滕彬，范成磊，徐鍇，武鵬博，聶鑫，黃瑞生

(1.哈爾濱工業(yè)大學,哈爾濱,150001；2.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

窄間隙焊起源于20世紀60年代，西方國家的研究機構相繼開發(fā)了多種窄間隙焊接方法[1-4]，70年代窄間隙焊接技術成果先后在潛艇、核電設備中獲得推廣應用[5-7].隨著時代的進步，窄間隙焊越來越成熟，同時窄間隙焊在焊接質量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟成本等方面有諸多優(yōu)勢，是未來厚板結構焊接發(fā)展的重要方向之一.

嚴格意義講窄間隙焊，是在原有焊接方法的基礎上，演變而成的一種特殊焊接方式，主要應用于厚板焊接，80年代壓力容器研究委員會施工分會第八專門委員會對窄間隙焊進行了定義[6]：板厚≤200 mm，間隙≤20 mm；板厚＞200 mm，間隙≤30 mm，從目前窄間隙焊的應用情況，該定義仍然適用[8]，伴隨著焊接技術向高效、高質量、自動化和數(shù)字化等方向快速進步與發(fā)展，也涌現(xiàn)出多種新興的窄間隙焊接技術，正逐步向超窄間隙焊接方向發(fā)展.文中依據(jù)國內外研究成果和窄間隙生產(chǎn)廣泛應用的情況[9]，提出對于中厚板材料，坡口寬度＜8 mm時為超窄間隙焊接，坡口寬度≥8 mm為窄間隙焊接.

文中重點從窄間隙焊共性技術特征、關鍵技術問題、窄間隙焊分類及各方法工藝原理、研究現(xiàn)狀、未來發(fā)展等方面詳細論述窄間隙焊的技術特點.

1 窄間隙焊共性技術特征

窄間隙焊作為一種高效、低成本、高質量的焊接方法，示意圖如圖1所示，主要特征如下：(1)現(xiàn)有焊接方法的迭代技術；(2)用于厚板結構焊；(3)焊接效率高，焊縫截面積比常規(guī)焊接方法減少50%以上；(4)焊接材料用量減少，較常規(guī)焊接方法減少30%以上，焊接厚度越大，效果越顯著；(5)多采用每層1～ 3道焊接方式，近年來隨著超窄間隙焊技術進步，多層單道焊模式因操作簡便、生產(chǎn)效率高，受到廣泛關注；(6)坡口形狀多為V形、U形以及I形結構，坡口角度0.5°～ 7°；(7)焊接熱輸入累加小，冷卻速度快，焊接接頭應力和變形小.

圖1 窄間隙焊接示意圖Fig.1 Diagram of narrow gap welding.(a) three welds per layer;(b) two welds per layer;(c) one weld per layer

2 窄間隙焊關鍵技術

窄間隙焊坡口的結構形式與傳統(tǒng)焊接方法坡口結構明顯不同，Anant等人[10]采用窄間隙GMAW對厚度為25 mm的材料進行焊接，坡口寬度為7.5 mm；徐祥久等人[11]采用窄間隙TIG焊完成了壁厚55 mm管件焊接，采用U形坡口，鈍邊2 mm，單邊坡口角度1.5°；張磊等人[12]提出了窄間隙埋弧焊，坡口寬度一般根部為9～ 12 mm，上部18～ 24 mm，坡口角度0.5°～ 1.5°；Ke?ler等人[13]采用窄間隙激光填絲焊對72.5 mm材料進行焊接，采用V形坡口，坡口角度3°，根部間隙控制在1.5～ 2mm之間；Wu等人[14]利用窄間隙激光-GMAW電弧復合焊對60 mm低合金高強鋼焊接，坡口寬度僅6 mm.綜上，窄間隙焊坡口形式突出表現(xiàn)為板材厚度大、坡口寬度窄、坡口角度小，因此為了實現(xiàn)窄間隙條件下的高質量、高可靠焊接，主要關鍵技術及難點有：

(1)窄間隙焊接側壁熔合技術.焊接熱源能量分布特點為中心能量密度大，四周能量密度小，在窄間隙坡口條件下進行焊接，坡口兩側熱源能量作用相對較弱，在坡口側壁特別是位于側壁與上層焊道交接位置，其熔合效果主要取決于焊絲金屬熔化熱及焊接熱源局部周邊產(chǎn)熱，因此易出現(xiàn)側壁熔合不良現(xiàn)象；

(2)窄間隙焊接過程精準、穩(wěn)定控制技術.窄間隙坡口寬度與窄間隙槍頭間雖預留安全空間，但受焊接過程不確定性的影響(如：焊接變形、焊接飛濺、送絲穩(wěn)定性、焊接軌跡精度等)，易產(chǎn)生側壁引弧、焊縫成形不均、熱源作用位置不準、刮/撞窄間隙槍頭等現(xiàn)象，因此對電源特性的選擇、運動機構的精準控制、槍頭可靠性等都提出了更高的技術要求；

(3)窄間隙焊坡口清理及焊縫修補技術.焊前及焊接過程中需進行坡口清理(如除銹、除油、母材及焊縫表面氧化皮等)，尤其是超窄間隙坡口受間隙尺寸制約，其清理難度大.焊縫返修方面：焊接中若出現(xiàn)焊接缺陷、成形不良等問題，需對焊接缺陷進行及時清除及補焊，受窄間隙坡口寬度、板材厚度等條件限制，其坡口清理及后續(xù)補焊作業(yè)難度大.

3 窄間隙焊的分類

目前，窄間隙焊熱源主要包括電弧和激光2種，近年來也出現(xiàn)了將這2種熱源復合的焊接形式.根據(jù)熱源種類將典型窄間隙焊分為6種，如圖2所示，同時，經(jīng)查閱相關文獻并結合實際焊接工程應用情況，對各種方法生產(chǎn)效率、焊接質量及技術成熟度進行了總結，見表1.

表1 窄間隙焊接方法綜合評價Table 1 Comprehensive evaluation of narrow gap welding methods

圖2 窄間隙焊接技術的典型方法Fig.2 Typical method of narrow gap welding technology

3.1 窄間隙熔化極氣體保護焊

3.1.1 工藝原理

熔化極氣體保護焊是指在一定氣體組成保護下，利用焊絲與工件間產(chǎn)生的電弧作為熱源，將金屬熔化的焊接方法.窄間隙熔化極氣體保護焊是1975年后研制成功的，通過將焊絲彎曲成特定角度，從而解決坡口側壁的熔合問題，至今側壁熔合問題仍是國內外學者研究的重點問題.目前解決側壁熔合的方式主要以雙絲焊、機械擺動電弧和彎絲法3種，機械擺動電弧和彎絲法，應用較廣泛.

(1)雙道多層焊道排布焊，見圖1(b)，窄間隙槍頭設計與制造難度大，必須保證焊絲能盡量達到坡口側壁位置，進而實現(xiàn)良好側壁熔合.2010年華焊科技有限公司發(fā)明了一種窄間隙雙絲GMAW焊用焊槍，如圖3所示[15]，將2個焊槍焊絲端部呈倒Y狀分別指向坡口側壁兩側，為了減小焊槍寬度，2個焊槍采取前后排布形式，進而實現(xiàn)窄間隙條件下的焊接，同時很好地解決了側壁熔合不良問題[16].

圖3 窄間隙雙絲GMAW焊用焊炬[15]Fig.3 Welding torch for narrow gap double wire GMAW.(a) structural front;(b) structural side

(2)機械擺動電弧其原理是電極尖端(焊接導電嘴)與旋轉機構形成夾角，通過電機帶動齒輪、導電桿做往復旋轉運動，最終實現(xiàn)電弧的擺動，如圖4所示[17-18].當電弧指向側壁時，有利于電弧對側壁的加熱，從而解決側壁熔合問題[19-20]，圖4(b)為窄間隙擺動電弧窄間隙MIG/MAG焊接過程.

圖4 機械擺動電弧窄間隙焊示意圖[17-18]Fig.4 Diagram of narrow gap welding with mechanical swing arc.(a) schematic；(b) Welding process

(3)彎曲焊絲法，彎曲焊絲窄間隙焊的原理是利用變形裝置將焊絲彎成波浪狀、曲折狀，隨著焊絲熔化來實現(xiàn)電弧的擺動，電弧擺動可使靠近兩側板壁的區(qū)域燃燒，有利于側壁熔合[21]，彎絲法焊原理及焊后焊縫形貌，如圖5所示.胡奉雅等人[22]采用該方法完成了68 mm厚EH40船用高強鋼焊接.

圖5 彎絲法焊接原理及焊后焊縫形貌[22]Fig.5 Welding principle of the wire bending method and the shape of the weld after welding.(a) schematic；(b) Welded cross-section morphology

3.1.2 研究進展

窄間隙熔化極氣體保護焊多采用直徑為0.8～ 1.6 mm焊絲，坡口結構為V形或U形，坡口角度1°～ 4°，坡口寬度6～ 18 mm，多用于碳鋼、不銹鋼以及鋁合金等材料焊接，保護氣體依據(jù)所焊材料選擇相應的氣體種類及組成.Anant等人[10]設計了一種GMAW窄焊槍，坡口寬度7.5 mm，同時利用數(shù)值模擬方法，建立了窄間隙噴嘴保護氣體流動動力學及其流量模型，保護氣流量為12 L/min，完成了25 mm材料無缺陷焊接，如圖6所示.

圖6 不同噴嘴角度下的氣體流動特性[10]Fig.6 Gas flow characteristics at different nozzle angles.(a) 0°;(b) 60°

Xu等人[23]采用擺動電弧窄間隙MAG焊，實現(xiàn)了35 mm厚低合金高強鋼材料窄間隙焊接，坡口頂部最大寬度13.5 mm，每層厚度3～ 4 mm，側壁熔合良好，35 mm厚高強鋼窄間隙焊縫形貌如圖7所示.

圖7 35 mm厚高強鋼窄間隙焊縫形貌[23]Fig.7 Narrow gap weld shape of 35mm thick highstrength steel.(a) welded front；(b) welded back；(c) Welded cross-section.

Zhu等人[24]對5083鋁合金NG-GMAW焊接過程中的氣孔特征及形成機理進行了研究，結果表明，在靠近窄間隙坡口側壁的焊接區(qū)域中，經(jīng)常出現(xiàn)大氣孔，這與鋁合金常規(guī)GMAW完全不同，認為窄間隙焊道側壁氣孔的形成與坡口類型、熔池形狀及其凝固行為密切相關，焊縫橫截面上的氣孔分布如圖8所示.

圖8 焊縫橫截面上的氣孔分布[24]Fig.8 Hole distribution in the weld cross section.(a) NG-GMAW welds;(b) overlay welds;(c) butt welds

3.1.3 未來發(fā)展趨勢

窄間隙熔化極氣體保護焊，采用焊絲作為電極金屬熔敷效率高，非常適合焊接過程的自動化，但焊接中易產(chǎn)生飛濺，當大顆粒飛濺凝固在窄坡口側壁后，有阻礙窄間隙焊槍移動隱患，一定程度上制約其發(fā)展，焊絲指向性、送絲穩(wěn)定性直接影響焊縫熔合及成形效果.文中認為未來該方法在窄間隙焊槍結構設計、低飛濺焊接電源開發(fā)(目前表面張力過渡、冷金屬過渡等方法在抑制焊接飛濺中均獲得較大突破)、槍頭端部焊絲矯正、送絲過程穩(wěn)定性、導電嘴的高載流能力、焊接氣孔、熔合缺陷抑制等方面應進一步深入研究.

3.2 窄間隙非熔化極氣體保護焊

3.2.1 工藝原理

非熔化極氣體保護焊，是指在惰性氣體的保護下，一般以鎢作為電極與工件間產(chǎn)生電弧熱，從而熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法，由Hobart和Devers所開發(fā)，在20世紀40年代為適應鋁、鎂等合金焊接的需求，由于采用氬氣保護，可用于焊接易氧化的有色金屬及其合金，同時不產(chǎn)生飛濺和熔渣，電弧穩(wěn)定性高，缺陷少，正因如此各領域關鍵部件的焊接，如核電領域關鍵構件均采用TIG焊，但受鎢極載流能力限制，金屬熔敷效率低，應用受限.窄間隙焊具有高效焊接的特點，因此各研究機構相繼開發(fā)了各種專用窄間隙TIG焊裝備，并在關鍵部件中成功獲得應用，其中以Polysoude公司、Liburdi公司和Babcock-Hitachi公司開發(fā)的產(chǎn)品應用最為廣泛，典型NG-GTAW槍頭如圖9所示，Polysoude裝備及窄間隙槍頭如圖10所示.

圖9 典型NG-GTAW槍頭Fig.9 Typical gun head of NG-GTAW.(a) Non-swinging torch;(b) Swinging torch

圖10 Polysoude裝備及窄間隙槍頭Fig.10 Polysoude equipment and narrow gap gun head.(a) overall shape of equipment;(b) narrow gap gun head morphology

3.2.2 研究進展

TIG焊雖然接頭性能優(yōu)異，但焊接效率方面相比其他焊接方法相對較低，因此為了提高TIG焊接效率，先后研制開發(fā)了熱絲TIG、TOP-TIG焊、TIPTIG焊和雙鎢極TIG焊[25]，針對窄間隙TIG焊，目前多采用熱絲方式來提升焊接生產(chǎn)效率.徐祥久等人[26]針對SA-335 P91鋼大口徑管環(huán)縫(直徑為356 mm，壁厚為55 mm)，采用全位置熱絲窄間隙TIG焊，將整條環(huán)縫均分為16個區(qū)域，根據(jù)不同位置熔池受力狀態(tài)對各區(qū)的焊接工藝參數(shù)進行修正，最終成功實現(xiàn)大口徑管全位置焊接，焊接接頭斷面形貌如圖11所示.

圖11 焊接接頭斷面宏觀形貌[26]Fig.11 Macroscopic morphology of the welded joint section

窄間隙TIG焊除了采用電極和焊絲機械擺動形式外，也有采用添加磁場優(yōu)化調控電弧形態(tài)和分布等方式，如圖12所示，解決窄間隙焊接側壁熔合不良的問題.其中磁控窄間隙TIG焊最早由巴頓焊接技術研究所提出，其原理是在外加磁場作用下受洛倫茲力作用，電弧的形態(tài)發(fā)生改變，如偏移、擺動和旋轉等[27]，目前相關研究人員針對磁控NG-TIG焊工藝和裝備等方面也有相關報道[28-31].

圖12 磁控窄間隙TIG焊接原理及過程圖[31]Fig.12 The principle and process diagram of magnetically controlled narrow gap TIG welding.(a)welding process schematic;(b) physical drawing;(c) magnetically controlled narrow gap welding process

3.2.3 未來發(fā)展趨勢

當今窄間隙TIG焊已獲得廣泛應用，未來提升窄間隙TIG焊自動化與智能化水平，進一步解決TIG焊效率低的問題，如開發(fā)窄間隙熱絲TIG焊、窄間隙多絲TIG焊和窄間隙多熱源TIG焊等.

3.3 窄間隙埋弧焊

3.3.1 工藝原理

埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法.20世紀80年代世界上一些工業(yè)發(fā)達國家相繼采用窄間隙埋弧焊成功焊接了石化高壓容器、電站過濾厚壁鍋筒、核反應容器、蒸汽發(fā)生器、水輪機軸和壓水管道以及大型鋼結構和橋梁等[12].

目前主要的窄間隙埋弧焊有窄間隙單絲埋弧焊和窄間隙雙絲埋弧焊，如圖13所示.單絲角焊，一層左右各一道；雙絲角焊，通常一根焊絲指向側壁實現(xiàn)角焊，保證側壁熔合，另一根焊絲垂直，實現(xiàn)熔敷效率的提升[32-34].

圖13 窄間隙埋弧焊示意圖Fig.13 Schematic diagram of narrow gap submerged arc welding.(a) single wire narrow gap submerged arc welding;(b) double wire narrow gap submerged arc welding

埋弧焊很難實現(xiàn)根部的單面焊雙面成形效果，因此為了實現(xiàn)根部的良好成形，多采用增加襯墊、正面打底及背面封底等方式，其窄間隙坡口形式如圖14所示[12].

圖14 窄間隙埋弧焊常用的坡口形式(R=9～ 12 mm，L=18～ 24 mm)Fig.14 Commonly used bevel forms for narrow gap submerged arc welding.(a) add pad;(b) front bottoming;(c) back cover

3.3.2 研究進展

20世紀80年代，ESAB、Ansakd公司相繼開發(fā)了窄間隙埋弧焊及成套裝備，國內同期引進了該技術并消化及再創(chuàng)新，哈爾濱焊接研究所林尚揚院士及其團隊自主設計了雙絲埋弧焊設備，并成功應用于加氫反應器(2 050 t，焊接壁厚337 mm)和8萬噸水壓機主工作缸的焊接(焊接厚度600 mm)，伊薩公司雙絲窄間隙埋弧焊機頭如圖15所示，加氫反應器主焊縫雙絲窄間隙埋弧焊及機頭如圖16所示，艾美特雙絲窄間隙埋弧焊機頭及激光跟蹤系統(tǒng)如圖17所示.

圖15 伊薩公司雙絲窄間隙埋弧焊機頭Fig.15 ESAB's double wire narrow gap submerged arc welding head

圖16 加氫反應器主焊縫雙絲窄間隙埋弧焊及機頭Fig.16 Main weld double wire narrow gap submerged arc welding and head of hydrogenation reactor

圖17 艾美特雙絲窄間隙埋弧焊機頭及激光跟蹤系統(tǒng)Fig.17 Emmett double wire narrow gap submerged arc welding head and laser tracking system

張磊等人[12]對跟蹤系統(tǒng)在窄間隙埋弧焊中的應用現(xiàn)狀進行了總結，提出目前窄間隙埋弧焊設備中應用最為成熟、市場占有率最大的跟蹤系統(tǒng)采用接觸式跟蹤技術，但隨著各種視覺圖像處理技術的發(fā)展，基于視覺傳感的非接觸式跟蹤系統(tǒng)因具有適用性廣、穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾性好等優(yōu)點，為窄間隙焊縫跟蹤提供了一種全新的思路.

3.3.3 未來發(fā)展趨勢

對于大厚度材料焊接，其焊接質量穩(wěn)定性是最重要的，一旦出現(xiàn)焊接缺陷，厚度越大、坡口間隙越小的焊縫越難修復[33]，因此對于窄間隙埋弧焊涉及焊絲位置的精準可達、工藝參數(shù)的穩(wěn)定可靠、坡口加工的尺寸精度、焊接變形的大小、焊劑脫渣的效果等方面都提出了更高的要求，需在工藝、材料以及裝備方面進一步創(chuàng)新發(fā)展.

3.4 窄間隙激光填絲焊

3.4.1 工藝原理

激光焊是20世紀70年代發(fā)展起來的，主要用于薄壁材料及精密部件的焊接制造，它是一種以聚焦的激光束作為能源作用于焊接工件，通過工件熔化而進行焊接的方法，添加的焊絲即為激光填絲焊.厚板窄間隙激光填絲焊是在激光填絲焊接基礎上演變而來，它是激光束與填充焊絲一同進入厚板窄間隙坡口內，并進行逐層焊接的方法，因其坡口寬度小，一般不超過6 mm，因此也稱為超窄間隙焊接，窄間隙激光填絲焊接，如圖18所示[35-36].

圖18 窄間隙掃描激光填絲焊接示意圖[35-36]Fig.18 Laser narrow gap welding schematic diagram.(a) overall morphology;(b) local morphology

窄間隙激光填絲焊是近幾年新興的焊接工藝，采用相對低功率的激光，通過逐層焊接方式，可有效地焊接厚度遠超過激光自熔焊能力的材料，與傳統(tǒng)窄間隙焊相比，該技術可以大幅提高焊接速度、減小焊接熱輸入，從而獲得低變形和高焊接效率[37]，此外對于有磁材料，電弧焊由于磁場的影響會產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象，對于這類材料窄間隙弧焊將不再適用，激光焊不受磁場作用影響，這也是厚板窄間隙激光填絲焊的一個特殊優(yōu)勢.窄間隙激光填絲焊優(yōu)勢：(1) 可實現(xiàn)大厚度材料焊接(＞100 mm)；(2) 超窄坡口焊接(坡口寬度＜8 mm)；(3) 焊接熱輸入小；(4) 焊接變形??；(5) 填充金屬消耗少.

3.4.2 研究進展

窄間隙激光填絲焊因其工藝靈活性高、焊接效率高，優(yōu)異的焊縫性能和具有自動化潛力，越來越多的學者對其進行了研究.

鎳基合金多采用TIG焊進行焊接，填充材料量大，焊接過程累積熱輸入大，產(chǎn)生熱裂紋，導致接頭性能下降.Ke?ler等人[13]采用窄間隙激光填絲焊，完成了壁厚72.5 mm、外徑為350 mm的鎳基合金617OCC管形件焊接，焊縫無裂紋或未熔合，但存在氣孔缺陷.與TIG焊相比，窄間隙激光填絲焊的焊接速度和送絲速度提高了5倍，坡口面積體積減少了3倍.

Kessler等人[38]采用窄間隙激光填絲焊實現(xiàn)140 mm厚617OCC鎳基高溫合金焊接工藝研究，坡口形式及激光擺動方式如圖19所示.采用3段工藝模式，即根部焊縫、單層單道焊以及單層雙道焊，此工藝策略不僅保證了焊縫側壁熔合，也避免了熱裂紋產(chǎn)生.Yang等人[39]采用窄間隙激光填絲焊完成100 mm厚SUS304鋼板的無缺陷焊接，如圖20所示.接頭角畸變小于1°，焊接接頭的平均抗拉強度為658 MPa，相當于母材抗拉強度的95%，在熔合線附近斷裂.鄒吉鵬等人[40]針對大厚板5A06鋁合金激光焊的缺陷，通過激光圓形掃描方式(掃描幅度＞1 mm，掃描頻率100～ 150 Hz)，完成了130 mm厚5A06鋁合金焊接，無側壁未熔合、層間未熔合、裂紋等焊接缺陷，如圖21所示.

圖19 坡口形式及激光擺動方式[38]Fig.19 Groove form and laser swing mode.(a) groove Schematic;(b) laser swing mode;(c) welt pool simulation

圖20 100 mm厚304不銹鋼窄間隙激光填絲焊接接頭[39]Fig.20 Narrow gap laser welding joint of 304 stainless steel with 100 mm thickness and filler wire.(a)positive surface of welded;(b) welded back surface (c) overall shape;(d) welded crosssection

圖21 130 mm厚焊縫截面[40]Fig.21 130 mm Weld cross section

3.4.3 未來發(fā)展趨勢

窄間隙激光填絲焊屬新興技術，處于研制開發(fā)階段，尚未獲得廣泛應用，其工藝過程的穩(wěn)定、工況適應能力的范圍、工藝缺陷的抑制、焊接接頭可靠性等方面存在諸多研究空白，需進一步研究探索.

3.5 窄間隙激光-電弧復合焊

3.5.1 工藝原理

早在20世紀70年代就由Steen[41]提出采用激光匹配一定形式的輔助電弧，形成激光-電弧復合熱源進行焊接，直到90年代科研人員才對其進行了深入研究[42-43]，目前激光-電弧復合焊發(fā)展迅速，高效、低變形及優(yōu)異的焊接性能在諸多領域已成功獲得推廣應用.

窄間隙激光-電弧復合焊是近年來發(fā)展起來的，其原理與現(xiàn)有的激光-電弧復合焊相同，只是科研人員為了進一步提高焊接效率，將窄間隙焊接技術引入而發(fā)展起來的.窄間隙激光-電弧復合焊一般采用激光在前，電弧在后的形式，利用激光在窄坡口下，垂直焊接方向的往復擺動與電弧形成共熔池焊接，利用激光對電弧的穩(wěn)弧作用，保證電弧在窄間隙坡口內部的穩(wěn)定，同時激光擺動作用也進一步提高了熔化金屬的鋪展效果，降低了窄間隙側壁熔合傾向，激光-TIG電弧復合焊接示意圖，如圖22所示.

圖22 激光-TIG電弧復合焊接示意圖Fig.22 Schematic diagram of laser-TIG arc hybird welding

3.5.2 研究進展

Wu等人[14]開展了窄間隙激光-GMAW電弧復合焊研究，完成了60 mm低合金高強鋼焊接，如圖23所示，同時分析表明激光在窄坡口下的擺動對電弧的穩(wěn)定、改善側壁熔合及良好成形有顯著效果，認為熔池在擺動激光的作用下形成凹面，這促進了凹槽側壁的熔化，并抑制了側壁未熔合.Meng等人[44]將窄間隙下的焊縫成形形貌分為凹形、凸形、中凸形和傾斜形4種類型，如圖24所示，同樣認為當焊縫形貌為凹形效果時，可有效改善側壁熔合不良現(xiàn)象，并認為電弧電流、焊接速度和坡口寬度對凹度有顯著影響.

圖23 窄間隙激光-TIG復合焊60 mm厚截面圖(mm)Fig.23 Cross section of the weld bead produced by NGHW using a 60 mm thick plate.(a) groove geometry and sizes;(b) cross section;(c)X-ray inspection image

圖24 基于LOF對焊縫截面形狀進行分類Fig.24 Classification of the weld cross-sectional shape of the previous solidified pass based on the LOF occurrence.(a) Ⅰ;(b) Ⅱ;(c) Ⅲ;(d) Ⅳ

在窄間隙激光-TIG電弧復合焊方面，滕彬等人[45]開發(fā)了一種窄間隙激光-TIG電弧復合焊炬，采用焊絲在前、掃描激光居中、TIG電弧在后的焊接方式，TIG電弧可進行往復擺動，有效保證焊縫兩側與母材側壁的熔合，焊槍整體寬度12 mm，可實現(xiàn)200 mm厚材料的焊接需求.窄間隙激光-TIG復合焊接槍頭如圖25所示.

圖25 窄間隙激光-TIG復合焊接槍頭Fig.25 Narrow gap laser-TIG hybird welding head.(a)two-dimensional diagram；(b) three-dimensional diagram

3.5.3 未來發(fā)展趨勢

工業(yè)上對提高工藝質量和生產(chǎn)效率的要求，導致了先進焊接技術及裝備的發(fā)展，單一熱源受本身熱源特性限制，低熔敷效率和焊接速度阻礙了工業(yè)的進一步發(fā)展；雙熱源或多熱源焊接技術的興起，克服了單一熱源的缺陷，在一定意義上實現(xiàn)了1 +1＞2的作用；激光電弧復合焊的發(fā)展，已取得了突破性進展，窄間隙激光電弧復合焊也受到科研工作者的廣泛關注，未來一段時間，窄間隙條件下的激光與電弧的作用機理依然是研究熱點，基礎理論的發(fā)展將進一步促進工藝的發(fā)展.

雙熱源或多熱源復合焊參數(shù)的復雜性大幅增加，僅僅依靠大量工藝試驗驗證，已無法滿足要求，因此為了更好地分析雙熱源或多熱源間相互作用機制、復合熔池流場、熱場及應力場原理，建立多熱源數(shù)學模型，采用數(shù)值計算的方法研究其基礎理論是未來發(fā)展趨勢之一.

4 窄間隙焊接技術未來展望

窄間隙焊是20世紀60年代逐步發(fā)展起來的，目前窄間隙埋弧焊、窄間隙TIG、窄間隙MIG焊等焊接方法已廣泛用于各領域厚板焊接，激光相關窄間隙的研究也受到廣泛關注，研究人員甚至把窄間隙焊和激光焊并稱為21世紀最適合厚板焊接的2種焊接方法[46].

優(yōu)質、高效一直是窄間隙焊發(fā)展的目標，未來將擁有更加廣闊的前景，目前市場對窄間隙焊需求不斷增加，技術要求也越來越高，如窄間隙TIG焊效率低、窄間隙埋弧焊根部穩(wěn)定成形、焊接過程自動化程度低等諸多問題，因此對于窄間隙焊及裝備的發(fā)展仍需加強，其中窄間隙裝備的數(shù)字孿生技術、焊接過程的智能閉環(huán)控制技術、在線質量檢測與反饋控制技術、大厚度窄間隙跟蹤與高精度軌跡控制技術、多熱源多絲窄間隙焊接技術、復雜條件的模擬仿真技術以及窄間隙焊接材料研制等，均是未來窄間隙焊發(fā)展需研發(fā)和突破的重點.

5 結束語

(1)窄間隙在厚板焊接時的獨特優(yōu)勢，使窄間隙焊逐步被應用到需要的各種領域。窄間隙焊接技術也向更加精細制造的方向前進，窄間隙焊的形式也越來越多變，從正常的單絲窄間隙焊到多絲窄間隙焊，從電弧窄間隙焊再到激光窄間隙焊，窄間隙焊的發(fā)展及改進可以說是十分迅速的。

(2)文中較為系統(tǒng)的論述了窄間隙焊的原理及研究現(xiàn)狀，分析了各種窄間隙焊的特點、應用及存在的問題，簡要闡述了窄間隙焊的發(fā)展趨勢?？梢灶A見，在未來窄間隙方法將擁有更加廣闊的前景。

(3)窄間隙焊接技術在向數(shù)字化轉型中，仍存在許多不足，面臨諸多挑戰(zhàn)，需要廣大焊接科技人員不斷攻關，推動窄間隙焊接技術發(fā)展與應用。