窄間隙埋弧焊技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)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(jì)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(shí)、節(jié)能的埋弧焊方法。目前窄間隙埋弧焊廣泛應(yīng)用于各種大型重要結(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(shí)可以降低生產(chǎn)成本。

窄間隙埋弧焊設(shè)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(shè)備，焊接位置主要用于水平或接近水平位置的焊接，同時(shí)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(guān)報(bào)導(dǎo)，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(shí)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(jī)加工時(shí)間短、焊材消耗量少、焊接熱輸入量低、焊接時(shí)間短、焊接變形和焊接應(yīng)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(diǎn)更為明顯、應(yīng)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(nèi)進(jìn)行單道焊接時(shí)極難清渣，所以在進(jìn)行窄間隙埋弧焊焊接時(shí)，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(jìn)一步降低。2)窄間隙埋弧焊的諸多技術(shù)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(jìn)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(dá)到使用性能要求，這也降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了生產(chǎn)成本。3)難以實(shí)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(yīng)用

窄間隙埋弧焊在壓力容器制造中有著廣泛應(yīng)用。窄間隙埋弧焊是將普通埋弧焊優(yōu)點(diǎn)和窄間隙特點(diǎn)結(jié)合在一起，焊接熱輸入量小，熔敷率較高，焊接質(zhì)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(yīng)用

隨著壓力容器的發(fā)展，焊接鋼材強(qiáng)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?，F(xiàn)常采用窄間隙TIG焊做打底焊接，再用窄間隙埋弧焊進(jìn)行焊接。

筒體的環(huán)縫焊接過程需要連續(xù)進(jìn)行，因此焊道焊完一圈槍體會(huì)從坡口一側(cè)轉(zhuǎn)至另一側(cè)。為了確保焊接質(zhì)量，現(xiàn)有窄間隙埋弧焊設(shè)備都采取自動(dòng)變道控制技術(shù)，使焊道平滑過渡。這種焊道位置自動(dòng)變換技術(shù)，能夠有效避免夾渣和未熔合等缺陷。林尚揚(yáng)院士研制了雙絲窄間隙埋弧焊焊接設(shè)備，并與中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司(中國一重)合作施焊了重達(dá)2000t的加氫反應(yīng)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(yīng)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(jī)械式馬鞍形埋弧焊設(shè)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(yùn)動(dòng)軌跡采用機(jī)械仿形形式實(shí)現(xiàn)，不能適應(yīng)大厚度、窄間隙坡口的焊接要求，并且當(dāng)接管與筒體偏交時(shí)，機(jī)械馬鞍焊無法進(jìn)行焊接作業(yè)。根據(jù)機(jī)械馬鞍焊設(shè)備存在的問題，對(duì)筒體與接管相交的馬鞍形焊道幾何特征進(jìn)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(shè)備，采用數(shù)字化控制，有著高度自動(dòng)化，操作更簡便的優(yōu)勢。

數(shù)控馬鞍形埋弧自動(dòng)焊設(shè)備可焊接管直徑最大1800mm，坡口最大深度300mm。該設(shè)備采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型自動(dòng)生成馬鞍形運(yùn)動(dòng)軌跡。采用液晶顯示人機(jī)交互界面，通過對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，實(shí)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(yīng)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(duì)設(shè)備進(jìn)行定心，通過焊槍對(duì)接管外壁自動(dòng)尋位，將焊槍旋轉(zhuǎn)中心自動(dòng)定位在接管的中心線上。同時(shí)，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高度方向的自動(dòng)跟蹤，焊槍能對(duì)窄間隙坡口底部自動(dòng)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(cè)壁距離一致。實(shí)現(xiàn)多層多道焊接時(shí)，采用單邊窄坡口形式，通過設(shè)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(dòng)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(duì)于窄間隙埋弧焊的需求越來越高，窄間隙埋弧焊對(duì)于精度和可靠性的要求也會(huì)越來越高。與之配套的系統(tǒng)研究也在一步步進(jìn)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(biāo)。除此以外，窄間隙埋弧焊自動(dòng)焊機(jī)的通用性將會(huì)更高，不需要去研究很多功能很單一的焊機(jī)。自動(dòng)焊機(jī)的模塊化傾向，使得窄間隙埋弧焊焊機(jī)的功能改造與升級(jí)更加簡便。而且隨著對(duì)此類焊機(jī)研發(fā)投入的增加，焊機(jī)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(shù)的不斷發(fā)展，新型焊接設(shè)備不斷出現(xiàn)，對(duì)焊接設(shè)備領(lǐng)域造成了巨大的影響。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)新技術(shù)的研究，從而使其得到更好地應(yīng)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(shù)在大厚度構(gòu)件材料焊接中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(xué)，2012.