徐望輝，楊清福，肖逸峰

（1.廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室 廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）廣東省科學(xué)院，廣州 200240；2.湘潭大學(xué)，湖南 湘潭 200125）

隨著厚板在深海工程、艦艇、厚壁管道及壓力容器等金屬構(gòu)件中的應(yīng)用日益廣泛，對厚板的焊接效率和焊接質(zhì)量也提出了更高要求。傳統(tǒng)焊接方法需開大角度 V型坡口，會產(chǎn)生焊接填充量大、坡口變形量大和焊接效率低等不足。窄間隙焊接技術(shù)因采用窄且深的小角度U型或者I型坡口而具有焊接效率高、焊材消耗少及熱輸入低等優(yōu)勢，且隨著板厚的增加，窄間隙焊接的優(yōu)勢愈加明顯，如圖1所示。

圖1 窄間隙與常規(guī)V型坡口焊縫示意圖Fig.1 Narrow gap and conventional V-groove weld

美國巴特爾焊接研究所最先提出窄間隙焊接技術(shù)，但是對于窄間隙焊接的定義一直不清晰。日本壓力容器委員會將窄間隙焊接的定義與板厚及坡口間隙相聯(lián)系，板厚小于200 mm時其坡口間隙小于20 mm，板厚超過200 mm，坡口間隙小于30 mm，且一般為每層一道或者雙道，每層道數(shù)相同，這種坡口的焊接稱之為窄間隙焊接[1]。按照所使用的焊接工藝分類，窄間隙焊接分為窄間隙TIG焊、窄間隙MAG焊和窄間隙埋弧焊[2—3]。隨著高效率焊接技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合熱源開始應(yīng)用于窄間隙坡口焊接，復(fù)合熱源窄間隙焊能夠在降低坡口填充量的同時，增加了焊接熔覆效率，進一步提升了窄間隙焊接的高效性，復(fù)合熱源窄間隙焊接成為熱門研究方向。

雖然窄間隙焊接具有諸多優(yōu)勢，但是由于窄間隙焊接采用的小角度坡口，坡口側(cè)壁與熱源的中軸線幾乎平行，電弧熱源無法對坡口側(cè)壁直接加熱，而常規(guī)電弧的熱量分布為高斯分布，電弧外圍熱量偏低，造成電弧對坡口側(cè)壁的熱輸入不足，容易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷，從而對大型結(jié)構(gòu)件使用安全造成嚴重的不良后果，因此開發(fā)適合的側(cè)壁熔合控制技術(shù)，保證側(cè)壁充分熔合是窄間隙焊接需要解決的關(guān)鍵問題。文中對近年來國內(nèi)外關(guān)于窄間隙焊接側(cè)壁熔合控制方法及原理進行綜述，分析其技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題，以期為窄間隙焊接技術(shù)的應(yīng)用和新技術(shù)的開發(fā)提供可靠的參考。

1 旋轉(zhuǎn)電弧技術(shù)

利用機械或者旋轉(zhuǎn)磁場的方式使電弧在窄間隙坡口內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，從而擴大電弧加熱區(qū)域，增加電弧對側(cè)壁的加熱時間，已達到保證側(cè)壁充分熔合的目的，旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接技術(shù)的原理如圖2所示。日本學(xué)者首先開發(fā)的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接方法，其利用偏心導(dǎo)電嘴的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)焊絲和電弧在坡口內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)，但是這一方式加劇了導(dǎo)電嘴磨損的問題[4—5]。江蘇科技大學(xué)采用空心軸電機帶動偏心導(dǎo)電嘴，實現(xiàn)焊絲及電弧的旋轉(zhuǎn)，改善了焊槍結(jié)構(gòu)[6]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對偏心導(dǎo)電嘴磨損的問題，開發(fā)了錐形旋轉(zhuǎn)的新型窄間隙焊炬，并對旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接過程中的電弧行為及熔池行為進行了分析與研究[7—8]。

圖2 旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotating arc narrow gap welding

旋轉(zhuǎn)頻率及旋轉(zhuǎn)半徑為旋轉(zhuǎn)電弧的主要控制參數(shù)。旋轉(zhuǎn)半徑一般是固定的，需根據(jù)坡口尺寸來進行設(shè)計，而旋轉(zhuǎn)頻率可以在焊接過程中進行調(diào)整。旋轉(zhuǎn)頻率的增加有利于改善側(cè)壁熔合和促進熔滴過渡，但是過高的旋轉(zhuǎn)頻率容易造成導(dǎo)電嘴的過渡磨損，也增加了焊槍設(shè)計的難度，因此一般旋轉(zhuǎn)頻率為50~100 Hz。上海交通大學(xué)余剛等對40 mm厚的10Ni5CrMoV鋼旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊進行了研究，當旋轉(zhuǎn)頻率為60 Hz時，焊縫成形良好，未出現(xiàn)常見的焊接缺陷，且焊縫側(cè)壁熔合較好，未出現(xiàn)不熔合現(xiàn)象，但是旋轉(zhuǎn)電弧使得熔池溫度分布更加均勻，而側(cè)壁受熱加大，因此，其熱影響區(qū)較寬[9]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭寧使用旋轉(zhuǎn)電弧橫向MAG焊技術(shù)，有效解決了窄間隙焊接時側(cè)壁未熔合及橫向熔池向下塌陷的問題，得到無塌陷的橫向焊縫，整體的焊縫質(zhì)量優(yōu)良，側(cè)壁熔合效果明顯，但是可能出現(xiàn)焊縫不對稱的問題，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠性需要提高[10—11]。

2 雙電弧焊接技術(shù)

雙電弧可以擴大加熱區(qū)域，從而達到保證側(cè)壁熔合的目的。在雙絲窄間隙MAG焊中，利用彎曲的焊絲或者彎曲的導(dǎo)電嘴使兩電弧分別指向兩側(cè)壁，直接對側(cè)壁進行加熱熔化，這種方法可以保證側(cè)壁熔合。美國最先提出了兩焊絲前后布置的方式[12]，法國DCAN造船廠采用預(yù)先彎曲焊絲的方式焊接了高強鋼厚板[13]，但是彎曲焊絲或者彎曲導(dǎo)電嘴受焊絲韌性影響較大，也對焊絲的校直要求高，焊絲端部的指向可控性差。雙鎢極窄間隙 TIG焊最早由日本學(xué)者Yamada等[14]提出，該方法采用雙電極，兩臺電源分別提供脈沖電流，中間以分離裝置絕緣，兩鎢極分別布置在坡口兩側(cè)，從而增加電弧的加熱范圍，解決側(cè)壁熱輸入不足的問題，如圖3所示。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高沉積率和高質(zhì)量的窄間隙焊接，已經(jīng)實現(xiàn)了190 mm厚鈦合金板材的窄間隙焊接[15]。

圖3 雙鎢極窄間隙焊接示意圖[15]Fig.3 Twin-tungsten narrow gap welding

哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2009年開始對雙絲窄間隙MAG焊接技術(shù)進行研究，開發(fā)了雙絲窄間隙焊接技術(shù)，其原理如圖4所示[16—21]。采用彎曲導(dǎo)電嘴方式使兩焊絲分別指向兩側(cè)壁，并對921高強鋼和980鋼進行了窄間隙焊接試驗，焊接效率獲得了極大的提高，成功實現(xiàn)了60 mm厚低碳鋼和45 mm厚高強鋼的焊接，焊槍及焊縫實物如圖5所示。

為了進一步改善坡口側(cè)壁熔合質(zhì)量，蔡笑宇等在常規(guī)的混合氣體中加入 He氣，形成了 Ar、CO2及He的三元保護氣，應(yīng)用于窄間隙雙絲MAG焊接中。由于 He的加入，改善了雙絲電弧的物理特性，促進了熔滴過渡，提升了電弧對坡口側(cè)壁的熱輸入，在同等焊接參數(shù)下，三元保護氣的側(cè)壁熔深顯著增加[22—25]。

圖4 雙絲窄間隙焊接示意圖[21]Fig.4 Twin-wire narrow gap welding

圖5 雙絲窄間隙焊槍與焊縫橫截面Fig.5 Twin-wire narrow gap welding gun and weld cross section

3 帶狀電極技術(shù)

鄭森木等[26]為解決窄間隙焊接時常出現(xiàn)的側(cè)壁未熔合問題，提出了帶狀電極窄間隙MAG焊接技術(shù)，使用帶狀電極代替常規(guī)的圓柱形焊絲作為熔化極伸入坡口內(nèi)，由于帶狀電極的特殊形狀可以在坡口內(nèi)自動形成擺動電弧，增加電弧對坡口側(cè)壁的熱輸入，從而改善側(cè)壁與坡口底部熔合質(zhì)量，形成良好的焊接接頭。帶狀電極窄間隙MAG焊接技術(shù)原理如圖6所示。

圖6 帶狀電極窄間隙MAG焊接示意圖[26]Fig.6 Strip electrode narrow gap MAG welding

李淵博等將片狀鎢極應(yīng)用在超窄間隙焊接中，利用片狀鎢極的電弧分布特性，來改善側(cè)壁熔合質(zhì)量，并利用固壁約束作用，改善超窄間隙中電弧物理場分布，增強電弧對坡口底角的加熱作用，取得了較好的效果[27—28]。

4 激光電弧復(fù)合熱源技術(shù)

激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)具有激光能量密度高、深熔性優(yōu)越、抗干擾能力強和電弧焊接坡口間隙適應(yīng)性好、裝配精度要求低等綜合優(yōu)勢，近年來在厚板焊接領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。在激光窄間隙焊接過程中，坡口側(cè)壁熔合的控制一般是通過增加激光作用區(qū)域來實現(xiàn)的，具體方法包括正離焦激光、擺動激光、多光束等方式。改善激光加熱區(qū)域較為簡單的方法是采用正離焦量。理論上來說離焦量越大，激光光斑直徑越大，激光加熱區(qū)域越大，越有利于坡口側(cè)壁母材的熔化。Miikka Karhua等分析了離焦量對焊縫成形的影響規(guī)律，實現(xiàn)了底部間隙4 mm，頂部間隙10.2 mm，并以正離焦激光與MIG電弧復(fù)合成功實現(xiàn)了60 mm厚不銹鋼窄間隙焊接[29]，如圖7所示。該研究結(jié)果表明，采用增大離焦量的方式可以實現(xiàn)深窄間隙坡口的焊接，有利于保證側(cè)壁熔化，后續(xù) MIG電弧能夠增加熱輸入和熔覆效率。

圖7 正離焦激光-MIG復(fù)合焊接坡口及焊縫[29]Fig.7 Groove and bead of laser-MIG hybrid welding

日本學(xué)者開發(fā)了擺動激光填絲窄間隙焊接方法，利用掃描振鏡使激光束在坡口之間擺動，增加側(cè)壁的熱輸入，其原理如圖8所示[30]，但是該文獻未將擺動激光束與電弧復(fù)合。李利群、陳新亞等研究了擺動激光-MIG復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性及焊縫成形規(guī)律，擺動激光能夠增加熔寬，將焊縫熔深從指狀變?yōu)橥霠頪31]。華中科技大學(xué)進行了激光 MAG復(fù)合窄間隙焊接試驗，研究了焊接電流及間隙寬度對熔滴過渡模式的影響規(guī)律，成功實現(xiàn)了30 mm厚鋼板的窄間隙焊接，但未對側(cè)壁熔合控制方法進行分析[32—34]。

圖8 擺動激光窄間隙焊接原理示意圖[30]Fig.8 Principle of swing laser narrow gap welding

5 擺動電弧技術(shù)

擺動電弧是一種常用的焊接手段，能夠增加電弧作用區(qū)域、提升兩側(cè)加熱時間，在窄間隙焊接中，擺動電弧使用率達到75%之高[35]。擺動電弧的方法包括焊槍整體擺動、波浪形焊絲、彎曲導(dǎo)電嘴、斜裝鎢極及磁控電弧等，其中焊槍整體擺動因受到焊槍結(jié)構(gòu)的限制，只能實現(xiàn) 20 mm以內(nèi)深度的窄間隙焊接，其優(yōu)勢不明顯，在大角度 V型坡口中應(yīng)用較多。波浪形焊絲能夠?qū)崿F(xiàn)電弧在坡口內(nèi)部的周期性擺動，具有焊槍緊湊、側(cè)壁熔合較好的優(yōu)勢，目前在船舶、重工等領(lǐng)域已成功應(yīng)用。

烏克蘭巴頓所針對鈦合金厚板的焊接問題，開發(fā)了磁控電弧窄間隙焊接設(shè)備。該設(shè)備利用前后布置的交變磁場發(fā)生器在電弧周圍產(chǎn)生交變磁場，電弧在交變磁場的作用下產(chǎn)生周期性的擺動，該方法已經(jīng)成功實現(xiàn)了鈦合金的厚板焊接，但是焊接效率相對窄間隙MIG/SAW依然相差較遠。孫清潔等在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了磁場強度，如圖9所示，研究了磁場參數(shù)、鎢極參數(shù)對鈦合金厚板窄間隙焊接過程的影響規(guī)律，結(jié)果表明交變磁場不但有利于增加側(cè)壁熔深，也能細化晶粒，提升接頭力學(xué)性能[36—37]。

采用彎曲導(dǎo)電嘴或者斜裝鎢極的方式使電弧圍繞導(dǎo)電桿中軸線在坡口內(nèi)部擺動，從而增加電弧作用面積，提升側(cè)壁熱輸入。日本Babcock-Hitachi公司開發(fā)的HST全位置窄間隙熱絲TIG焊接設(shè)備，其原理如圖10所示。鎢極斜裝于導(dǎo)電桿下部，導(dǎo)電桿在電機的帶動下來回旋轉(zhuǎn)，從而使鎢極圍繞導(dǎo)電中軸線來回擺動，進而實現(xiàn)擺動電弧。該方法焊接過程穩(wěn)定，電弧能夠穩(wěn)定地在坡口側(cè)壁燃燒，獲得的焊縫側(cè)壁熔合充分，由于采用熱絲的方式，焊接效率較普通窄間隙TIG獲得了一定的提升，但是其焊縫厚度依然在 2 mm左右，無法進一步增加熔覆效率。

圖9 雙磁極磁控電弧窄間隙TIG焊接原理[36]Fig.9 Schematic diagram of narrow gap TIG welding with double pole magnetron arc

圖10 擺動電弧窄間隙TIG焊過程Fig.10 Oscillating arc narrow gap TIG welding process

王加友等開發(fā)了旋擺電弧窄間隙焊接技術(shù)，利用焊絲在窄間隙坡口內(nèi)部的旋擺運動，周期性地控制電弧對側(cè)壁的熱輸入，從而保證側(cè)壁熔合[38—39]。徐望輝等從2011年開始進行斜裝導(dǎo)電嘴式的擺動電弧窄間隙MAG焊接技術(shù)研究，開發(fā)了相應(yīng)的焊炬和保護噴嘴，并對其熔滴過渡與熔池行為進行了分析，完成了厚壁結(jié)構(gòu)的空間多位置窄間隙焊接[40—44]。斜裝導(dǎo)電嘴式擺動電弧窄間隙焊接原理如圖11所示，通過電機帶動下端彎曲的導(dǎo)電桿做來回旋轉(zhuǎn)，使伸出的焊絲在導(dǎo)電嘴的帶動下做弧形擺動，對坡口側(cè)壁進行周期性的加熱熔合。熔池的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，電弧的周期性擺動帶動了熔池的周期性流動，擺動頻率越大，液態(tài)金屬流向側(cè)壁的速度越大，越有利于側(cè)壁熔深增加[45—46]。

圖11 擺動電弧窄間隙MIG/MAG焊炬示意圖[40]Fig.11 Swing arc narrow gap MIG/MAG torch

6 總結(jié)

1）窄間隙焊接作為一種高效率焊接技術(shù)，在大型厚壁結(jié)構(gòu)的焊接領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)開發(fā)了多種窄間隙焊接設(shè)備，相關(guān)工藝也越來越完善，但是保證側(cè)壁充分熔合依然是窄間隙焊接的關(guān)鍵技術(shù)，并直接影響到窄間隙焊接的應(yīng)用推廣。

2）當前采用的運動電?。〝[動、旋轉(zhuǎn)）和復(fù)合熱源方式（多電弧、激光-電弧復(fù)合）能在一定程度上解決側(cè)壁未熔合問題，并且在壓力容器、厚壁管道等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，但是這些側(cè)壁熔合控制技術(shù)依然存在控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配精度要求高等不足，對焊接過程的穩(wěn)定性造成了極大的負擔，因此，進一步改善側(cè)壁熔合質(zhì)量，增加焊接過程參數(shù)的閾值范圍，開發(fā)及完善側(cè)壁熔合控制技術(shù)，依然是窄間焊接的研究重點方向。