窄間隙埋弧焊技術的發(fā)展及應用

戴世超 吳效賓 劉軍鳳 宋長洋 丁家利 梁 浩

海洋石油工程(青島)有限公司

1 窄間隙埋弧焊發(fā)展

窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于20世紀80年代，由窄間隙氣電立焊演變而成，是近年來發(fā)展起來的一種高效、省時、節(jié)能的埋弧焊方法。目前窄間隙埋弧焊廣泛應用于各種大型重要結構，如造船、鍋爐、核電、橋梁等厚大件的生產(chǎn)。

窄間隙埋弧焊的焊接接頭強度性能和沖擊韌性均優(yōu)于傳統(tǒng)埋弧焊接頭，另外窄間隙埋弧焊與傳統(tǒng)埋弧焊相比，可以極大地提高效率，同時可以降低生產(chǎn)成本。

窄間隙埋弧焊設備按焊絲數(shù)量分類主要可分為單絲、雙絲和多絲的成套設備，焊接位置主要用于水平或接近水平位置的焊接，同時也可焊接大直徑環(huán)逢。

窄間隙埋弧焊所用焊絲直徑在2～5mm之間，很少使用到直徑小于2mm的焊絲。據(jù)相關報導，最佳焊絲尺寸為3mm。而4mm直徑焊絲推薦在厚度大于140mm的鋼板焊接時使用，而5mm直徑焊絲則用于厚度大于670mm的鋼板。

窄間隙埋弧焊與傳統(tǒng)埋弧焊相比，由于其焊接坡口窄、坡口機加工時間短、焊材消耗量少、焊接熱輸入量低、焊接時間短、焊接變形和焊接應力小，降低了開裂傾向。隨著接觸式光電跟蹤器日趨完善，窄間隙埋弧焊可焊間隙越來越小，坡口深度也越來越深，使這些特點更為明顯、應用也更加廣泛。

2 窄間隙埋弧焊的局限性

1)由于在窄間隙埋弧焊坡口內進行單道焊接時極難清渣，所以在進行窄間隙埋弧焊焊接時，必須采用每層2道(或3道及以上)的熔敷方式，這使得窄間隙埋弧焊的坡口最小寬度一般在18mm左右，很難進一步降低。2)窄間隙埋弧焊的諸多技術優(yōu)勢起源于大電弧功率，這將使得窄間隙埋弧焊的焊接熱輸入增大，焊接接頭的性能難以進一步提高，另外重要的窄間隙埋弧焊接頭常常需要通過焊后熱處理才能達到使用性能要求，這也降低了生產(chǎn)效率，同時提高了生產(chǎn)成本。3)難以實施除水平位置焊接以外的其他空間位置的焊接。

3 窄間隙埋弧焊的應用

窄間隙埋弧焊在壓力容器制造中有著廣泛應用。窄間隙埋弧焊是將普通埋弧焊優(yōu)點和窄間隙特點結合在一起，焊接熱輸入量小，熔敷率較高，焊接質量容易保證；窄間隙埋弧焊焊接接頭具有較好的沖擊韌性，且焊縫氫含量低，抗裂性能得到極大提高。

3.1 窄間隙埋弧焊在壓力容器筒體焊接中的應用

隨著壓力容器的發(fā)展，焊接鋼材強度越來越高(600～1000MPa)，厚度越來越大(200～600mm)，使用U型或V型坡口的常規(guī)焊接方法比較困難。現(xiàn)常采用窄間隙TIG焊做打底焊接，再用窄間隙埋弧焊進行焊接。

筒體的環(huán)縫焊接過程需要連續(xù)進行，因此焊道焊完一圈槍體會從坡口一側轉至另一側。為了確保焊接質量，現(xiàn)有窄間隙埋弧焊設備都采取自動變道控制技術，使焊道平滑過渡。這種焊道位置自動變換技術，能夠有效避免夾渣和未熔合等缺陷。林尚揚院士研制了雙絲窄間隙埋弧焊焊接設備，并與中國第一重型機械集團公司(中國一重)合作施焊了重達2000t的加氫反應器28條環(huán)焊縫，全部一次探傷合格。

3.2 窄間隙埋弧焊在壓力容器接管焊接中的應用

在壓力容器制造中，接管與筒體焊接采用的是接管插入方式。目前在化工等行業(yè)常采用機械式馬鞍形埋弧焊設備焊接壓力容器接管與筒體相交的空間馬鞍形相貫曲線。這種傳統(tǒng)焊槍的馬鞍形運動軌跡采用機械仿形形式實現(xiàn)，不能適應大厚度、窄間隙坡口的焊接要求，并且當接管與筒體偏交時，機械馬鞍焊無法進行焊接作業(yè)。根據(jù)機械馬鞍焊設備存在的問題，對筒體與接管相交的馬鞍形焊道幾何特征進行研究，哈爾濱焊接研究所[9]開發(fā)了接管馬鞍形埋弧焊設備，采用數(shù)字化控制，有著高度自動化，操作更簡便的優(yōu)勢。

數(shù)控馬鞍形埋弧自動焊設備可焊接管直徑最大1800mm，坡口最大深度300mm。該設備采用自動控制系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)學模型自動生成馬鞍形運動軌跡。采用液晶顯示人機交互界面，通過對焊接參數(shù)進行預置，實現(xiàn)多層多道連續(xù)焊接的目的。

3.3 窄間隙埋弧焊在壓力容器封頭焊接中的應用

在工業(yè)生產(chǎn)中，封頭與接管的焊接常采用向心接管焊接和非向心接管焊接的形式。非向心接管焊接前，需要對設備進行定心，通過焊槍對接管外壁自動尋位，將焊槍旋轉中心自動定位在接管的中心線上。同時，該設備能夠實現(xiàn)高度方向的自動跟蹤，焊槍能對窄間隙坡口底部自動尋位，從而記錄焊縫高度方向上的變化。在焊接過程中，槍體能夠始終跟蹤接管外壁，這樣能夠有效保證焊槍與坡口側壁距離一致。實現(xiàn)多層多道焊接時，采用單邊窄坡口形式，通過設備自帶的橫向跟蹤傳感器，只需輸入工藝參數(shù)，就可以一層兩道或一層多道自動排列焊道。

4 未來窄間隙埋弧焊的發(fā)展方向

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，我國工業(yè)各部門對于窄間隙埋弧焊的需求越來越高，窄間隙埋弧焊對于精度和可靠性的要求也會越來越高。與之配套的系統(tǒng)研究也在一步步進行，如具有更好脫渣性的高性能焊劑是研究者不懈追求的目標。除此以外，窄間隙埋弧焊自動焊機的通用性將會更高，不需要去研究很多功能很單一的焊機。自動焊機的模塊化傾向，使得窄間隙埋弧焊焊機的功能改造與升級更加簡便。而且隨著對此類焊機研發(fā)投入的增加，焊機的成本將逐步降低，性能逐漸提高。

綜上所述，近些年來，隨著新技術的不斷發(fā)展，新型焊接設備不斷出現(xiàn)，對焊接設備領域造成了巨大的影響。因此，需要進一步加強相關新技術的研究，從而使其得到更好地應用。

[1]王樂超，李璐，封翔，王海天，梁濤.窄間隙坡口焊縫的超聲波檢測及缺陷分析[J].中國化工裝備，2016，18(02)：39-42.

[2]王朋，劉霞，蘆鳳桂.深窄間隙焊接技術在大厚度構件材料焊接中的應用研究[J].機械工程學報，2016，52(02)：56-61.

[3]劉越.窄間隙埋弧焊工藝參數(shù)的研究[D].沈陽大學，2012.