窄间隙焊接技术发展与应用现状-ppt

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]
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。
焊剂带约束 超窄间隙焊原理
适用于超窄间隙 焊接的焊枪[49]
窄间隙焊接技术的发展 窄间隙焊接方法与应用 坡口侧壁熔合问题
焊缝成形影响因素
信息采集与反馈控制
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。
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
图 1 窄间隙坡口与普通坡口
Hale Waihona Puke Baidu
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]
发展历程
序号 1 2 3 4 时间 1963 1960s 1970s 1970s 国家 美国 日本 美国 日本 事件 Battelle研究所开发了窄间隙焊接方法[3] 日本开始窄间隙焊接技术研究，发展出多种窄间隙方法 开发出双丝焊接设备，应用于潜艇的制造[5] 日立公司将该技术成功核电设备压力容器的焊接[6] 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] 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] 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] 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
清华大学机械工程系 2015年5月
窄间隙焊接技术的发展 窄间隙焊接方法与应用 坡口侧壁熔合问题 焊缝成形影响因素 信息采集与反馈控制
窄间隙焊接技术的发展
窄间隙焊接方法与应用 坡口侧壁熔合问题 焊缝成形影响因素 信息采集与反馈控制
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
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]
窄间隙焊接方法凭借坡口间隙小、焊缝截面积 1. 小等特点，在厚板焊接领域已经得到广泛应用。
2. 3. 4.
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。
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
厚板焊接中 传统焊接方法不足 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
信息采集与反馈控制
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]
1. M. J. Vines, C. G. Chipperfield, R. Fanner. High Productivity Welding of Thick Plate[J]. BHP Technical Bulletin. 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. Narrow Gap Welding[J]. Welding Journal. 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. The State-of-the-Art of Narrow Gap Welding[J]. Welding Joumal. 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. K staves. A new low-spatters arc welding machine [J]. Welding Journal. 1993, (1):25-29. 9. Paton B E, Zamkov V N, Prilutsky V P. Narrow-groove welding proves its worth on thick titanium[J]. Welding Journal, 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): 810. 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.
5
1970s
中国
世界 6 1980s 各国
7
1990s
乌克兰
世界 8 2000s 各国
窄间隙焊接技术的发展
窄间隙焊接方法的应用
坡口侧壁熔合问题 焊缝成形影响因素 信息采集与反馈控制
分类[11] 窄间隙熔化极气体保护焊：������������������������ − ������������������������������������������������ 窄 间 隙 钨 极 氩 弧焊：������������������������ − ������������������������������������������������ 窄间隙埋弧焊：������������������������ − ������������������������������������ 窄间隙焊 窄间隙手工电弧焊：������������������������ − ������������������������������������������������ Narrow Gap Welding 窄间隙药芯焊丝电弧焊：������������������������ − ������������������������������������������������ NGW 窄间隙电渣焊：������������������������ − ������������������������������������ 窄间隙激光焊：������������������������ − ������������������������������������ 窄间隙电子束焊：������������������������ − ������������������������������������
窄间隙焊缝宏观照片[69]
窄间隙焊接技术的发展
窄间隙焊接方法的应用
坡口侧壁熔合问题 焊缝成形影响因素 信息采集与反馈控制
主要应用 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
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
焊接坡口形式
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 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] ⇒ 促进坡口侧壁熔合
核电厂主管道单个环路焊缝布置
焊缝宏观形貌
主要应用 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 一种典型的厚壁容器
常规埋弧焊与窄间隙埋弧焊的比较
主要应用 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]
钢轨电弧焊原理
一种钢轨窄间隙焊接系统运动机构
分类
NG − 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
NG-GMAW
+ 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]
窄间隙焊接技术的发展 窄间隙焊接方法与应用
坡口侧壁熔合问题
焊缝成形影响因素 信息采集与反馈控制
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 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
焊丝预变形
电弧在窄间隙坡口内的摆动 外加机械装置 特殊形状焊丝 � ⇒ 焊丝预变形 ⇒ �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� ⇒ 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 ……
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]
8 mT、10 Hz 磁场作用时的焊缝组织[54]
窄间隙焊接技术的发展 窄间隙焊接方法与应用 坡口侧壁熔合问题 焊缝成形影响因素
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� ⇒ 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 ……
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]
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]。