窄間隙電弧焊接質(zhì)量的控制研究

顏 敏，李遠(yuǎn)遠(yuǎn)

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

窄間隙焊接技術(shù)始于1963 年，由美國巴爾特研究所（Battelle）最先開發(fā)和使用，其主要是采用了寬度較小的I 型坡口，坡口寬度通常為8mm～10mm。由于窄間隙焊接具有焊接效率高、經(jīng)濟(jì)性好、可獲得機(jī)械性能優(yōu)良且變形較小的焊接接頭等優(yōu)點(diǎn)，該焊接方法受到了各國諸多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。根據(jù)窄間隙焊接[1]-[3]在采用的焊接方法時(shí)的區(qū)別，可以將其分為窄間隙鎢極電弧焊（NG-TIG）、窄間隙熔化極電弧焊（NG-MIG/MAG）、窄間隙埋弧焊（NG-SAW）。

由于窄間隙焊接主要應(yīng)用于厚板結(jié)構(gòu)件的焊接，并且焊縫窄又深，因此，對(duì)于焊接質(zhì)量的控制存在如下難點(diǎn)：

（1）由于窄間隙焊接的焊縫是厚板之間不開坡口或只開小角度坡口而形成的焊縫，這樣的焊縫窄而深，為了確保焊縫的焊接質(zhì)量，對(duì)于焊接電弧的選擇、焊接電流、電壓等焊接參數(shù)的選擇是窄間隙焊接的難點(diǎn)之一；

（2）對(duì)于窄間隙焊接，由于主要針對(duì)厚板的焊接，為了實(shí)現(xiàn)焊接，通常采用多層、多道次的焊接方式，如何選擇焊道的焊層、道次的排布方式以保證多層、多道的焊接質(zhì)量是窄間隙焊接的難點(diǎn)之一；

（3）由于窄間隙焊接通常會(huì)用到焊接材料，為了保證焊接過程中的連續(xù)性和焊縫質(zhì)量，對(duì)于焊接材料的選擇、不管是對(duì)于窄間隙熔化極/非熔化極電弧焊的焊絲/焊條選擇、還是對(duì)于窄間隙埋弧焊電弧焊的焊劑選擇，都是窄間隙焊接的難點(diǎn)之一。

因此，如何保證窄間隙焊接的焊接質(zhì)量一直是各大院校和企業(yè)的重要研究方向，下面筆者主要通過對(duì)窄間隙焊接中的主要申請(qǐng)人的主要專利進(jìn)行了梳理和總結(jié)，以分析窄間隙焊接的焊接質(zhì)量影響因素，從而對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行控制，希望對(duì)以后的研究有所幫助和指導(dǎo)。

2 窄間隙焊接的質(zhì)量控制介紹

2.1 窄間隙焊接的焊接參數(shù)的控制

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S19950532191A），其通過在窄間隙焊接過程中，對(duì)于一個(gè)焊接周期中，采用第一電流、第二電流的分段電流進(jìn)行焊接，有效地用于通過降低由側(cè)壁處的不可接受的缺乏熔合缺陷引起的焊接廢品率來提高由常規(guī)手動(dòng)方法制成的焊接接頭的生產(chǎn)率。

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S20020112980A），其通過在熔化極氣體保護(hù)焊接中，向焊縫提供AC 電路，所述AC 電路具有負(fù)極和正極，并且所述AC 電路還具有至少60Hz 的頻率；采用一定頻率以提高焊接效率。

美國林肯公司提供了一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S201313832138A），針對(duì)高碳鋼進(jìn)行窄間隙焊接，通過向焊絲傳輸焊接電流；在焊絲線材上進(jìn)行低熱傳遞過程達(dá)預(yù)定的低熱持續(xù)時(shí)間，低熱傳遞到焊接接頭的根部處產(chǎn)生熔融熔池；在焊絲線材上執(zhí)行高熱傳遞過程達(dá)預(yù)定高熱持續(xù)時(shí)間，高熱傳遞過程產(chǎn)生爬升焊接接頭的側(cè)壁的電弧，提升焊接質(zhì)量。

美國通用公司提供了一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S19990285662A），采用激光、電弧兩個(gè)熱源同時(shí)加熱焊縫，激光束可以用于預(yù)熱熔融焊池之前的基材材料，從而預(yù)熱熔池附近的填充材料。電弧可以熔化填充材料和基底材料兩者，從而提高焊接質(zhì)量。

2.2 窄間隙焊接的焊槍結(jié)構(gòu)控制

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S20070652283A），其通過對(duì)焊槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，包括至少一個(gè)芯部的焊槍本體；從該至少一個(gè)芯部以一方向延伸的多個(gè)接觸末端；靠近該多個(gè)接觸末端布置的多個(gè)氣體供應(yīng)管，通過設(shè)置多個(gè)氣體供應(yīng)管，以保證窄間隙焊接過程中的焊接質(zhì)量和焊接效果，焊槍結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多氣路焊槍結(jié)構(gòu)

武漢納瑞格智能提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201610850671.6），其通過一種超長分段式窄間隙氣體保護(hù)焊焊槍，通過設(shè)置可分段的焊槍，保證了焊槍結(jié)構(gòu)的緊湊性、整體性；對(duì)高溫焊接區(qū)的氣保護(hù)效果優(yōu)異；可用于通用厚板、特厚板、超厚板任意板厚范圍下的窄間隙氣體保護(hù)焊焊槍，50mm～600mm 應(yīng)用下的所有焊槍均可高效完成制造，如圖2 所示。

圖2 分段窄間隙焊槍

2.3 窄間隙焊接的電弧的控制

西門子公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮镈E102012217669A），其熔化金屬窄間隙焊接，包括同時(shí)使用兩個(gè)電弧等離子引弧和熔化焊絲，并且供應(yīng)第三非等離子弧引弧焊絲，使得兩個(gè)等離子弧引弧焊絲的過程能量熔化第三焊絲，可以明顯提高焊接的熔化效率。由于較高的材料輸入，可以實(shí)現(xiàn)明顯較高的焊接速度并因此減少制造時(shí)間。如圖3所示。

圖3 多絲窄間隙焊槍

江蘇科技大學(xué)提出的一種窄間隙焊接技術(shù)（專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410282830.8），在TIG 焊接過程中，通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)電弧，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接，通過結(jié)合旋轉(zhuǎn)電弧和擺動(dòng)電弧的優(yōu)點(diǎn)，可以克服由加工誤差或裝配誤差引起的坡口變化帶來的側(cè)壁熔透問題，裝置簡單可靠，適用性強(qiáng)，如圖4 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)電弧焊槍

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S201213572880A），雙電弧裝置還為雙電弧裝置，并在焊接過程中結(jié)合激光焊接，相對(duì)于根部同時(shí)移動(dòng)第一電弧焊接裝置、第二電弧焊接裝置和激光焊接設(shè)備，以沿著所述根部焊道的長度形成全熔透焊縫，提高焊接效率。

美國林肯公司提出的一種窄間隙焊接系統(tǒng)（專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201580016580.6），用于焊接鋁和鋼，并在焊接過程中，使用一個(gè)激光裝置在待焊件表面上形成一個(gè)精確的熔融熔池，并且采用一根預(yù)加熱填充焊絲被熔敷到這些熔池中，該焊接過程的總?cè)鄯笏俾士梢栽跊]有顯著增加熱量輸入的情況下得到顯著增加，因此，能夠提高焊接質(zhì)量，如圖5 所示。

圖5 有預(yù)加熱焊絲的窄間隙焊接

2.4 磁場對(duì)窄間隙焊接的控制

圖6 示出了林肯公司提出的一種用于深坡口焊接的集成化保護(hù)氣體和磁場裝置以及焊接系統(tǒng)（專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201080062360.4），在后壁件焊接過程中，設(shè)置有磁場，使得磁探頭可以延伸到焊接間隙中，以向焊接電弧遞送磁場，使電弧發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，從而提高焊接質(zhì)量，如圖6 所示。

圖6 磁場輔助的窄間隙焊接

2.5 窄間隙焊接的焊縫填充物的控制

美國林肯公司提出的一種窄間隙焊接（專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S19980167463A），窄間隙焊接也通常應(yīng)用在鋼軌焊接，在鋼軌窄間隙焊接過程中，通過填充來自前進(jìn)的填充金屬電極的熔融鋼填充物以填充焊縫，從而保證了填充質(zhì)量，形成良好的焊縫。

3 結(jié)論

窄間隙焊接時(shí)，由于主要針對(duì)的為大厚板等部件，焊接難度較大，通過對(duì)窄間隙焊接過程中的焊接參數(shù)、焊接電弧、焊槍結(jié)構(gòu)、焊接材料進(jìn)行相應(yīng)選擇控制，選擇合適的參數(shù)及結(jié)構(gòu)，以改善焊接環(huán)境，以提高焊縫質(zhì)量；另外，為了提高窄間隙的焊縫質(zhì)量，還可通過接合其他熱源，如激光、或者結(jié)合磁場，以進(jìn)一步提高焊縫質(zhì)量。