厚板窄間隙焊接技術研究進展

林三寶+蔡笑宇+季相儒

摘要： 針對大厚板，常用的焊接方法需要開大角度坡口，焊接時采用多層多道焊，焊件往往內部應力較大，變形嚴重。而窄間隙焊接采用窄而深的坡口，在厚板焊接中具有效率高等優勢。針對當前常用的厚板窄間隙焊接技術，本文中主要總結了國內近幾年在激光窄間隙焊接，電弧窄間隙焊接和超窄間隙焊接三個方面的研究進展。

關鍵詞： 窄間隙焊接； 激光焊接； 電弧焊接

中圖分類號： TG442

Abstract： For the welding of thick plates， a wide groove and multi-layer welding technology are needed， so the internal stress in the workpiece is large and deformation is serious. In narrow gap welding， the groove is deep and narrow， so it has some special advantages in the welding process for thick plates， such as high efficient. In this paper， the domestic narrow gap laser welding， narrow gap arc welding and ultra-narrow gap welding techniques in recent years are summarized.

Key words： narrow gap welding； laser welding； arc welding

0 前言

隨著天然氣、石油等化工原料的需求量不斷增加，管道運輸成為這些原料運輸的主要途徑，全國的天然氣、石油等化工原料的運輸管道鋪設正在如火如荼的進行著。運輸管道往往使用較大壁厚、直徑較粗的鋼管，進行多段焊接的方式鋪設。因此，在保證質量同時進行較低成本的厚板焊接具有十分重要的意義。

傳統的厚板焊接往往采用大角度坡口，焊接過程中填入材料較多，焊接時采用多層多道焊接，焊接應力大，焊接工件變形大，熱影響區寬，降低焊接接頭的塑韌性及力學性能。相比之下，窄間隙焊接技術選用小角度的坡口，相對傳統坡口斷面面積減少50%以上，減少了焊接填充材料的消耗，進而降低了焊接成本。此外，窄間隙焊接減少了焊接道次，焊接應力及變形也相對較小，從焊接厚板的角度考慮，窄間隙焊接具有明顯的優勢。

目前窄間隙焊接選用的熱源大致有兩種：一種是使用激光做焊接熱源；另外一種是使用電弧作為焊接熱源。電弧作為焊接熱源的情況下窄間隙焊接又分為窄間隙鎢極氬弧焊（NG-TIG）、窄間隙熔化極氣體保護焊（NG-GMAW）和窄間隙埋弧焊（NG-SAW）。窄間隙埋弧焊主要用于平焊位置的焊接，而且窄坡口內單道焊接時極難清渣，容易出現夾渣現象。窄間隙TIG焊雖然焊縫成形優良且接頭質量高，但是其焊接效率低。而窄間隙GMAW能滿足全位置焊接的需要，焊接質量高，效率高，正逐漸得到更加廣泛的應用。下面將對國內厚板窄間隙焊接技術研究進行綜述，以期為今后的研究發展提供思路。

1 激光窄間隙焊接研究現狀

由于激光具有能量密度高，指向性強的優勢。激光往往可以作為焊接過程中的優質熱源，激光窄間隙焊接也逐漸得到人們的關注，并運用到厚板焊接中。

張波等人[1]用YLS-10000-S2多模光纖激光器對40 mm厚的Q345D鋼板進行激光窄間隙焊接。焊縫由13層構成，層間高度3 mm，寬度3.5 mm。對得到的焊接接頭進行了組織和力學性能的分析。在參數適當的情況下，對Q345D板材進行激光窄間隙焊接可以得到無明顯缺陷，成形良好的焊接接頭。焊縫組織主要為鐵素體和粒狀貝氏體，沖擊韌性良好。熱影響區為馬氏體組織，強度有所提高，拉伸試樣斷裂于母材處，基本滿足力學性能要求。

王翔宇等人[2]實現了12 mm厚TC4鈦合金激光窄間隙焊接，焊接過程中發現，激光功率較小會引起焊絲熔化不穩定，產生較多的氣孔及未融合缺陷。激光功率過大則會引起焊縫晶粒嚴重長大，降低焊縫塑韌性，調整熱輸入后得到了缺陷較少的焊縫。鈦合金母材顯微組織由等軸α相和β相組成的等軸組織構成。焊縫區顯微組織為粗大β柱狀晶和網籃狀α′馬氏體組織。如圖1所示，熱影響區組織由細小的針狀馬氏體α′、轉變為α組織和β轉變組織。

激光能量密度大，用于焊接時往往得到深寬比較大的焊縫，焊縫成形不夠美觀，而電弧作為熱源在焊接過程中成形美觀卻不能得到較大的熔深，因此激光-電弧復合焊接可以使兩者優勢互補。郭鴻鵬[3]使用激光-電弧復合窄間隙焊接方法分別對7A52鋁合金厚板、6061鋁合金厚板進行焊接。激光后傾時焊接過程熔池穩定性更好，得到的焊縫質量優于相同條件下激光前傾時所得到的焊縫質量。氣孔缺陷更少。采用激光焊打底，激光-電弧復合焊進行填充的方式進行焊接，焊接接頭拉伸性能達到母材的73.7%，基本滿足使用要求。

2 電弧窄間隙焊接研究現狀

即便當前高能束焊接日益發展，但是電弧焊仍是應用最為廣泛的焊接方法，其具有生產成本低、工裝要求低及焊接適應性強等優勢。在窄間隙焊接技術中，電弧仍是應用最多的熱源，在其基礎上開發出多種焊接技術，如旋轉電弧窄間隙焊接、擺動電弧窄間隙焊接技術等。

窄間隙TIG焊具有焊接過程穩定、焊接品質高等優點，在重要構件或特殊材料的窄間隙焊接中廣泛應用。孔麗朵[4]針對AP1000反應堆冷卻劑系統主管道窄間隙TIG焊接的技術難點，進行了大量的工藝實驗，調整工藝，進而改善管道焊接過程中的根部未焊透，層間及側壁未熔合，焊縫表面氧化等問題。

朱旻等人[5]為了提高厚壁管道的焊接效率，改善焊接接頭的耐腐蝕性能，選用窄間隙熱絲TIG焊的方式對30 mm厚的TP321鋼管進行焊接。分析結果表明，當焊接坡口角度在3°時，焊接后在焊接應力作用下變形，坡口角度變為負值；坡口角度在4°～6°并未發生此現象；坡口角度在6°時坡口較大，熔覆金屬量明顯上升，焊接效率下降。此外，進行全位置焊接時，要跟據不同位置時熔池受力情況匹配不同參數，立向下焊焊接電流比平焊有所增加，立向上焊時焊接電流比平焊小。endprint

為改善窄間隙側壁熔合不良的問題王建峰等人[6]使用磁控電弧窄間隙TIG焊接的方式對22 mm厚的鋼板進行焊接，利用電弧的磁偏吹，在焊接過程中給焊接空間加入磁場，使得電弧左右搖擺，增加電弧作用面積，使更多的熱量傳播到窄間隙側壁上，進而保證側壁熔深。如圖2所示，磁感應強度及磁場頻率會影響電弧行為進而影響焊縫成形。磁場頻率的增加會減小焊縫的側壁熔深，增加焊縫熔深；磁感應增大則會增加電弧的擺動幅度，當磁感應強度為3 mT時電弧擺動效果不明顯，增加至6 mT電弧主要作用在焊縫底部及側壁交界處，進一步增加磁感應強度至9 mT時電弧主要集中在側壁，可能引起咬邊缺陷。隨著磁感應強度的增加側壁熔深也不斷增加，磁感應強度增加至9 mT的時候，出現焊縫咬邊現象。

馮東旭等人[7]用擺動鎢極窄間隙脈沖TIG焊對60 mm厚的508-III鋼進行焊接。打底及填充焊接電壓控制在9.5～10.5 V，焊接速度控制在70 ～ 110 mm/min，打底焊焊送絲速度為2.5～3 mm/s，填充時送絲速度為1.5～2 mm/s，打底焊鎢極擺動角度18° ～ 20°，填充焊鎢極擺動角度在20°～23°，保護氣流量為20 L/min。焊后焊縫按照相關技術條件進行了（615 ℃±15 ℃） × 30 h的消應力熱處理，如圖3所示，所得焊縫和熱影響區均為回火貝氏體，無微觀缺陷。

GMAW焊與GTAW相比，其焊接效率較高，但是由于熔滴過渡過程的存在，其焊接過程比GTAW復雜。顧玉芬等人[8]用高速攝像系統觀察窄間隙GMAW電弧行為和熔滴過渡。焊接過程中窄間隙中的電弧大致分為三種燃燒情況，第一類是焊接電弧在焊絲端頭及一側側壁上燃燒，電弧與水平方向呈一定夾角，熔滴呈現大滴過渡的形式。第二類是電弧在焊絲端頭及兩側側壁上進行燃燒，熔滴過渡形式也為射滴過渡，但熔滴尺寸有所減小。第三類是電弧在兩側側壁及間隙底部進行燃燒，熔滴過渡形式為射流過渡。電弧出現的爬升現象與最小電壓原理及電弧自調節作用有關，熔滴過渡形式則與電弧弧根角變化引起的電磁力變化有關。

徐望輝等人[9]采用擺動電弧窄間隙GMAW方法對42 mm厚的10Ni5CrMoV鋼進行了焊接，該方法可以得到無宏觀缺陷的焊縫。如圖4所示，焊縫組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體及少部分馬氏體組成，熱影響區則由粗大的板條狀馬氏體組成，是焊縫最薄弱的部分。該部分沖擊韌性較低，但由于窄間隙焊接一定程度減小了熱輸入，熱影響區極窄，因此對焊縫整體性能影響較小，滿足使用要求。

埋弧焊具有很高的焊接效率，常用于超大厚壁的工件如鍋爐、管道的焊接。王鑫等人[10]利用窄間隙埋弧焊對集裝箱所用的76.5 mm厚的SA-335P92鋼進行了集裝箱環縫焊接的工藝研究。坡口間隙寬度在18～24 mm范圍內，焊絲直徑在2.4～4 mm時，焊道形貌易于達到要求，實驗發現焊絲與側壁需保持一恒定距離，大小與焊絲直徑相近，焊接電流根據焊絲直徑會有所調整，使用直徑為2.4 mm的焊絲時，焊接電流不應超過450 A，焊接速度在25～30 m/h之間，使用直徑為4 mm焊絲時，焊接電流不超過700 A，焊接速度不宜超過20 m/h。焊接過程中，電弧電壓應在28～32 V之間，焊后需對焊縫進行去氫及去應力熱處理。該工藝窗口下得到的焊縫基本滿足質量要求及力學性能要求，焊縫成形良好。

窄間隙埋弧焊缺點在于焊接過程中清渣較為麻煩，王鑫等人[11]根據實際生產經驗總結出窄間隙埋弧焊焊接鍋爐時坡口脫渣的辦法，從材料的選擇角度考慮，焊劑選用SJ301脫渣效果要優于其他常用的窄間隙埋弧焊焊劑；此外，使用熱脫渣技術進行脫渣，在高溫時用小型氣動鏟將半固態渣殼剝離下來，渣殼溫度在500 ℃下焊縫脫渣效果最好，溫度過低，渣殼過硬不易清理，溫度過高渣殼處于液態，清理不連續。在排焊工藝下焊縫質量和脫渣效果有所增加，排焊時電弧靠近焊縫一側，使渣殼偏離中心，左右渣殼厚度不均勻，利于脫渣。

為了提高窄間隙埋弧焊的焊接效率，焊接時可以選用雙絲焊接甚至三絲焊接，張洪昌等人[12]選用雙絲窄間隙埋弧焊的方法對78 mm厚的S30403不銹鋼殼體進行焊接。采用低焊接熱輸入和控制層間溫度等工藝設施避免了焊接熱裂紋的產生，減小了焊接應力。朱言成[13]則選用三絲窄間隙埋弧焊方法對厚板角焊縫進行焊接。三絲埋弧焊采用獨立電源供電，采用電流相位控制脈沖焊接焊絲，是焊絲輪流燃弧。其前中后電極組合采用直流反接+交流+交流的方式，避免了三極皆為直流電弧產生的磁偏吹現象，進而提升焊接過程中電弧的穩定性，使焊縫有良好成形并提高整體性能。焊接過程中焊縫間隙在13～20 mm之間，背后設置陶瓷襯墊，50 mm焊縫可一次性焊透。

張磊等人[14]認為窄間隙埋弧焊進行多層多道焊時后層焊道熱量會對前一層有一定的熱處理作用，引起前層焊道熱影響區組織發生改變。因此張磊等人使用數值模擬技術對溫度場進行模擬，并進一步分析溫度場與組織轉變，推斷出單、雙絲窄間隙埋弧焊接時坡口側壁過熱粗晶區組織演化過程。焊道厚度在4 mm時，單絲熱源過熱區有50%經歷正火過程，雙絲焊接過程中則有約55%～60%區域經歷正火過程，可以通過降低前絲焊接電流來減小坡口側壁過熱粗晶區，并增強后層焊道對前層焊道的熱處理效果。

3 超窄間隙焊接

近年來，窄間隙憑借厚板焊接的優勢，逐步得到人們的廣泛關注。坡口尺寸及坡口形式成為了窄間隙的獨特標志，人們想進一步擴大窄間隙在原料節省方面的優勢，因此提出了進一步縮小窄間隙坡口寬度的理念，實現了超窄間隙的焊接。傳統窄間隙中，當坡口尺寸在5 mm以下時，由于最小電壓原理及電弧自調節的作用，窄間隙焊接過程中容易出現側壁燃弧，焊絲回燒的問題，超窄間隙在焊縫側壁附加了焊劑帶來避免側壁燃弧的現象，實現了超窄間隙的穩定焊接。龔練等人[15]選用0.7 mm厚的大理石和螢石作為焊劑帶完成了坡口間隙為3.5 mm，4.0 mm和4.5 mm的Q235鋼的超窄間隙焊接，實驗發現，當坡口間隙達到3.5 mm后，焊接過程極易出現熱裂紋，且隨著坡口間隙的減小焊接熱裂紋傾向增加，裂紋成人字形。焊縫成形系數是影響超窄間隙的焊接接頭熱裂紋的主要因素。焊縫成形系數較小時，熱裂紋傾向較大，成形系數增加到臨界值，焊縫不再產生熱裂紋。此外龔練等人[16]試驗中發現，當坡口寬度減小時，電弧特性變得敏感，工藝參數適應性要求提高，相同參數下焊接電流會有所增加，側壁熔深增加，如圖5所示。利用不同坡口寬度下焊劑帶約束電弧超窄間隙電弧特性，可以有效調控工藝參數，坡口寬度減小，適用的電壓大幅度減小。endprint

激光相比于電弧而言擁有指向性好，能量密度大的優點。此外，相比于電弧超窄間隙焊接，激光超窄間隙焊接不易出現電弧中的側壁燃弧現象。用激光實現超窄間隙的難度相對于電弧而言要小很多。田書強等人[17]實現了9Ni鋼的激光超窄間隙焊接，實驗中使用的母材為16 mm厚的LNG船液罐用X7Ni9鋼，坡口角度為6°，激光器選用的是YLS-10000光纖激光器，焊后對焊縫進行了組織及力學性能的分析，焊縫組織主要為γ固溶體，兩側為垂直熔合線向焊縫中心生長的柱狀枝晶，焊縫中心為等軸晶；熱影響區粗晶區為粗大的板條馬氏體，細晶區為馬氏體及少量殘余奧氏體。焊縫接頭抗拉強度略低于母材，焊縫中心沖擊韌性最低為73 J，斷口形貌為韌窩狀，滿足使用的力學性能要求。

鋁合金在進行焊接時容易出現焊接氣孔等缺陷，引起焊接接頭力學性能的下降，謝余發生等人[18]對5083鋁合金進行了超窄間隙填絲焊接。分析了焊接工藝參數對焊接未融合傾向和氣孔缺陷的影響規律。激光功率的升高，焊縫未熔合的傾向降低，氣孔缺陷增加；焊接速度增大，未熔合的傾向增加，氣孔缺陷增加。最終，采用光絲間距為+1 mm、焊接速度為0.42 m/min、激光功率為3.8 kW、送絲速度為3.5 m/min、離焦量為+20 mm、側吹氬氣流量為20 L/min的工藝，實現了17 mm 深超窄間隙坡口的5083鋁合金激光填絲填充焊接，完全消除了未熔合缺陷，控制氣孔率為0.25%。

鄭韶先等人[19]選用超細顆粒的焊劑對1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行焊接，研究了焊接工藝參數對焊縫成形的影響。在熱輸入為1.75 kJ/mm及深寬比在1.34的條件下焊接得到的焊縫成形較好。單道焊接時金屬填充厚度可達11.5 mm，也不易形成“梨形”裂紋。隨著焊接電壓的增加，焊縫從凸焊縫向凹焊縫再向電弧攀升的情況轉變。最終，劃定了超細顆粒焊劑約束窄間隙焊接合理的工藝參數范圍，焊接電壓在26～32 V之間，焊接電流在200～320 A之間。

4 結束語

窄間隙在焊接厚板時的獨特優勢，使窄間隙焊接逐步被應用到各個需要厚板焊接的大型工程中。近年來，窄間隙的應用范圍越來越廣，窄間隙焊接的形式也越來越多變。從正常的單絲窄間隙焊接到多絲窄間隙焊接，從電弧窄間隙焊接再到激光窄間隙焊接，窄間隙焊接的發展及改進可以說是十分迅速的。可以預見，在未來窄間隙方法將擁有更加廣闊的前景。

參考文獻

[1] 張波，黃堅，孫志遠，等. 40 mm高強鋼窄間隙激光填絲焊接頭組織與性能[J]. 熱加工工藝 2016， 45（17）： 70-73.

[2] 王翔宇，鞏水利，楊璟，等.TC4鈦合金激光窄間隙焊接工藝與組織特征研究[J].航空制造技術 2016， 23（Z2）：104-107.

[3] 郭鴻鵬. 鋁合金中厚板窄間隙激光焊接技術研究[D]. 南京：南京理工大學， 2016.

[4] 孔麗朵.AP1000主管道窄間隙自動TIG焊接技術研究[J].上海建設科技， 2016（6）： 57-62.

[5] 朱旻，羅曉軍，尹燕，等.TP321鋼管的窄間隙熱絲TIG焊[J].焊接學報， 2016， 37（9）： 79-82.

[6] 王建峰，孫清潔，王亞峰，等.磁控電弧窄間隙TIG焊接特性及工藝研究[C]. 第二十次全國焊接學術會議， 2015， 10.

[7] 馮東旭，谷文，艾丹鳳，等.核電用508-III鋼窄間隙脈沖TIG單層單道鎢極擺動焊工藝[J].焊接學報， 2016，37（6）： 99-102.

[8] 顧玉芬，何冠宇，石玗，等.窄間隙約束下熔化極氣體保護焊的電弧形態和熔滴過渡分析[J].上海交通大學學報， 2016， 50（10）： 1526-1529，1534.

[9] 徐望輝， 董春林， 楊春利， 等.高強鋼擺動電弧窄間隙GMAW組織與性能研究[J].焊接， 2016（7）：32-36.

[10] 王鑫，魏愛玲.厚壁集箱環縫采用窄間隙埋弧焊工藝研究[J].熱加工工藝， 2016， 45（19）： 226-228.

[11] 王鑫，魏愛玲，郝貴敏.鍋爐焊接中窄間隙埋弧焊脫渣技術[J].鋼結構， 2017， 32（2）： 102-104.

[12] 張洪昌，周禮新，鄭康.不銹鋼換熱器厚壁殼體雙絲窄間隙埋弧焊工藝[J].焊接， 2015（9）： 64-66.

[13] 朱言成. 三絲埋弧焊窄間隙工藝在中厚板角焊縫焊接上的應用[J].科技展望， 2014，17： 166.

[14] 張磊，柳長青，于靜偉，等.通過溫度場數值模擬分析窄間隙埋弧焊過熱區組織演化[J].焊接學報， 2016， 37（4）： 103-106.

[15] 龔練，朱亮，周超.焊接工藝參數對超窄間隙焊接熱裂紋的影響[J].焊接學報， 2016， 37（10）： 93-96.

[16] 龔練，朱亮，楊韜君.坡口寬度對超窄間隙焊接電弧特性的影響[J].蘭州理工大學學報， 2016，42（4）： 32-35.

[17] 田書強，李鑄國，華學明. 9Ni鋼超窄間隙光纖激光焊接接頭組織及性能[J].激光與光電子學進展， 2017， 54（4）： 254-261.

[18] 謝余發生，黃堅，王偉，等. 5083鋁合金厚板超窄間隙激光填絲焊成形缺陷研究[J].中國激光， 2017，44（3）： 112-118.

[19] 鄭韶先，時哲，韓峰，等.超細顆粒焊劑約束電弧超窄間隙焊接1Cr18Ni9Ti不銹鋼的焊縫成形分析[J].焊接學報， 2015， 36（2）： 67-70.endprint