窄間隙電弧焊接質量的控制研究

顏 敏，李遠遠

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

窄間隙焊接技術始于1963 年，由美國巴爾特研究所（Battelle）最先開發和使用，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、經濟性好、可獲得機械性能優良且變形較小的焊接接頭等優點，該焊接方法受到了各國諸多研究機構的關注，對其進行了大量的試驗研究。根據窄間隙焊接[1]-[3]在采用的焊接方法時的區別，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用于厚板結構件的焊接，并且焊縫窄又深，因此，對于焊接質量的控制存在如下難點：

（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量，對于焊接電弧的選擇、焊接電流、電壓等焊接參數的選擇是窄間隙焊接的難點之一；

（2）對于窄間隙焊接，由于主要針對厚板的焊接，為了實現焊接，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、多道的焊接質量是窄間隙焊接的難點之一；

（3）由于窄間隙焊接通常會用到焊接材料，為了保證焊接過程中的連續性和焊縫質量，對于焊接材料的選擇、不管是對于窄間隙熔化極/非熔化極電弧焊的焊絲/焊條選擇、還是對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之一。

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

2 窄間隙焊接的質量控制介紹

2.1 窄間隙焊接的焊接參數的控制

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請號為US19950532191A），其通過在窄間隙焊接過程中，對于一個焊接周期中，采用第一電流、第二電流的分段電流進行焊接，有效地用于通過降低由側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手動方法制成的焊接接頭的生產率。

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請號為US20020112980A），其通過在熔化極氣體保護焊接中，向焊縫提供AC 電路，所述AC 電路具有負極和正極，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（專利申請號為US201313832138A），針對高碳鋼進行窄間隙焊接，通過向焊絲傳輸焊接電流；在焊絲線材上進行低熱傳遞過程達預定的低熱持續時間，低熱傳遞到焊接接頭的根部處產生熔融熔池；在焊絲線材上執行高熱傳遞過程達預定高熱持續時間，高熱傳遞過程產生爬升焊接接頭的側壁的電弧，提升焊接質量。

美國通用公司提供了一種窄間隙焊接方法（專利申請號為US19990285662A），采用激光、電弧兩個熱源同時加熱焊縫，激光束可以用于預熱熔融焊池之前的基材材料，從而預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，從而提高焊接質量。

2.2 窄間隙焊接的焊槍結構控制

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請號為US20070652283A），其通過對焊槍結構進行設置，包括至少一個芯部的焊槍本體；從該至少一個芯部以一方向延伸的多個接觸末端；靠近該多個接觸末端布置的多個氣體供應管，通過設置多個氣體供應管，以保證窄間隙焊接過程中的焊接質量和焊接效果，焊槍結構如圖1 所示。

圖1 多氣路焊槍結構

武漢納瑞格智能提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請號為CN201610850671.6），其通過一種超長分段式窄間隙氣體保護焊焊槍，通過設置可分段的焊槍，保證了焊槍結構的緊湊性、整體性；對高溫焊接區的氣保護效果優異；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焊焊槍，50mm～600mm 應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（專利申請號為DE102012217669A），其熔化金屬窄間隙焊接，包括同時使用兩個電弧等離子引弧和熔化焊絲，并且供應第三非等離子弧引弧焊絲，使得兩個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，可以實現明顯較高的焊接速度并因此減少制造時間。如圖3所示。

圖3 多絲窄間隙焊槍

江蘇科技大學提出的一種窄間隙焊接技術（專利申請號為CN201410282830.8），在TIG 焊接過程中，通過設置旋轉電弧，以實現對工件的焊接，通過結合旋轉電弧和擺動電弧的優點，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壁熔透問題，裝置簡單可靠，適用性強，如圖4 所示。

圖4 旋轉電弧焊槍

美國通用公司提出的一種窄間隙焊接方法（專利申請號為US201213572880A），雙電弧裝置還為雙電弧裝置，并在焊接過程中結合激光焊接，相對于根部同時移動第一電弧焊接裝置、第二電弧焊接裝置和激光焊接設備，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（專利申請號為CN201580016580.6），用于焊接鋁和鋼，并在焊接過程中，使用一個激光裝置在待焊件表面上形成一個精確的熔融熔池，并且采用一根預加熱填充焊絲被熔敷到這些熔池中，該焊接過程的總熔敷速率可以在沒有顯著增加熱量輸入的情況下得到顯著增加，因此，能夠提高焊接質量，如圖5 所示。

圖5 有預加熱焊絲的窄間隙焊接

2.4 磁場對窄間隙焊接的控制

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氣體和磁場裝置以及焊接系統（專利申請號為CN201080062360.4），在后壁件焊接過程中，設置有磁場，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，使電弧發生一定的偏轉，從而提高焊接質量，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（專利申請號為US19980167463A），窄間隙焊接也通常應用在鋼軌焊接，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，從而保證了填充質量，形成良好的焊縫。

3 結論

窄間隙焊接時，由于主要針對的為大厚板等部件，焊接難度較大，通過對窄間隙焊接過程中的焊接參數、焊接電弧、焊槍結構、焊接材料進行相應選擇控制，選擇合適的參數及結構，以改善焊接環境，以提高焊縫質量；另外，為了提高窄間隙的焊縫質量，還可通過接合其他熱源，如激光、或者結合磁場，以進一步提高焊縫質量。