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1、高效焊接方法现代焊接生产技术国家重点实验室第一章窄间隙焊接一.什么是窄间隙焊接n n 1963 1963年在 年在“铁时代 铁时代”杂志上首先由美国巴特尔研究所提 杂志上首先由美国巴特尔研究所提出，顾名思义就是焊接时坡口间隙比常规焊接要窄 出，顾名思义就是焊接时坡口间隙比常规焊接要窄n n 多窄才算做窄间隙呢？多窄才算做窄间隙呢？日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会：板厚 日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会：板厚大于 大于mm mm以上，以小于板厚的间隙进行焊接，一般而 以上，以小于板厚的间隙进行焊接，一般而言板厚小于 言板厚小于200mm 200mm时，间隙小于 时，间隙小
2、于20mm 20mm，板厚超过，板厚超过200mm 200mm时，间隙小于 时，间隙小于30mm 30mm。对于常规厚板（对于常规厚板（mm mm左右）坡口尺寸 左右）坡口尺寸8mm 8mm以下为窄间隙，以下为窄间隙，5mm 5mm以下为超 以下为超窄间隙。窄间隙。n n 注意：窄间隙焊接不是一种常规意义上的焊接方法，而是一种焊接方式，是利用了现有的弧焊方法的一种特别技术n n 多种焊接方法都可用窄间隙焊接 多种焊接方法都可用窄间隙焊接(NG:Narrow Gap)(NG:Narrow Gap)NG-SAW NG-SAW：考虑脱渣，已成熟，但不适于全位置焊：考虑脱渣，已成熟，但不适于全位置焊
3、NG-GMAW NG-GMAW（MAG MAG、CO CO2 2）：适于全位置焊，但要解决飞溅和）：适于全位置焊，但要解决飞溅和 侧壁熔合问题（特别是横焊时），工艺规范区间较窄 侧壁熔合问题（特别是横焊时），工艺规范区间较窄 这两种方法占窄间隙焊接总量的以上 这两种方法占窄间隙焊接总量的以上 NG-TIGNG-TIG：焊焊缝缝质质量量好好，但但效效率率低低，主主要要用用于于不不锈锈钢等特殊材料或进行打底焊，大约占钢等特殊材料或进行打底焊，大约占1010 NG-MAW NG-MAW和窄间隙电渣焊：应用较少和窄间隙电渣焊：应用较少 NG-GMAWNG-GMAW药药芯芯焊焊丝丝：小小规规范范下下短短
4、路路过过渡渡，飞飞溅溅小小，成形好，但清渣困难，研究热点值得关注成形好，但清渣困难，研究热点值得关注 特殊的窄间隙焊接：激光焊接、电子束焊接特殊的窄间隙焊接：激光焊接、电子束焊接n n 窄间隙焊接的特征：窄间隙焊接的特征：()多数采用 多数采用 形坡口或坡口角度很小（形坡口或坡口角度很小（.-o o）的、）的、形坡口；形坡口；()多层焊接；多层焊接；()自上而下的各层焊道数目相同 自上而下的各层焊道数目相同(通常为 通常为1 1或 或2 2道 道)；()采用小或中等线能量进行焊接。采用小或中等线能量进行焊接。n n窄间隙焊接的优点：窄间隙焊接的优点：n n坡口断面积小减少焊接时间，填充材坡口断
5、面积小减少焊接时间，填充材料少，能耗低，降低成本，料少，能耗低，降低成本，效率高效率高n n焊接线能量小区小，组织细小，改焊接线能量小区小，组织细小，改 善接头韧性，机械性能优善接头韧性，机械性能优 良，焊接残余应力、变形小良，焊接残余应力、变形小二.窄间隙焊接的优点和不足n n 不足：不足：n n 在 在狭 狭窄 窄坡 坡口 口内 内的 的气 气、丝 丝、水 水、电 电的 的导 导入 入困 困难 难，焊 焊枪 枪复 复杂 杂，加 加工 工精 精度 度高 高、难 难度大，通用性不强 度大，通用性不强n n 由 由于 于电 电弧 弧轴 轴向 向与 与侧 侧壁 壁夹 夹角 角很 很小 小，容 容易
6、 易导 导致 致侧 侧壁 壁未 未熔 熔合 合，这 这是 是窄 窄间 间隙 隙焊 焊接 接关 关键 键问题 问题 n n 焊丝 焊丝对中要求高 对中要求高，对中不好，几乎不能进行焊接，对中不好，几乎不能进行焊接n n 窄间隙焊缝往往由几十层焊道形成，一层有缺陷，返修很困难 窄间隙焊缝往往由几十层焊道形成，一层有缺陷，返修很困难n n 焊接规范区间较窄，焊接过程抗干扰性差，飞溅对焊接过程影响严重 焊接规范区间较窄，焊接过程抗干扰性差，飞溅对焊接过程影响严重；n n 在侧壁的拘束下容易产生热裂纹，尤其是第一道焊缝产生的几率最大 在侧壁的拘束下容易产生热裂纹，尤其是第一道焊缝产生的几率最大 国内的应
7、用主要以窄间隙埋弧焊为主，并且我国的窄间隙焊接研究多 国内的应用主要以窄间隙埋弧焊为主，并且我国的窄间隙焊接研究多开展在高校，因此实际应用的较少。实际应用多集中在锅炉厂和造船 开展在高校，因此实际应用的较少。实际应用多集中在锅炉厂和造船厂，如哈尔滨锅炉厂，渤船重、武汉造船厂等。厂，如哈尔滨锅炉厂，渤船重、武汉造船厂等。n n 我国目前主要是应用粗丝大电流 我国目前主要是应用粗丝大电流NG-SAW NG-SAW，NG-GMAW NG-GMAW等其它方法 等其它方法应用很少。应用很少。Why Why？1 1）埋弧焊对焊丝在坡口内作用位置的不敏感，工艺规范区间宽，粗）埋弧焊对焊丝在坡口内作用位置的不
8、敏感，工艺规范区间宽，粗 丝大电流，侧壁熔合好，工艺可靠性高，无飞溅。丝大电流，侧壁熔合好，工艺可靠性高，无飞溅。2 2）NG-SAW NG-SAW焊接设备的可靠性和产品化程度较高，国内也可自主 焊接设备的可靠性和产品化程度较高，国内也可自主 开发 开发 3)NG-GMAW 3)NG-GMAW侧壁熔合 侧壁熔合问题一直未得到有效解决 问题一直未得到有效解决直流正接窄间隙GMAW焊接简介 MIG MIG直流正接？熔滴过渡不稳定？直流正接？熔滴过渡不稳定？前 前苏 苏联 联、哈 哈尔 尔滨 滨锅 锅炉 炉厂 厂和 和哈 哈焊 焊所 所、日 日本 本都 都通 通过 过实 实验 验证 证实 实在 在窄
9、 窄间 间隙 隙这 这一 一特 特殊 殊环 环境 境中 中，直 直流 流正 正接 接电 电弧 弧非 非常 常稳 稳定 定，焊 焊接 接时 时，坡 坡口 口侧 侧壁 壁也 也产 产生 生电 电弧 弧，熔 熔合 合较 较好 好，熔 熔滴 滴过 过渡 渡由 由滴 滴状 状变 变为 为喷 喷射 射过 过渡 渡，形 形成 成凹 凹形 形焊 焊缝 缝，成 成型 型良 良好 好，结 结晶 晶裂 裂纹 纹倾 倾向 向小 小，焊 焊丝 丝熔 熔化 化速度快，生产率比反极性提高 速度快，生产率比反极性提高50 50。直 直流 流正 正极 极性 性窄 窄间 间隙 隙焊 焊接 接，可 可以 以进 进行 行常 常规 规
10、焊 焊接 接，也 也可 可以 以利 利用 用焊 焊丝 丝刚 刚度 度较 较大 大的 的特 特点 点，仅 仅将 将焊 焊丝 丝深 深入 入到 到窄 窄间 间隙 隙中 中去 去，而 而导 导电 电嘴 嘴并 并不 不深 深入 入到 到窄 窄间 间隙 隙中 中去 去，但 但近 近适 适用 用于 于40mm 40mm以 以下 下低 低合 合金 金钢 钢，且 且仅 仅适 适用 用于 于平 平焊 焊。焊 焊接 接时 时为 为保 保持 持稳 稳定 定，导 导电 电嘴 嘴应 应随 随焊 焊道 道升 升高 高而 而升 升高 高（干 干伸 伸长 长不 不变 变），而 而气 气体 体喷 喷嘴 嘴必 必须 须保 保持
11、持高 高度 度，保 保证 证保 保护 护效果。效果。正极性窄间隙焊接最佳规范参数很窄，也不适用盖面焊道。正极性窄间隙焊接最佳规范参数很窄，也不适用盖面焊道。直 直流 流反 反接 接在 在侧 侧壁 壁产 产生 生电 电弧 弧时 时焊 焊接 接将 将无 无法 法进 进行 行：电 电 弧 弧 自 自 身 身 调 调 节 节作用丧失 作用丧失。这也是窄间隙焊接对焊丝对中要求高的原因 这也是窄间隙焊接对焊丝对中要求高的原因。各种NG-GMAW焊接方式的优缺点n n 麻花形焊丝 麻花形焊丝 折曲式送丝：导电嘴易磨损，焊丝材质太硬或焊丝本身如果存在死结，折曲式送丝：导电嘴易磨损，焊丝材质太硬或焊丝本身如果存
12、在死结，会造成焊丝的不规则摆动，容易引起未融合及缺陷；会造成焊丝的不规则摆动，容易引起未融合及缺陷；n n 偏心低速旋转 偏心低速旋转：导电嘴磨损大，传动齿轮容易磨损而造成转动失稳，电极接入：导电嘴磨损大，传动齿轮容易磨损而造成转动失稳，电极接入 困难；困难；n n 双丝或多丝：双丝或多丝：焊枪特殊，坡口间隙大；焊枪特殊，坡口间隙大；n n 旋转射流过渡：工艺区间小，难以控制；旋转射流过渡：工艺区间小，难以控制；n n 磁控电弧摆动：只适用于 磁控电弧摆动：只适用于NG-TIG NG-TIG；n n 电弧高速旋转：焊枪相对简单小巧，工艺性好，是一种比较好的方式，电弧高速旋转：焊枪相对简单小巧，
13、工艺性好，是一种比较好的方式，但焊丝对保护气的扰动较大，需两重保护气。但焊丝对保护气的扰动较大，需两重保护气。n n 焊钢 焊钢n n 细 细丝 丝小 小电 电流 流窄 窄间 间隙 隙焊 焊接 接：低 低热 热输 输入 入窄 窄间 间隙 隙焊 焊接 接，焊 焊丝 丝直 直径 径，单 单根 根焊 焊丝 丝线 线能 能量 量小 小于 于6KJ/cm 6KJ/cm，为 为提 提高 高生 生产 产率 率多 多用 用双 双丝 丝或 或多 多丝 丝焊 焊接 接，焊 焊丝 丝间 间距 距300mm 300mm以 以上 上。适 适用 用于 于大 大厚 厚度 度高 高强 强钢 钢、高 高合金钢、及热敏感材料。合
14、金钢、及热敏感材料。n n 粗 粗丝 丝大 大电 电流 流窄 窄间 间隙 隙焊 焊接 接：高 高热 热输 输入 入窄 窄间 间隙 隙焊 焊接 接，焊 焊丝 丝直 直径 径，可 可进 进一 一步 步提 提高 高生 生产 产率 率，但 但电 电流 流过 过大 大易 易产 产生 生“梨 梨形 形熔 熔深 深”导 导致裂纹，多采用脉冲电流或直流正极性焊接法。致裂纹，多采用脉冲电流或直流正极性焊接法。两种常用的窄间隙焊接形式n n 坡口间隙 坡口间隙5mm 5mm以下，当间隙小于 以下，当间隙小于4mm 4mm时侧壁熔合问题不 时侧壁熔合问题不突出 突出n n 优点：坡口面积更小，单道焊接，效率更高，线
15、能量更 优点：坡口面积更小，单道焊接，效率更高，线能量更 低，热影响区小（低，热影响区小（1mm 1mm）n n 存在问题：存在问题：1.1.气、水、电的导入 气、水、电的导入 2.2.侧壁打弧问题 侧壁打弧问题五.超窄间隙焊接简介n n 1.1.侧壁贴焊剂片法：侧壁贴焊剂片法：间隙3.5mm兰州理工大学那冬雪等人开发，在坡口的两侧壁上贴覆焊剂片，焊剂片的成分主要以大理石和萤石为主，焊剂片熔点高，导电性差，可以抑制电弧沿侧壁攀升。但这种方法由于焊剂片的制造和贴覆不方便，且容易产生夹渣，气孔，不适用于实际生产。中村照美于1998年发表的一种最新的窄间隙GMAW焊接方法，中村发现采用CO2保护，间
16、隙在5mm以下焊接过程仍很稳定，为了增加侧壁的热量分配，采用等速送丝，脉冲电流和脉冲电压使电弧在坡口内上下摆动。超窄间隙焊接原理这种方法对焊接电源和装配精度很高，现在没有用于实际生产的报道。n n 2.使用特殊电源：思考题n n 1.1.请用电弧自身固有的调节机制说明为什么窄间隙焊接时 请用电弧自身固有的调节机制说明为什么窄间隙焊接时 对焊丝对中要求非常高？对焊丝对中要求非常高？n n 2.2.总结窄间隙焊接的特点，并与常规焊接进行比较。总结窄间隙焊接的特点，并与常规焊接进行比较。n n 3.3.窄间隙焊接存在的主要问题有哪些？怎样解决？窄间隙焊接存在的主要问题有哪些？怎样解决？参考资料1.1
17、.窄间隙焊接 窄间隙焊接.日焊接学会方法委员会 日焊接学会方法委员会.机械工业出 机械工业出 版社 版社,1988,19882.2.项 项 峰，姚 峰，姚 舜 舜.窄间隙焊接的应用现状和前景 窄间隙焊接的应用现状和前景.Welding.Welding Technology.Vol 30,No 5,2001 Technology.Vol 30,No 5,20013.3.胡存银，张富巨 胡存银，张富巨.窄间隙焊接的技术与经济特性分析 窄间隙焊接的技术与经济特性分析.Welding Technology.Vol 30,No 2,2001 Welding Technology.Vol 30,No 2,20014.4.那雪冬 那雪冬.贴覆焊剂片超窄间隙焊 贴覆焊剂片超窄间隙焊.兰州理工大学硕士学位 兰州理工大学硕士学位论文，论文，2004 2004