新型焊接工藝研究

龔愛民

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對結(jié)構(gòu)和材料的要求越來越高，焊接技術(shù)是工業(yè)工程和材料科學(xué)發(fā)展中的一種很關(guān)鍵的技術(shù)。隨著材料學(xué)的發(fā)展和焊接條件要求的提高，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代化的焊接需求。本文簡單介紹了傳統(tǒng)的焊接工藝分類，主要分析了新型的焊接技術(shù)水下焊接，并對它的特點和未來發(fā)展趨勢作了詳盡的分析。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)焊接；自動焊；水下焊接；工藝簡介；發(fā)展趨勢

當(dāng)前優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的現(xiàn)代焊接技術(shù)正逐步取代能耗大、效率低和工作環(huán)境差的傳統(tǒng)焊條電弧焊焊接工藝，焊接技術(shù)結(jié)構(gòu)性的轉(zhuǎn)變必將對裝備制造業(yè)技術(shù)水平與生產(chǎn)能力的提升發(fā)揮更加重要的作用。

1 傳統(tǒng)焊接工藝簡介

傳統(tǒng)上焊接更多地被認為是一種技藝而不是技術(shù)性很強的制造方法。很多傳統(tǒng)焊接方法嚴重依賴于操作人員的熟練程度，還有很多傳統(tǒng)焊接方法相對生產(chǎn)成本較高而且工藝重復(fù)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(fù)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(xiàn)象有了更深入的了解，這些研究為焊接工藝技術(shù)的飛速發(fā)展提供了科學(xué)基礎(chǔ)。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(tài)，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(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。為了提高焊接質(zhì)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(yōu)質(zhì)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(chǎn)生必要的塑性變形，實現(xiàn)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(shù)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?zé)龘p，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(wèi)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(qū)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(yōu)質(zhì)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(tài)釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現(xiàn)原子間的相互擴散，從而實現(xiàn)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(cè)在焊接時會受到焊接熱作用，而發(fā)生組織和性能變化，這一區(qū)域被稱為熱影響區(qū)。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(qū)可能產(chǎn)生過熱、脆化、淬硬或軟化現(xiàn)象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調(diào)整焊接條件，焊前對焊件接口處預(yù)熱、焊時保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質(zhì)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(fù)雜，并且會出現(xiàn)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(chǎn)生的氣泡影響，嚴重妨礙了潛水焊工技術(shù)的正常發(fā)揮。另外，水的熱傳導(dǎo)系數(shù)較高，約為空氣的20倍左右。在濕法焊接時，往往易出現(xiàn)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(nèi)的一個較大范圍內(nèi)的水人為地排開，使?jié)撍腹つ茉谝粋€干的氣相環(huán)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(yù)熱或焊后熱處理的材料，或質(zhì)量要求很高的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(qū)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(wěn)定存在，因而使電弧穩(wěn)定，如圖8-1所示。要使焊條在水下穩(wěn)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(zhì)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(chǎn)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(wěn)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(yīng)用最多，但安全性最差。由于水具有導(dǎo)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(qū)域的水人為地排開，形成一個較小的氣相區(qū)，使電弧在其中穩(wěn)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(zhì)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(yīng)性明顯增大。它綜合了濕法和干法兩者的優(yōu)點，是一種較先進的水下焊接方法，也是當(dāng)前水下焊接研究的重點與方向。

3 未來發(fā)展趨勢

未來水下焊接技術(shù)主要朝著智能化和自動化方面發(fā)展。自動化體現(xiàn)在軌道焊接系統(tǒng)和水下焊接機器人系統(tǒng)，焊接過程自動監(jiān)控，焊接質(zhì)量好，節(jié)省工時，而且減輕潛水員的工作強度是目前的發(fā)展方向。自動化的應(yīng)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(tǒng)。它采用模塊結(jié)構(gòu)，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(fā)展的水下焊接機器人系統(tǒng)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(zhì)量。水下爬壁焊接機器人系統(tǒng)在激光裝置的引導(dǎo)下可更加靈活地實現(xiàn)焊縫和缺陷的檢測與控制，并有利于焊接質(zhì)量的提高。由于水深的影響，送絲系統(tǒng)是水下焊接的一個難點，一種新型高可靠性的水下翻轉(zhuǎn)和送絲反饋系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。

4 總結(jié)

未來的焊接工藝，一方面要研制新的焊接方法、焊接設(shè)備和焊接材料，以進一步提高焊接質(zhì)量和安全可靠性，如改進現(xiàn)有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運用電子技術(shù)和控制技術(shù)，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(xiàn)程序控制、數(shù)字控制；研制從準(zhǔn)備工序、焊接到質(zhì)量監(jiān)控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產(chǎn)線上，推廣、擴大數(shù)控的焊接機械手和焊接機器人，可以提高焊接生產(chǎn)水平，改善焊接衛(wèi)生安全條件。

參考文獻

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