窄间隙焊接技术发展与应用现状-ppt

清华大学机械工程系2015年5月窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制窄间隙焊接方法与应用焊缝成形影响因素窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制焊缝成形影响因素窄间隙焊接方法与应用厚板焊接中传统焊接方法不足背景随着现代工业日趋大型化的发展趋势，大厚度焊接结构件在工程中的应用愈发广泛，对焊接接头的性能要求也越来越高应用传统的大坡口多层多道MAG焊或埋弧焊等焊接方法：--焊接工程量将成倍增加--焊接生产率低--焊材消耗量大--生产成本高[1]--热输入量大--热影响区大--晶粒粗大--焊接接头力学性能差[2](a)窄间隙I型坡口(b)窄间隙U型坡口(c)普通单V型坡口图1窄间隙坡口与普通坡口厚板焊接中窄间隙焊接的优势+焊接坡口显著减小+焊接工程量低+热输入量较小+焊接生产率高+生产成本低[4]序号时间国家事件11963美国Battelle研究所开发了窄间隙焊接方法[3]21960s日本日本开始窄间隙焊接技术研究，发展出多种窄间隙方法31970s美国开发出双丝焊接设备，应用于潜艇的制造[5]41970s日本日立公司将该技术成功核电设备压力容器的焊接[6]51970s中国一机部成都电焊机研究所开发出窄间隙熔化极双丝焊接技术，并将其应用于锅炉环缝焊接中[7]61980s世界各国各种窄间隙焊接技术陆续进入到工业生产试用阶段，并逐步被应用于工业生产当中[8]71990s乌克兰乌克兰巴顿焊接研究所将横向磁场引入到厚板的窄间隙焊接中，有效地解决了坡口侧壁熔合不良的问题[9]82000s世界各国对于窄间隙焊接的研究主要集中在焊缝成形、侧壁熔合控制以及工艺参数优化控制与工业化应用等方面发展历程窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制窄间隙焊接方法的应用焊缝成形影响因素窄间隙焊NarrowGapWeldingNGW窄间隙熔化极气体保护焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑵𝑵𝑮𝑮𝑮𝑮𝑮𝑮窄间隙钨极氩弧焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑵𝑵𝑮𝑮𝑮𝑮𝑮𝑮窄间隙埋弧焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑺𝑺𝑮𝑮𝑮𝑮窄间隙手工电弧焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑺𝑺𝑮𝑮𝑮𝑮𝑮𝑮窄间隙药芯焊丝电弧焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑭𝑭𝑭𝑭𝑮𝑮𝑮𝑮窄间隙电渣焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑬𝑬𝑺𝑺𝑮𝑮窄间隙激光焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑳𝑳𝑳𝑳𝑮𝑮窄间隙电子束焊：𝑵𝑵𝑵𝑵−𝑬𝑬𝑳𝑳𝑮𝑮分类[11]NG-GMAWNG−GMAW�窄间隙熔化极活性气体保护焊：NG−MAG窄间隙熔化极惰性气体保护焊：NG−MIG分类+通常利用电弧摆动等方法促进侧壁熔合+熔敷效率高，间隙较小，无需层间清渣→生产效率更高+热量输入适中，具有较大的调节范围→适合于各种金属的焊接+能够降低预热温度，对于中等强度的钢可以不进行预热和后热+适用于平焊、横焊、全位置焊，可焊的极限厚度大+焊接材料广泛、焊接成本低，在工业中已获得广泛的应用[12]NG-GTAW+焊接过程稳定，不容易产生飞溅和熔渣，也不容易产生缺陷+焊接效率低，生产成本较高+同时由于钨极载流能力有限，导致焊缝熔深较浅+焊接接头力学性能一般，应用于厚板焊接时具有一定的局限性+目前窄间隙钨极氩弧焊多用于钛和不锈钢的焊接[18]+热丝可提高熔化效率进而提高焊接速度促进坡口侧壁的熔合[19]NG-SAW+与传统的埋弧焊相比具有效率高、节约焊丝与焊剂等特点+多采用多层焊，焊缝具有良好的强度性能和冲击韧性+存在层间清渣困难的问题，对于焊剂的脱渣性能要求很高+在石油化工、电站和压力容器等行业的厚壁焊接中获得广泛应用[13]+主要应用于低合金钢材料的焊接[14]窄间隙埋弧焊坡口示意图非均匀压缩电弧技术、复合技术+药芯焊丝电弧焊能获得更大的熔宽和更小的熔深及余高+非均匀压缩电弧技术，可以实现电弧不摆动情况下的侧壁融合→得到光滑并且中间内凹的焊道成形。+非均匀压缩电弧的喷气嘴设计，电弧会被压缩从而横向变宽，达到了促进侧壁熔合的目的→得到成形良好的无缺陷焊缝。+邰磊等人设计窄间隙激光-MIG复合焊接技术，用于厚板焊接。+冯英超等人设计窄间隙激光-TIG复合焊接技术，用于核电站主管道焊接。窄间隙焊缝宏观照片[69]窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制窄间隙焊接方法的应用焊缝成形影响因素核电厂主管道厚壁压力容器远洋油轮的船体海洋石油开采平台无缝钢轨主要应用焊接坡口形式核电厂主管道单个环路焊缝布置焊缝宏观形貌核电厂主管道[10]厚壁压力容器远洋油轮的船体海洋石油开采平台无缝钢轨主要应用一种典型的厚壁容器常规埋弧焊与窄间隙埋弧焊的比较核电厂主管道厚壁压力容器[73]远洋油轮的船体海洋石油开采平台无缝钢轨主要应用钢轨电弧焊原理一种钢轨窄间隙焊接系统运动机构核电厂主管道厚壁压力容器远洋油轮的船体海洋石油开采平台无缝钢轨[66]主要应用窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制焊缝成形影响因素窄间隙焊接方法与应用控制方法焊丝预变形焊枪动作控制电弧摆动磁场控制电弧摆动多丝窄间隙焊超窄间隙焊交流/脉冲电流容易产生坡口侧壁未熔合，是窄间隙焊接中最主要的问题[27]为解决窄间隙焊接过程中坡口侧壁熔合不良的问题，国内外研究人员从工艺参数控制、焊丝形状、焊枪动作、焊丝数量等角度出发，开发了多种具体的窄间隙焊接方法各方法的本质都是在不增加焊枪宽度的前提下，通过调整工艺参数、增大焊丝覆盖范围、增加焊丝数量等方式，增大电弧的覆盖范围，从而实现电弧在靠近坡口侧壁区域燃烧，最终有效解决坡口侧壁熔合的问题焊丝预变形外加机械装置特殊形状焊丝……�⇒焊丝预变形⇒�电弧在窄间隙坡口内的摆动电弧能够贴近坡口侧壁燃烧有效促进坡口的侧壁熔合折弯焊丝[6]波浪焊丝[4]麻花焊丝[5]焊枪动作焊枪往复摆动焊枪圆锥摆动偏心导电嘴……�⇒电弧摆动/旋转⇒�电弧能够贴近坡口侧壁燃烧有效促进坡口的侧壁熔合往复摆动焊枪双圆锥摆动焊枪焊枪动作焊枪往复摆动焊枪圆锥摆动偏心导电嘴……�⇒电弧摆动/旋转⇒�电弧能够贴近坡口侧壁燃烧有效促进坡口的侧壁熔合偏心导电嘴旋转电弧机构偏心导电嘴旋转电弧机构—改进版外加磁场早在1976年，就由日本学者提出了磁场控制电弧摆动的方法[40]根据电弧特性，通过周期性变化的外加磁场使电弧偏移实现电弧在磁场控制下横向摆动采用磁场控制电弧摆动得到的焊缝具有一致均匀、充分熔合的特点[43]磁场强度与方向对窄间隙中电弧的影响双丝窄间隙焊原理图[44]增加焊丝数量合理布置焊丝……�⇒增加电弧覆盖面积⇒促进坡口侧壁熔合焊接效率更高两个电弧之间存在电磁干扰双丝窄间隙焊接分为双丝共熔池与双丝不共熔池两种方式：共熔池时充分利用电弧热量，具有更高的熔敷量；双丝不共熔池可提高接头力学性能，控制焊缝成形[29]。焊丝之间间距过大或过小均不利于焊缝成形[12][30]焊剂带约束超窄间隙焊原理在超窄间隙焊接过程中，由于两侧壁同时位于电弧的加热范围内，电弧会集中在单侧壁燃烧。根据最小弧压原理，当焊丝端部与坡口侧壁的距离小于其与坡口底部的距离时，电弧会沿着该侧壁攀升，进而使两侧壁以及侧壁与底板夹角处难以熔合。为了解决超窄间隙中因电弧上攀造成坡口侧壁熔合不良的问题，兰州理工大学材料科学与工程学院开发了用焊剂带、陶瓷等对电弧进行约束的方法[46][47]。适用于超窄间隙焊接的焊枪[49]窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制焊缝成形影响因素窄间隙焊接方法与应用窄间隙焊接由于坡口形状的限制，焊接空间狭窄，往往更易受到气体等因素的影响；板材较厚也容易产生未熔合等缺陷，因此焊接效果不如同样间隙大小的平板焊接[30][52]；焊缝成形对于与电弧作用位置相关的参数尤为敏感。典型NG-GMAW焊缝宏观形貌[52]未完全熔合熔合良好电弧摆动NG-GMAW上海交通大学左振龙等人设计了一种电弧摆动式NG-GMAW焊枪，通过正交实验证明电弧摆动频率对GMAW焊缝成形有较大影响[52]不同电弧摆动频率下的NG-GMAW焊缝成形[52]双丝NG-GMAW哈工大张良峰[53]、赵博[54]等人对双丝NG-GMAW焊缝成形进行了研究，证明焊丝与侧壁距离、双丝间距、双丝夹角等参数均对焊缝成形有显著影响不同焊丝与侧壁间距下双丝NG-GMAW的焊缝成形[53]磁控NG-TIG孙清洁等对钛合金厚板磁控窄间隙多层TIG焊的焊缝组织进行了研究，发现焊缝组织为针状马氏体α相与少量残余β相，出现典型的篮网状组织[54]8mT、10Hz磁场作用时的焊缝组织[54]窄间隙焊接技术的发展坡口侧壁熔合问题信息采集与反馈控制焊缝成形影响因素窄间隙焊接方法与应用信息采集与反馈控制在窄间隙焊接过程中，可根据采集到的信息进行反馈调节，实时调整工艺参数对焊枪作用位置的监控与控制，是保证窄间隙焊坡口侧壁熔合良好的关键[56]焊枪监测手段可分为接触式监测与非接触式监测两类常用的非接触监测主要有视频传感与电弧传感[57]观察钢轨焊接熔池的双CCD系统[66]一种摆动式电弧传感器[59]一种旋转电弧传感系统[61]1.2.3.窄间隙焊接方法凭借坡口间隙小、焊缝截面积小等特点，在厚板焊接领域已经得到广泛应用。坡口侧壁熔合效果是影响窄间隙焊接质量的一个非常重要的因素。超窄间隙是具备诸多优点，具有非常好的发展前景。通过信息采集与反馈控制可进一步优化窄间隙焊接的焊接效果。4.1.M.J.Vines,C.G.Chipperfield,R.Fanner.HighProductivityWeldingofThickPlate[J].BHPTechnicalBulletin.1981,25(2):31-40.2.苑志波,严洪丽.120mm厚板焊接.钢结构[J].2006,18(6):31-32.3.C.A.Btuler,R.P.Meister,M.D.Randall.NarrowGapWelding[J].WeldingJournal.1969,48(2):102-108.4.志贺千晃.フロンチィア構造材料の溶接.溶接学会誌[J].1997,66(8):43-48.5.V.Y.Malin.TheState-of-the-ArtofNarrowGapWelding[J].WeldingJoumal.1983,62(4):22~30.6.日本焊接学会方法委员会编.窄间隙焊接（译文）.机械工业出版社,1988.7.一机部成都电焊机研究所.东方锅炉厂双丝窄间隙气体保护焊[J].电焊机,1979,9(1):24-29.8.Kstaves.Anewlow-spattersarcweldingmachine[J].WeldingJournal.1993,(1):25-29.9.PatonBE,ZamkovVN,PrilutskyVP.Narrow-grooveweldingprovesitsworthonthicktitanium[J].WeldingJournal,1996,75(5):37−41.10.黄宗仁,李桓,黄炳炎等.窄间隙自动焊在核电厂主管道焊接中的应用[J].焊接技术.2015,44(1):36-39.11.张富巨,罗传红.窄间隙焊接技术中焊接方法特性的遗传[J].焊接技术,2002,31(4):8-10.12.赵博,范成磊,杨春利等.窄间隙GMAW的研究进展[J].焊接,2008,(2):11~15.13.林尚扬,于丹,于静伟.压力容器焊接新技术及其应用[J].压力容器.2010,26(1):1-6.14.王朋,张富巨.窄间隙焊接技术及其新进展[J].电力建设,1999,8:12~14.15.屈岳波,曹彬,王梁等窄间隙埋弧焊接头熔合区弱化的研究[J].清华大学学报(自然科学版).2014,54(3):305-308.16.官云胜,郭晓春,刘庆忠.SA516Gr—70厚板窄间隙焊接工艺研究[J].焊接与切割.2014,(20):50-52,55.17.乔尚飞,沈红卫,刘霞等.窄间隙焊接技术在600MW汽轮机低压转子上的应用[J].热