征，被廣泛應用于工業制造中。特別近年來，隨著激光功率的不斷增大和成本的降低，大功率激光焊接技術獲得了越來越多的工程應用，并應用于厚壁結構窄間隙焊接[8-11]。為了最大限度地減小坡口尺寸，充分利用激光束能量密度高的優勢，大鈍邊窄間隙激光焊接工藝（Narrow Gap Laser Welding，NG-LW）結合了窄間隙焊接技術與激光焊接技術的優勢，可以實現超窄間隙、低熱輸入焊接[12-15]。

為了克服傳統窄間隙激光焊接過程中側壁未熔合的問題，光束擺動技術被引入到NG-LW中，即激光束按照一定路徑在坡口內擺動，增加熱源作用范圍，并有效加熱坡口側壁，實現側壁熔合，同時能夠實現多層單道焊接，提高了生產效率和接頭性能，窄間隙擺動激光焊接技術具有很好的應用前景。但激光焊對厚壁件裝配的高要求和熔敷效率低等問題限制了NG-LW的工程應用。

擺動激光焊接技術自實現以來，激光擺動設備逐漸由機械擺動發展為振鏡系統。

1）機械擺動機構：使用CNC數控機床控制激光擺動，研究光束擺動對氣孔的抑制作用[16]。雖然機械裝置控制激光束擺動的研究取得了一定的成果，但存在擺動頻率低、穩定性差等缺點。

2）電動動楔形鏡片擺動機構：借助光束透過楔形鏡片發生折射的現象，通過電動機帶動鏡片的旋轉實現激光束的擺動，如IPG公司生產的D30/D50激光擺動焊接鏡頭，具有光束擺動精度、擺動頻率高的特點，促進了擺動激光焊接的發展，但擺動模式較為單一，限制了在工業上的應用[17]。

3）振鏡擺動機構：通過兩個伺服電動機控制鏡片擺動，進而控制入射激光的擺動，使激光光路發生偏轉，之后經聚焦鏡組聚焦，使其聚焦到設定的位置，從而實現激光束擺動路徑的加載，如Trumpf公司生產的可編程聚焦鏡組，擺動速度可達1000mm/s，且可以進行激光束的快速定位和切換，實現激光擺動的高質量焊接[18,19]。

NG-LW過程中，通過設置幅度、頻率、速度或模式等擺動參數可擴大間隙適應性，調控熔池金屬的流動狀態，抑制氣孔產生，改變焊接熔池形貌和尺寸，抑制凝固裂紋，改變晶粒生長行為，實現可靠側壁熔合，獲得高質量接頭[20-22]。盡管NG-LW可以獲得高質量接頭，但其與NG-GTAW一樣，存在熔敷效率低的問題。

3 窄間隙氣體保護焊接關鍵技術

與工程應用已經非常成熟的NG-SAW相同，側壁熔合、焊縫跟蹤也是窄間隙氣體保護焊接的關鍵技術難點。除此之外，焊接過程穩定性和過程監控也是決定實現高質量、高可靠性窄間隙焊接的重要技術因素。

3.1 低飛濺、低熱輸入焊接工藝

窄間隙氣體保護焊接過程中是明弧焊接，而在深而窄的坡口內明弧焊時，焊接飛濺對工藝可靠性影響極大。當飛濺聚集到噴嘴端口和導電嘴出口處時，會影響氣體保護的效果和送絲的穩定性；若黏合或焊合在側壁上，將直接導致焊槍在坡口內移行困難甚至短路，從而造成焊接缺陷甚至焊接失敗。另外，對一些熱輸入敏感的高性能材料焊接時，采用低熱輸入焊接工藝以降低其對母材的熱損傷，是保證接頭性能的重要措施。因此，低飛濺、低熱輸入的焊接工藝是優質高效窄間隙氣體保護焊接的工藝基礎。

以前，國內外研究人員從控制熔滴過渡方面對抑制焊接飛濺做了很多有益的工作，結合焊接過程控制技術開發了一些先進的焊接技術，如STT、CMT等低飛濺與低熱輸入焊接工藝；另外，通過調控保護氣氛獲得穩定的熔滴過渡模式，如在富Ar氣氛（Ar+10%～20%CO2）全射流過渡或射流/短路混合過渡。

焊接低熱輸入往往會造成熔敷效率低的問題，因此對于窄間隙熔化極氣體保護焊接工藝，在保證不增加焊接損傷的條件下，如何提高熔敷效率也是亟待解決的問題之一。

3.2 窄間隙氣體保護焊接側壁熔深控制

在NG-W條件下，電弧軸線基本與坡口側壁平行，電弧也難以直接加熱熔化側壁，從而造成側壁熔合可靠性差的問題，并且熱輸入越低，側壁未熔合的問題越突出，是目前窄間隙氣體保護焊接技術中最大的技術難點[23]。

電弧偏轉方法如下。

（1）電弧偏轉 為了實現電弧直接加熱熔化側壁，達到可靠熔合，各種實現電弧偏轉的焊絲擺動、焊槍擺動等技術措施被開發出來[24]。主要有以下幾種方法：

1）采用雙絲分別偏向兩側壁（見圖1a）。

2）焊槍在坡口內偏擺（見圖1b）。

3）焊絲端部彎曲并軸向旋轉（見圖1c）。

4）采用波浪焊絲（見圖1d）[1,25]。

5）采用麻花焊絲（見圖1e）。

圖1 部分電弧偏擺方法

6）采用螺旋送進焊絲。

7）偏心旋轉。

8）在交流波形上疊加脈沖。

9）旋轉射流過渡。

對NG-GMAW來說，主要是利用電弧擺動使電弧直接加熱熔合側壁。在平焊中，為了使I形坡口的兩側壁充分熔合，多采用焊絲彎曲、焊絲垂直焊接方向擺動、麻花狀焊絲以及交流弧焊等方法，使電弧偏轉直接加熱熔化坡口側壁，取得了不錯的效果。在橫焊中，為了防止I形坡口內液態金屬下淌，一般利用焊接電流周期性變化，使焊絲擺動或將坡口分成上下層焊接，以及將各種方式組合起來的焊接方法，從而得到均勻的焊道。

在立焊中，為了保證坡口兩側焊透，一般采用擺動焊絲焊接以及焊接電流與焊絲擺動同步變化的焊接方法來保證焊縫成形良好。

而NG-GTAW不僅克服了普通TIG焊接效率低的缺點，而且具備了熔化極氣體保護焊接工藝方法所不具備的特征。NG-GTAW不僅可以實現薄板焊接、壓力管道全位置焊接，而且焊縫成形好、焊接質量高。NG-GTAW中，有在送進焊絲中通入直流電產生偏向焊接方向的磁場焊接，也有采用熱絲低頻脈沖電流NG-GTAW立焊或橫焊焊接。此外，為了防止因向填絲中通電而引起磁偏吹，一般采用周期性增減焊接電流，并在焊接電流降低瞬間填絲通電的焊接方法來克服磁偏吹的不利影響。

（2）電弧旋轉 除了是電弧偏轉外，旋轉電弧是窄間隙焊接工藝中一種常用的用來解決側壁熔合的方法。如江蘇科技大學王加友等[26]采用偏心導電嘴實現了窄間隙焊接過程中電弧的高速旋轉，如圖2所示。研究結果表明，電弧旋轉明顯地改善了焊縫側壁熔深，避免了指狀熔深的出現，從而有效地防止了未熔透、裂紋和氣孔等一般窄間隙焊常見缺陷的出現；多層焊時層與層之間熔合良好，側壁熔深足夠，并沒有出現未焊透等焊接缺陷，焊縫表面成形美觀（見圖2c）。

圖2 高速旋轉電弧窄間隙焊接工藝原理和焊縫成形

旋轉電弧法是通過一種驅動裝置將電弧強制旋轉起來的方法，對坡口精度和焊接參數要求嚴格，導致導電嘴磨損以及焊絲盤卷本身的翹曲彎折造成焊絲不規則擺動等問題，但由于焊槍自動對中控制是一個極為重要的條件，需要精準的焊縫跟蹤。

（3）非均勻壓縮電弧 電弧是一種可壓縮的“彈性導體”，因此可以通過如熱壓縮、電磁調控等各種措施對電弧形態進行調控，以實現對側壁的可靠熔合。

在窄間隙氣體保護焊接時，坡口本身對焊接電弧有一定的機械壓縮，保護氣體對電弧進行強制冷卻壓縮，使電弧的能量密度大大增加，同時狹窄坡口內電弧向空氣輻射的熱損失較小，電弧的熱效率增加，電弧區的溫度顯著提高；進一步對焊接電弧進行合理的非均勻壓縮，得到需要的電弧形狀及在坡口內的加熱面積，可以使兩側壁獲得充分加熱，從而實現均勻熔合。

張富巨等[27,28]設計非均勻壓縮扁平形噴嘴以實現電弧的非均勻壓縮，如圖3所示。兩種型號噴嘴與圓柱形噴嘴對焊縫熔寬影響比較見表2。

圖3 非均勻壓縮扁平形噴嘴

表2 噴嘴對焊縫熔寬的影響

研究結果表明，非均勻氣流對電弧的壓縮作用很明顯，在扁平形噴嘴平行于焊接方向時熔寬增長較大，而在垂直于焊接方向時熔寬減小，并且噴嘴兩側噴氣通道對電弧壓縮作用具有一定的影響，噴出氣流的挺度越大，對電弧的壓縮作用越強，電弧對側壁的加熱力度更大。

（4）磁控電弧偏轉 在焊接電弧上外加磁場，從而使電弧在電磁力作用下，在磁力線的法平面內偏轉磁場，能夠使電弧偏轉為窄間隙氣體保護焊中坡口側壁熔合控制提供了一個新的思路。以前采用波浪形和麻花形送絲等強制彎絲，以及機械強制旋轉電弧等都是從送絲方面強制電弧偏轉，而韓國NA等[29]在平行焊接方向上將一個縱向磁場施加在電弧基于電磁效應實現了NG-W過程中電弧柔性偏轉，如圖4所示。電弧振蕩有振蕩頻率和振蕩寬度兩個參數。振蕩寬度依賴于施加電磁場的磁通密度、焊接電流和弧長，磁通密度越大，電弧偏轉角度越大，如對于寬度為10mm的坡口，在25Gs（1Gs＝10-4T）的磁通密度下，電弧振蕩效果不明顯，在75Gs卻出現咬邊，而在50Gs下，電弧振蕩到坡口的角落里，獲得可靠側壁熔合，如圖5a、c所示；坡口寬度越窄，相同磁通密度下越容易出現振蕩電弧的側壁黏連，如圖5b所示。

圖4 基于電磁電弧振蕩的窄間隙焊接

圖5 窄間隙焊接過程中弧柱旋轉圖像

3.3 工藝參數對側壁熔合的影響

除了采用電弧偏轉直接加熱熔化側壁、保證窄間隙焊接側壁熔合質量之外，如焊接熱輸入、熔滴過渡模式及焊接參數等工藝條件對側壁熔合質量也具有重要影響。

（1）焊接熱輸入 一般在低熱輸入參數下電弧作用區域變窄，對側壁加熱作用減弱，因此在一定的低熱輸入范圍內，熱輸入越高，側壁熔合越好，出現側壁未熔合缺陷的概率也越小。隨著電弧高能區變窄，只有保持相對穩定的電弧作用位置，才能使電弧對側壁進行充分加熱。因此，側壁熔合情況會隨著熱輸入減小而對電弧作用位置變得更加敏感。

（2）熔滴過渡 有關研究表明，連續旋轉噴射過渡可有效地增大焊縫熔寬，提高焊接熔敷速度，改善角焊縫與窄間隙焊的焊縫成形以及對焊件裝配間隙不敏感等優點，因此旋轉噴射過渡可以用于窄間隙焊接改善側壁熔合。西北工業大學研究人員通過對比脈沖軸向噴射過渡與脈沖旋轉噴射過渡窄間隙焊接電弧形態和焊縫成形，發現在脈沖軸向噴射過渡時，鐘罩形電弧弧柱爍亮區內、在焊絲末端尖液錐下沿焊絲軸線有一條由細小熔滴過渡所造成的淡黑線熔滴過渡軌跡；而在脈沖旋轉噴射過渡時，焊絲末端細長液錐的旋轉噴射過渡和電弧發生偏轉，使弧柱的爍亮區成為角錐形，如圖6所示。采用脈沖旋轉噴射過渡焊接時，電弧過程穩定，可保證獲得良好的焊縫成形，焊縫側壁熔深明顯大于軸向噴射過渡的焊縫，且未發現氣孔、裂紋等缺陷[30]。

圖6 窄間隙焊接電弧熔滴過渡形態示意

3.4 窄間隙氣體保護焊接焊縫跟蹤

焊縫自動跟蹤技術作為窄間隙焊接的關鍵技術之一，很大程度上決定著窄間隙焊接的質量。焊縫跟蹤就是以電弧相對于坡口中心（或坡口兩側壁）的位置偏差作為被調節量，焊槍位移量作為操作量，使焊槍始終沿著焊縫運動的閉環系統。當偏差發生時，能自動檢測這一偏差，然后經放大、執行機構調整焊槍位置。

（1）窄間隙氣體保護焊接焊縫橫向跟蹤 在焊接過程中，焊縫跟蹤系統有效獲得坡口中心軌跡的相對變化后，快速準確地調節焊槍與坡口中心對正，是關系到窄間隙焊接質量的一個關鍵問題，也是焊接自動化技術發展中的一個研究熱點。電弧（或焊槍）相對焊接坡口的精確位置控制是確保窄間隙焊接質量的關鍵環節，而目前由于在窄間隙焊接中電弧與側壁的距離是保證側壁熔合質量的重要因素，因而電弧對坡口側壁的跟蹤就變為焊槍對坡口距離的跟蹤。

焊接跟蹤控制的難點在于電弧位置的精確檢測。由于焊接工藝、接頭形式、坡口加工與裝配精度等工藝條件千差萬別，焊接過程中又有強弧光輻射、強電磁場、高溫及飛濺等干擾，使得電弧位置的檢測極其困難。目前，已提出的檢測方法有電弧式、接觸式、電磁式、光電式等，其中視覺傳感是研究得最多且極具應用潛力的電弧跟蹤傳感方 法[31-34]。

視覺傳感采用的CCD、CMOS攝像機光譜響應范圍很寬（380～1100nm），圖像點陣精度高，且失真小、靈敏度高，在光電檢測方面具有其獨特優勢。在弧焊自動跟蹤過程中，視覺傳感的跟蹤對象可以是輔助圖像、電弧及熔池熱場，具有信息豐富的特點[35-39]。盡管視覺傳感焊縫跟蹤具有非接觸、響應速度快等特點，但是弧光對檢測信號的干擾是視覺傳感最大的問題，并且很難克服，一般通過選用合適的背景濾光等弧光抑制措施，以削弱輻射極強的弧光影響。

機械式焊縫跟蹤則可以有效克服焊接過程中弧光的干擾，也是NG-SAW焊縫寬度檢測應用最成熟的方法。如常用的旋轉電位器作角位移傳感器的接觸式焊縫寬度檢測傳感器，根據電壓差符號判斷偏轉方向，并根據電壓差大小與預先設定的窗口閾值比較，來判斷是否要調節焊槍位置[40,41]。

除此之外，基于弧長變化的電弧傳感系統也是焊縫寬度檢測的方法之一。如韓國NA等[29]則在電磁振蕩電弧窄間隙焊接過程中分析并根據弧長的特征實現了基于電弧的焊縫跟蹤。而天津工業大學李亮玉等[42]則針對脈沖NG-GMAW，從經過均值濾波后采集的電流信號中提取每一個脈沖周期的峰值電流（見圖7），計算焊槍在左右極限位置遠離側壁時的峰值電流變化率，得到焊槍偏差量，將其發送給焊槍擺動糾偏控制系統，控制焊槍糾偏，實現焊縫跟蹤控制，有效提高了脈沖NG-GMAW過程中電弧傳感的靈敏度。

圖7 NG-W過程中電弧傳感跟蹤電流波形

窄間隙視覺傳感焊縫跟蹤在超厚結構窄間隙焊接過程仍需要進一步研究解決弧光抑制、提高跟蹤可靠性等問題。而接觸式焊縫寬度跟蹤一直是窄間隙焊接焊縫跟蹤應用的主要跟蹤方法，但在超窄間隙焊接過程中仍然面臨跟蹤接觸頭超小型化、耐磨等問題。

（2）窄間隙氣體保護焊焊槍高度跟蹤 對焊槍高度進行監控以保證電弧弧長的穩定性，也是保證窄間隙焊接質量的重要方面。在焊接過程中，高度跟蹤主要是基于對電弧監測而進行的。電弧傳感器具有非接觸、實時、穩定、價格低廉、可達性好等優點，已在弧焊跟蹤領域引起廣泛重視，不少應用研究已從試驗室轉向工業應用。電弧傳感器可分為焊接電流傳感、電弧電壓傳感兩種方式，其中電流傳感方式應用較多。

采用STT焊接電源及其配套的送絲機構、在相同焊接條件下焊槍高度與焊接電流和電弧電壓平均值之間的關系，如圖8所示[43-47]。電壓信號平均值反映焊槍高度具有正相關、單調上升的對應關系，且信號再現性好、靈敏度高，隨著焊槍高度的增大，電壓信號對高度變化的靈敏度稍有降低。而電流信號反映高度變化的規律不很明顯，信號分散，再現性差，電流信號與高度呈負相關關系，依此建立的系統穩定性差。

圖8 焊槍高度與焊接電流、電弧電壓平均值的關系

以電弧電壓平均值為電弧傳感器的檢測信號，采用經典PID控制策略建立的焊槍高度實時調控系統對典型階躍、斜坡輸入信號具有穩定可靠的響應，如圖9所示[43，48]。對平直和斜坡信號，系統調節精度較高；在臺階處，系統響應速度相對較慢，存在一定超調；但對±5 mm以內的臺階及＜±0.2mm/mm以內的斜坡形焊道，跟蹤精度和靈敏度基本上都能夠滿足實際工程的需要。

圖9 焊縫跟蹤系統對典型階躍、斜坡輸入信號的響應

采用電弧電壓平均值表征焊槍高度，在一定程度上可以起到抑制采樣區間內熔滴過渡頻率的正常波動對跟蹤穩定性的影響。但當送絲速度發生異常波動時，電弧電壓平均值也將出現異常波動，導致跟蹤系統失控。因而采用電弧電壓平均值作為焊槍高度跟蹤檢測信號仍然存在一定的異常干擾風險。

在焊接過程中，異常干擾主要表現為：飛濺聚集且堵塞在導電嘴端部引起的送絲不穩定、焊絲黏連以及導電嘴堵塞等問題，都會造成熔滴過渡（如短路過渡）異常，使得電弧電壓信號不能真實地反映焊槍的高度。在短路過渡模式下，短路頻率是電弧穩定與否的一個重要指標，系統依靠電弧的自調節作用來消除輕微干擾的影響。只有存在上述異常干擾時，系統不能靠自身調節作用消除其影響，短路頻率才會大幅度地降低，且低于正常短路頻率值，此時應避免對跟蹤系統進行調節，否則系統容易失控。因此，采用短路頻率統計的方法可以防止異常干擾引起的系統失控，提高焊縫跟蹤系統的抗干擾性能。

（3）窄間隙氣體保護焊接焊縫跟蹤精度 準確可靠地實現焊縫跟蹤是一切跟蹤系統追求的目標之一，然而一切跟蹤系統都必然存在各種類型的誤差，因此怎樣減少跟蹤誤差、實現高精度窄間隙焊縫跟蹤也是焊接自動化技術研究方向之一。

窄間隙焊縫跟蹤的誤差主要包括執行機構調節誤差、傳感導前誤差、弧光干擾誤差等[49，50]。

1）執行機構調節誤差：驅動電動機與螺桿等機構之間的配合往往存在一定的間隙，從而帶來一定的調節誤差。目前，降低執行機構調節誤差的主要措施如下。

第一，步進電動機輸出轉軸與絲桿之間連接不發生相對角位移。

第二，絲桿與螺母之間配合間隙足夠小，以保證焊槍由某方向反向調節時產生的誤差在可以忽略的范圍內。一般可以在絲桿與移動螺母間加設一個預緊彈簧來減小配合間隙。

第三，采用更精確的滾珠絲桿傳動、加設數碼器等措施改進執行機構等。

第四，軟件上，可在跟蹤控制程序中通過定義一函數，在計算輸出調節量時把反向調節時耦合間隙量疊加進調節量中。

2）傳感導前誤差：傳感導前誤差的大小與導前距離及中心軌跡的變化情況有關，如坡口中心軌跡為直線時，則不存在導前誤差；但當坡口中心線由直線向曲線以及不同曲率的曲線過渡時，亦即只要傳感器和焊槍兩點不同時處于同一曲率的中心軌跡上，則均存在著導前誤差，且二者的曲率半徑相差越大，導前誤差也越大[51]。

為減小傳感導前誤差，應采取使焊接坡口棱邊的直線度精度盡可能高、控制焊接殘余變形盡可能小等措施。當然，也可通過軟件來消除導前誤差，即導前檢測、滯后調節。

3）弧光干擾：在焊接過程中，強烈的弧光對視覺傳感跟蹤精度具有很大影響。強烈弧光干擾會使視覺傳感器發生飽和現象和使坡口棱邊內外的灰度差減小，圖像二極性特征減弱，坡口邊緣識別變得困難。有研究表明，在接收光路中采用峰值波長為0.6～0.7μm的干涉濾光片，加上防熱玻璃，可有效地抑制弧光干擾，如在CCD鏡頭前方加上一組組合鏡片（見圖10），還可加偏振片進一步削弱弧光從工件表面反射產生的干擾[52]。

圖10 復合濾光系統結構

除上述因素外，凡是影響到坡口中心軌跡檢測精度和輸出調節精度的因素都將影響跟蹤精度，因而同樣視為誤差因素。例如：始焊位置給定的焊槍幾何中心與坡口中心重合偏差，是一種系統誤差，一旦焊前存在，焊接過程中將不能自動消除。

4 窄間隙氣體保護焊存在的問題及其解決措施

4.1 高質量和高效率的平衡

近些年，隨著高合金鋼、高強度鋼等對焊接熱輸入敏感的材質厚壁結構在海洋工程、船舶、重型壓力容器等行業應用的越來越多，高質量（低熱損傷、低應力變形、可靠側壁熔合、無層間未熔合及夾渣等缺陷）、高效率（高焊接速度、高熔敷效率）一直是這類高性能材質厚壁及超厚結構窄間隙焊接技術研發努力的方向，二者卻又很難兼顧。如高熔敷效率的NG-SAW由于熱輸入大而對厚壁構件具有較大的熱損傷、較高的殘余應力；高質量的NG-GTAW及NG-LW因熱輸入低而容易獲得低熱損傷、低應力變形接頭，但由于鎢極載流能力有限或加熱區域小而造成熔敷效率較低，降低了焊接效率。為了穩定GMAW過程，利用激光對GMA（Gas Metal Arc，GMA）的穩定作用，將激光+GMA復合熱源應用于NG-W，具有一定效果，但仍有進一步減小坡口寬度、降低焊接熱量輸入和焊縫金屬填充量的空間。目前，尋求高效率和高質量良好平衡的優質高效NG -W工藝是國內外焊接科研人員一直努力的目標。

4.2 激光及激光+電弧復合熱源窄間隙焊接

能夠獲得高質量接頭的擺動激光窄間隙焊接與NG-GTAW相同，存在熔敷效率較低的問題。而激光+電弧復合熱源焊接以激光焊與電弧焊優勢互補、過程穩定等特點，一直是近年來國內外焊接技術研發的熱點之一，并且在厚板焊接中具有很大發展潛力。將激光+GMA復合熱源焊接引入窄間隙焊接領域，發揮兩者的技術優勢、開發激光+電弧復合窄間隙焊接新工藝，可以有效地彌補NG-LW的不足，提高焊接熔敷效率，能夠提升大厚度結構焊接成形制造水平。如20mm厚的AISI304L不銹鋼板窄間隙焊接，激光+電弧復合熱源焊接僅需4層填滿，而填絲激光焊接則需要5層，復合熱源焊接顯示出更高的生產效率[53-57]。

國內外研究表明，激光+GMA復合熱源窄間隙焊接技術繼承了NG-LW和NG-GMAW的優點，但又由于激光與電弧間相互穩定作用而彌補了彼此的缺點，可以在低熱輸入條件下大幅度提高熔敷效率，很好地實現了窄間隙焊接高質量與高效率的平衡，在厚壁及超厚構件高效、低熱輸入、低應力變形、低熱損傷和高熔敷效率焊接方面表現出了很好的技術優勢和巨大的工程應用潛力。

5 窄間隙焊接技術應用現狀

作為一種高質量、高生產效率、低生產成本成形制造技術，NG-W在技術上對厚壁結構焊接有極大優勢；從經濟效益上，板厚越大，NG-W技術的低成本優勢越顯著，經濟效益也就越明顯，目前我國工程焊接最大厚度已達660mm，也是世界上焊接最大厚度。各種窄間隙焊接技術應用的最大厚度如圖11所示。

圖11 窄間隙焊的應用板厚范圍

到目前為止，NG-W技術在厚板焊接領域的推廣應用主要在重型工業領域進行的，其具體分布狀態見表3。

表3 窄間隙焊接方法在行業中應用狀況

（1）壓力容器和鍋爐 NG-W技術在壓力容器和鍋爐行業應用最廣，約占半數，其中70%為熔化極氣體保護焊，其余30%為埋弧焊。在壓力容器中，NG-W多用于筒體縱縫和環縫、封頭的對接、接管與入孔圈的嵌入焊接接頭等。在鍋爐中，NG-W可用于焊接大直徑支管接頭。另外，對于要求嚴格的核電反應堆鍋爐壓力容器，其主要接頭幾乎全部采用窄間隙焊接方法。

（2）重型機械 在重型機械行業，大量采用100～200mm板厚甚至更厚的金屬結構，如8萬t水壓機主壓力缸筒厚度達660mm，所采用的焊接成形制造工藝幾乎都是NG-SAW或NG-GMAW。特別是，NG-GAW以其相對較低的熱輸入，更適合對熱輸入敏感材質的厚壁結構焊接。

（3）海洋結構和船舶 近幾年，世界各國在近海的石油、天然氣開采中，廣泛地使用大型海洋結構。在大型海洋結構制造中（采油平臺），使用超過100mm的厚鋼板越來越多，而且焊接質量要求很高。因此，高質量、高效率的窄間隙焊接成為海洋工程和船舶領域很有前途的焊接成形制造方法。

（4）壓力管道及石油石化裝備 隨著壓力管道的大型化，大量采用大直徑、大厚度高強度鋼管。過去手工焊接的壓力水管傾斜部分或垂直部分的環焊縫（全位置焊或平焊），現在已采用U形坡口的氣體保護窄間隙焊接。

鉆鋌是石油鉆井作業中最重要的鉆具組合之一，屬于小直徑厚壁管，低熱輸入的窄間隙焊接技術是鉆鋌重要的修復技術[58]。此外，石油石化裝備中厚壁結構也大量采用NG-W技術制造。

隨著控制技術、信息技術的進步，在GMAW領域開發出來的許多新工藝、新設備、新裝置、新器材以及工業技術水平的不斷提高，都為窄間隙焊接的技術進步提供了新思路、新途徑和新技術儲備。相信不久的將來，更高效率、更高質量、更低成本、更可靠、更實用化的窄間隙焊接技術還會不斷涌現出來，將加快NG-W技術在裝備制造厚壁結構焊接成形制造中的推廣應用。

6 結束語

1）隨著對熱輸入敏感的高性能材質的厚壁窄結構越來越多，窄間隙氣體保護焊接技術在降低焊接熱輸入、實現低熱損傷焊接成形制造方面具有明顯的技術優勢。

2）低熱輸入、無飛濺穩定可靠的熔化極氣體保護焊接工藝（包括復合熱源焊接工藝）是窄間隙氣體保護焊接技術應用推廣的工藝基礎，也是未來窄間隙焊接技術研發的方向之一。

3）準確焊縫跟蹤和可靠側壁熔合是窄間隙氣體保護焊接技術質量的保證，也是窄間隙焊接過程控制必須解決的兩個問題。

4）激光+GMAW復合熱源窄間隙焊接技術不僅具有NG-LW的低熱輸入和NG-GMAW的高熔敷效率的優勢，還由于激光與電弧的相互作用而穩定GMAW過程、有效抑制其飛濺的發生，是解決窄間隙焊接高質量與高效率平衡的有效工藝，極具工程應用潛力。