先進焊接與連接技術1項目6窄間隙焊接先進焊接與連接技術2【項目導入】隨著現(xiàn)代工業(yè)設備的日趨大型化，厚板、超厚板結構的應用越來越廣泛。在艦艇、壓力容器、鍋爐、鐵軌等金屬結構產品的制造和大型工程建造現(xiàn)場作業(yè)中，過去普通采用大坡口多層多道MAG/MIG焊或埋弧焊。隨著焊接結構厚度的不斷增加，消耗的焊材在增多，焊接接頭存在較大的變形。對于厚板焊接，最大的問題就是接頭力學性能、焊縫質量和焊接效率之間的矛盾。【學習目標】1.能夠了解窄間隙焊接的發(fā)展狀況；2.掌握窄間隙焊接基本原理及分類。3.能夠熟悉不同的窄間隙焊接方法在實際生產中的優(yōu)勢和局限性。4.能夠熟悉窄間隙焊接設備的組成。5.根據典型產品，熟悉窄間隙焊接工藝過程。任務1窄間隙焊接技術的選用先進焊接與連接技術3任務1窄間隙焊接技術的選用任務解析通過完成本任務，使學生能夠根據初步掌握窄間隙焊接基礎知識，掌握窄間隙焊接原理、特征及分類，熟悉窄間隙焊接的優(yōu)點及不足，了解應用情況。學生能夠根據所學知識掌握窄間隙基本操作方法，在安全生產方針，制定窄間隙焊接操作流程，掌握實際操作方法。先進焊接與連接技術4任務1窄間隙焊接技術的選用必備知識一、窄間隙焊接的概述（一）窄間隙焊接的原理窄間隙焊接（NarrowGapWelding，NGW）的概念是美國Battelle研究所于1963年在《鐵時代》雜志上首先提出的。顧名思義，窄間隙焊接就是焊接坡口要比常規(guī)焊接坡口窄。但坡口間隙多大才算是窄間隙焊接，這受具體結構形式、焊接方式方法，甚至從業(yè)人員的觀念所限制，長時間以來并沒有一個統(tǒng)一的標準。例如，以往將坡口較深、間隙側壁角度相對較小的厚板埋弧焊和電渣焊也列為窄間隙焊接的范疇，造成了概念混亂和誤解。先進焊接與連接技術5任務1窄間隙焊接技術的選用

針對這個問題，20世紀80年代，日本壓力容器研究委員會施工分會第八專門委員會審議了窄間隙焊接的定義，并作出了如下規(guī)定：窄間隙焊接是將板厚30mm以上的鋼板，按小板厚的間隙相對放置開坡口，再進行機械化或自動化弧焊的方法（板厚小于200mm時，間隙小于20mm；板厚超過200mm時，間隙小于30mm）。隨著技術的進步，從最近十余年工程項目施工實際情況來看，目前對于常規(guī)厚板（30-60mm）的窄間隙焊接，坡口尺寸一般都在15mm以下，甚至出現(xiàn)了坡口間隙僅為5-6mm的超窄間隙焊接。需要指出的是，窄間隙焊接并不是一種常規(guī)意義上的焊接方法，而是一種特殊的焊道熔敷技術。窄間隙焊接廣泛應用于各種大型重要結構，如造船、鍋爐、核電、橋梁等厚大件的生產。目前，發(fā)達國家窄間隙焊接的應用比較多，特別是日本，無論是窄間隙焊接的研究，還是應用都遠遠地走在了世界前列。日本于1966年就開始了窄間隙焊接的研究，之后其技術一直領先于其他各國，研究成果占全世界的60%以上。我國目前應用最多窄間隙技術是粗絲大電流窄間隙埋弧焊，近幾年在電站與核電領域陸續(xù)引進了窄間隙熱絲TIG焊。而窄間隙氣體保護焊（NG-GMAW）在國內的應用，則是2005年之后開始的。先進焊接與連接技術6任務1窄間隙焊接技術的選用

圖6-1窄間隙焊接工藝的分類（二）窄間隙焊接的分類窄間隙焊接技術自從1963年12月由美國巴特爾研究所（Bauelle）開發(fā)以后，經過半個多世紀的研究和發(fā)展，人們對其焊接方法和焊接材料進行了大量的開發(fā)工作，目前在許多國家的工業(yè)生產中發(fā)揮著巨大作用。

按照不同的標準，窄間隙焊接有很多分類方法，如按熱輸入高低、焊絲根數(shù)、焊接位置、焊絲的運動軌跡等。但這些分類方法只能反映其中某一方面，最科學的分類方法是按其所采取的工藝來進行分類，如圖6-1所示。先進焊接與連接技術7任務1窄間隙焊接技術的選用1.窄間隙埋弧焊窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于80年代，很快被應用于工業(yè)生產，它的主要應用領域是低合金鋼厚壁容器及其他重型焊接結構。窄間隙埋弧焊的焊接接頭具有較高的抗延遲冷裂能力，其強度性能和沖擊韌性優(yōu)于傳統(tǒng)寬坡口埋弧焊接頭，與傳統(tǒng)埋弧焊相比，總效率可提高50%~80%；可節(jié)約焊絲38%~50%，焊劑56%~64.7%。窄間隙埋弧焊已有各種單絲，雙絲和多絲的成套設備出現(xiàn)，主要用于水平或接近水平位置的焊接，并且對焊劑要求具有焊接時所需的載流量和脫渣效果，從而使焊縫具有合適的機械性能。一般采用多層焊，由于坡口間隙窄，層間清渣困難，對焊劑的脫渣性能要求很高，尚需發(fā)展合適的焊劑。

先進焊接與連接技術8任務1窄間隙焊接技術的選用2.窄間隙電渣焊窄間隙電渣焊除可焊接各種鋼材和鑄鐵外，還用于焊接鋁及鋁合金、鎂合金、鈦及鈦合金以及銅。它被廣泛用于鍋爐制造、重型機械和石油化工等行業(yè)，近年來在橋梁建造中，窄間隙電渣焊被用于焊接25~75mm的平板結構.。其焊劑、焊絲和電能的消耗量均比埋弧焊低，并且工件厚度越大效果越明顯，焊接接頭產生淬火裂紋的傾向小，較傳統(tǒng)電渣焊相比，焊縫和熱影響區(qū)的金屬性能更高，可免除或簡化焊后的熱處理過程。與一般電渣焊一樣，其設備比較龐大，同時對所用渣劑的脫渣性要求較高。先進焊接與連接技術9任務1窄間隙焊接技術的選用3.窄間隙手工電弧焊由于窄間隙焊接主要面向機械化及自動化生產，手工電弧焊在窄間隙焊接中的應用不多，而且焊接質量不好控制。但實際生產中，窄間隙手工電弧焊具有與其他焊接方法所不能替代的優(yōu)勢（如使用方便、靈活、設備簡單等），因此在某些領域中，如在大壩律筑中用于鋼筋的窄間隙焊接，解決了由于鋼筋連接技術造成的鋼筋偏心受力問題，成本僅為焊條的1/11；對直徑18~40mm的I、II、Ⅲ級鋼筋均適用。

先進焊接與連接技術10任務1窄間隙焊接技術的選用4.窄間隙激光焊由于激光焊焊接的板厚超過6mm時列入厚板焊接，而激光焊的坡口寬度很小，此時可以認為是窄間隙激光焊接。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器，目前可焊厚度達50mm，深度比高達12:1。激光焊接的焊縫在焊態(tài)下硬度很高，主要含馬氏體組織，應進行焊后熱處理。由于激光焊要求大功率的激光器，設備要求高，因此在生產領域中的應用是有限的。

先進焊接與連接技術11任務1窄間隙焊接技術的選用5.窄間隙TIG焊超高強度鋼的使用促進了TIG焊在窄間隙焊接中的應用，一般認為TIG焊是焊接質量最可靠的焊接工藝之一。由于氬氣的保護作用TIG焊可用于焊接易氧化的有色金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬(如鉬、鈮、鋯)等，其接頭具有良好的韌性，焊縫金屬中的含氧量很低。由于鎢極的載流能力低，因而熔敷速度不高，應用領域比較狹窄，一般被用于打底焊以及重要的結構中。實際生產中可用熱絲的方法以提高其熔敷速度，鄭州電力修造廠引進的由法國Polysoude公司制造的窄間隙TIG焊全位置白動焊機是目前新一代的全位置窄間隙焊機，它就是采用熱絲的方法，預先測定工藝參數(shù)，由計算機貯存程序后進行實際生產。但由于沒有焊縫自動跟蹤裝置，在生產中還需要人工監(jiān)視。先進焊接與連接技術12任務1窄間隙焊接技術的選用6.窄間隙熔化極氣體保護焊

窄間隙熔化極氣體保護焊是1975年后研制成功的，這一工藝是在采用特殊的焊絲彎曲機構以使焊絲保持彎曲，從而解決坡口側壁的熔透問題之后得以實現(xiàn)。由于采用焊絲作為電極可采用大的電流密度，填充金屬的熔敷速度快，同時適用于各種位置的焊接，焊后不需要清渣，且是明弧焊接便于監(jiān)視和控制，非常適合焊接過程的機械化、自動化。保護氣體通常使用Ar或CO2（實際中采用的是CO2+Ar混合氣，工程應用中很少單獨使用純CO2作保護氣體），Ar氣保護熔化極焊幾乎可以焊接所有的金屬，焊接質量良好；窄間隙CO2氣體保護焊兼顧了CO2氣體保護和窄間隙焊二者的長處，但必須解決飛濺率大的問題，為促進其應用，人們一直在尋找減少CO2氣體保護焊飛濺率的方法。藥芯焊絲的使用極大地改善了CO2氣體保護焊飛濺大的狀況。藥芯焊絲電弧焊（FCAW）在純CO2保護下，焊接電弧穩(wěn)定，熔滴過渡穩(wěn)定，熔敷速度很高，焊縫成形良好，焊道表面中凹、光滑，用于窄間隙焊，熔寬大，側壁熔合良好，單道焊無擺動即可實現(xiàn)窄間隙焊接。它所需的設備也比較簡單，目前已研制出新配方的金屬型藥芯焊絲，多數(shù)能保證形成易碎裂的渣（即清渣容易），可望用于窄間隙焊接。最新出現(xiàn)的表面張力過渡技術極大地降低了氣體保護焊的飛濺率，使純CO2氣體保護焊在窄間隙焊中的應用成為可能。先進焊接與連接技術13任務1窄間隙焊接技術的選用(三)A-TIG焊的應用A-TIG焊接技術作為一種新型先進材料連接技術應用領域日益擴大，己經成功應用在電力、汽車、船舶、航天、化工等重要工業(yè)領域中。目前A-TIG焊己經可以比較成熟的用于焊接碳鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳基合金等金屬材料，尤其是焊接需要單面焊雙面成形的大厚板/管道試件，可以形成具有良好的反面成型的焊縫，這一獨特的優(yōu)點是其他常規(guī)焊接方法所不能比擬的。先進焊接與連接技術14任務1窄間隙焊接技術的選用（四）窄間隙焊接的特征V.Y.Malin在1983年提出了窄間隙焊接的下述特征：1.窄間隙焊接是利用了現(xiàn)有弧焊方法的一種特別技術。2.多數(shù)采用I形坡口，或坡口角度很?。?.5°~7°）的U、V形坡口，坡口角度大小視焊接中的變形量而定。3.多層焊接，窄間隙焊接是將板厚30mm以上的鋼板，按小板厚的間隙相對放置開坡口，再進行機械化或自動化弧焊的方法。4.自下而上的各層焊道數(shù)目基本相同（通常為1或2道）。5.采用小或中等熱輸入進行焊接。6.有全位置焊接的可能。先進焊接與連接技術15任務1窄間隙焊接技術的選用二、窄間隙焊接優(yōu)點及不足1.優(yōu)點（1）坡口斷面積小，可減少填充材料，降低能耗，節(jié)省成本。窄間隙坡口角度很小，與傳統(tǒng)大角度U、V形坡口相比，坡口斷面積減少50%以上，圖6-2所示為等厚度V型坡口和窄間隙坡口示意圖。（a）窄間隙坡口（b）V型坡口圖6-2等厚度V型坡口和窄間隙坡口示意圖先進焊接與連接技術16任務1窄間隙焊接技術的選用（2）減少焊接時間，生產效率明顯提高。（3）一般應用中、小熱輸入焊接。熱輸入量小，可使熱影響區(qū)小，組織細小，接頭韌性改善，降低預熱溫度，綜合力學性能優(yōu)良。（4）減少變形。2.缺點窄間隙焊接的不足主要體現(xiàn)在以下方面：（1）對坡口的加工和裝配精度要求很高一定程度上導致了成本增加。（2）在狹窄坡口內的氣、絲、水、電的導入困難，焊槍復雜，加工精度要求高，難度大，通用性不強。（3）焊絲對中要求高，若對中不好，側壁打弧，焊絲回燒，則幾乎不能進行焊接。（4）窄間隙焊縫往往由幾十層焊道形成，一旦某一層有缺陷，返修很困難。（5）要求具有較高的焊接技能。先進焊接與連接技術17任務2窄間隙埋弧焊任務解析通過本項目，使學生能夠根據掌握窄間隙埋弧焊焊接基礎知識，掌握窄間隙埋弧焊接在實際生產中的優(yōu)勢，了解工業(yè)上已經成熟的窄間隙埋弧焊工藝，熟悉窄間隙埋弧焊焊槍特點，掌握窄間隙埋弧焊工藝參數(shù)對焊縫成形的影響，通過學習使學生了解先進窄間隙焊接方式方法，熟悉窄間隙埋弧焊焊接工藝過程。先進焊接與連接技術18任務2窄間隙埋弧焊必備知識傳統(tǒng)的埋弧焊是利用電弧在焊劑層下燃燒產生的熱量來進行焊接。在焊接過程中，焊劑吸收熱量而熔化，覆蓋在熔池與焊接區(qū)域上，一方面對熔池及焊縫金屬起到物理保護作用，提高焊縫的質量；另一方面，熔化焊劑還可以與熔池金屬發(fā)生化學冶金反應，比如脫氧、去雜質、滲合金等，在很大程度上含混入焊縫金屬的化學成分，進而影響焊接質量。埋弧焊的機械化、自動化程度相對較高，人為因素對焊接質量影響較小，得到的焊縫質量更可靠，而且埋弧焊的線能量相對較大，熔敷率較高，因而生產率高。與其他焊接工藝相比，完全沒有飛濺的問題，故節(jié)省了焊接材料和能源，并提高了焊接的穩(wěn)定性?；谝陨显?，埋弧焊技術在造船業(yè)、冶金機械業(yè)、化工容器制造中有著廣泛的應用。隨著生產要求的不斷提高，裝置規(guī)模的一步步擴大，需要進行埋弧焊焊接的材料厚度不斷增大，埋弧焊工藝本身的局限性逐漸顯現(xiàn)出來，具體如下：先進焊接與連接技術19任務2窄間隙埋弧焊1.傳統(tǒng)埋弧焊需要對母材進行加工，以形成V形或X形坡日，隨著厚度的加大，開坡日的工作量急劇增加；若減小坡口角度，坡口寬度減小，傳統(tǒng)埋弧焊的導電嘴無法進入坡口施焊，而且需要熔敷的金屬量大大增加，大量消耗焊絲和能源。2.由于板厚的增加，拘束度增大，焊件焊接變形受到約束，會在焊件中形成較大的殘余應力，對接頭質量有嚴重影響。3.傳統(tǒng)埋弧焊的控制方式落后，自動化程度低，不能精確控制，易于產生未熔合、夾渣等缺陷。為了提高焊接質量和生產效率，窄間隙埋弧焊的應用越來越廣泛。先進焊接與連接技術20任務2窄間隙埋弧焊一、窄間隙埋弧焊簡介窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于20世紀80年代，很快被應用于工業(yè)生產，其主要應用領域是低合金鋼厚壁容器及其他重型焊接結構。窄間隙埋弧焊的焊接接頭具有較高的抗延遲冷裂能力，其強度性能和沖擊韌性優(yōu)于傳統(tǒng)寬坡口埋弧焊接頭，與傳統(tǒng)埋弧焊相比，總效率可提高50%~80%；可節(jié)約焊絲38%~50%，節(jié)約焊劑56%~64.7%。窄間隙埋弧焊已有各種單絲和多絲的成套設備出現(xiàn)，主要用于水平或接近水平位置的焊接，并且要求焊劑具有焊接時所需的載流量和脫渣效果，從而使焊縫具有合適的力學性能。一般采用多層焊，由于坡口間隙窄，層間清渣困難，對焊劑的脫渣性能要求高，尚需發(fā)展合適的焊劑。SAW工藝具有高的熔敷速度、低的飛濺和電弧磁偏吹，能獲得焊道形狀好、質量高的焊縫以及設備簡單等優(yōu)點。由于在填充金屬、焊劑和技術方面取得的最新進展，使日本、俄羅斯和歐洲等國家和地區(qū)在焊接碳鋼、低合金鋼和高合金鋼時廣泛采用NG-SAW工藝。NG-SAW用的焊絲直徑為2~5mm，很少使用直徑小于2mm的焊絲。據報道，最佳焊絲尺寸為3mm。4mm直徑的焊絲推薦給厚度大于140mm的鋼板使用，而5mm直徑的焊絲則用于厚度大于670mm的鋼板。先進焊接與連接技術21任務2窄間隙埋弧焊NG-SAW的焊道熔敷方案的選擇與許多因素有關。1.單道焊單道焊僅在使用專為窄坡口內易于脫渣而開發(fā)的自脫渣焊劑時才采用。道焊在日本使用得較多。2.多道焊日本以外的其他國家廣泛使用多道焊，其特點是坡口填充速度低，但其適應性強，可靠性高，產生的缺陷少。圖6-3所示為雙絲窄間隙埋弧焊設備。圖6-3雙絲窄間隙埋弧焊設備先進焊接與連接技術22任務2窄間隙埋弧焊二、窄間隙埋弧焊的優(yōu)勢窄間隙埋弧焊具有埋弧焊金屬熔敷速度快，無飛濺，焊縫質量可靠籌特點，并且由于焊接時采用了新的坡口形式，突破了傳統(tǒng)埋弧焊的某些局限性。同開寬坡口進行埋弧焊接相比，窄間隙埋弧焊所產生的焊接變形和殘余應力要小得多。這使得窄間隙埋弧焊成為了特定場合替代傳統(tǒng)埋弧焊的不二選擇。正是由于其高效率，節(jié)約能源，節(jié)省焊接材料而且焊縫得質量更優(yōu)的特點，窄間隙埋弧焊在厚板焊接中的使用越來越多。伴隨著焊縫跟蹤等關鍵技術的進步，可焊接的間隙越來越小，坡口的深度也越來越深，其應用范圍會更加廣泛。窄間隙埋弧焊的主要優(yōu)勢可歸納為：1.埋弧焊時電弧的擴散角大，焊縫成形系數(shù)大，電弧功率大，再配合適當?shù)慕z-壁間距控制，無需像熔化極氣體保護焊那樣，必須采用較復雜的電弧側偏技術，即埋弧焊方法的電弧熱源及其作用特性，可直接解決兩側的熔合問題，這是埋弧焊方法在窄間隙技術中應用比例最高的重要原因。先進焊接與連接技術23任務2窄間隙埋弧焊2.焊接過程中能量參數(shù)的波動對焊縫幾何尺寸的影響敏感程度低。3.埋弧焊過程中不會產生飛濺，這是埋弧焊在所有熔化極弧焊方法中所獨有的特性，也正是窄間隙焊技術所全力迫尋的目標。4.多層多道方式焊接時，通過單道焊縫成形系數(shù)的調節(jié)，可以有效地控制母材焊接熱熱影響區(qū)和焊縫區(qū)中粗晶區(qū)和細晶區(qū)的比例。先進焊接與連接技術24任務2窄間隙埋弧焊三、窄間隙埋弧焊的局限性窄間隙埋弧焊首先要解決的問題是側壁的熔合。其次是如何清理渣殼的問題。先進焊接與連接技術25任務2窄間隙埋弧焊四、工業(yè)上成熟的窄間隙埋弧焊技術到目前為止，在工業(yè)上比較成熟的窄間隙埋弧焊技術有以下幾種。

1.NSA技術

它是日本川崎制鋼公司為碳素鋼和低碳鋼壓力容器、海上鉆井平臺和機器制造而開發(fā)的NG-SAW。采用直焊絲技術及有陶瓷涂層的特殊的扁平導電嘴。此技術采用單焊道，并采用單焊絲或串列雙絲。焊絲直徑為3.2mm，配以MgO-BaO-SiO2-Al2O3，為基本成分的特殊設計的KB-120中性焊劑，使其具有較好的脫渣性。

2.Subnap技術

它是由日本新日鐵為碳素鋼和低合金鋼的焊接開發(fā)的NG-SAW。它采用直焊絲、單焊道和單焊絲或串列雙絲。焊絲直徑為3.2mm。為獲得較好的脫渣性，特殊設計了主要成分分別為TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgO的兩種焊劑。

3.ESAB技術

它是瑞典NG-SAW設備和焊接材料制造廠家ESAB為壓力容器和大型結構件的碳鋼和低合金鋼的焊接而開發(fā)的。該技術采用雙焊道，并采用固定彎絲。先進焊接與連接技術26任務2窄間隙埋弧焊4.Ansaldo技術它是由意大利米蘭的AnsaldoTPABreda鍋爐廠NG-SAW設備制造商和用戶開發(fā)的。它采用固定彎曲單焊絲，每層熔敷多焊道。5.MAN-CHH披術它是由德國MAN-GHHSterkrade為核反應堆室內部件的制造而開發(fā)的。它采用單焊絲雙焊道。先進焊接與連接技術27任務2窄間隙埋弧焊五、窄間隙埋弧焊焊槍窄間隙焊槍是保證坡口兩側壁的熔合和對焊縫金屬保護的核心部件，其基本功能是實現(xiàn)電極的可靠導電、電弧擺動及對電弧和熔池的保護。目前有三種焊絲擺動和導電嘴的結構。

1.彎曲導電板/桿回轉式（見圖6-4）。在焊槍的導電板/桿下部，帶有較大前傾角(約20°），有利于焊絲導電。當導電桿轉動時，能實現(xiàn)焊絲擺動，其中導電桿式的焊槍特別適用于圓弧形的窄間隙焊縫。圖6-4彎曲導電板回轉式焊槍先進焊接與連接技術28任務2窄間隙埋弧焊2.扁平導電板擺動、導電嘴為彈簧壓緊式(見圖6-5)。即在扁平的焊槍下部有一可左右擺動的導電板，氣動或電動擺動軸轉動拔桿，使下部焊槍以擺動軸為軸心左右擺動，導電嘴為兩半瓣彈簧壓緊，該焊槍是目前的主導結構。但由于長時間工作，彈簧發(fā)熱導致壓緊力下降，導電嘴的導電性能下降，該機構目前已得以改進。圖6-5扁平導電板擺動、導電嘴為彈簧壓緊式先進焊接與連接技術29任務2窄間隙埋弧焊3.扁平導電板板擺動、整體傾斜導電嘴式（見圖6-6）。

為了改善焊絲導電采用帶傾角的導電嘴，依靠焊絲自身彈性對導電嘴斜面的壓緊力，并具備導電嘴磨損大的白身補償功能，保證焊絲可靠導電。采用交流伺服電機來擺動焊槍，不受氣壓限制且可在焊接過程中微調焊槍擺角。圖6-6扁平導電板板擺動、整體傾斜導電嘴式先進焊接與連接技術30任務2窄間隙埋弧焊

這三種焊槍的結構比較如表5-1所示。此外，窄間隙SAW焊槍的結構在不斷改進。第一代為單絲窄間隙SAW焊接機頭（單絲、機械式焊縫跟蹤）；第二代為單絲窄間隙SAW焊接機頭（單絲、激光焊縫跟蹤）；第三代為雙絲窄間隙SAW焊接機頭（雙絲、激光焊縫跟蹤）。類型焊絲擺動方式焊絲擺動導電嘴形式導電嘴前傾角/（°）1彎曲導電桿/板回轉式步進電機整體傾斜式202平板擺動式氣動彈簧夾緊式73平板擺動式交流伺服電機整體傾斜式7先進焊接與連接技術31任務2窄間隙埋弧焊圖6-7雙絲窄間隙SAW焊槍最新的雙絲窄間隙SAW焊槍示意如圖6-7所示。先進焊接與連接技術32任務2窄間隙埋弧焊六、窄間隙埋弧焊工藝參數(shù)1.焊接坡口形式的選擇普通埋弧焊焊接坡口一般設計為單面V形，般設計為單面V形，如圖6-8所示。該焊接坡口對于厚度在30mm以下的工件是比較合適的，但隨著工件厚度的增加，中一面V形坡口的截面積增加的幅度就更大，焊接工作量相應增加很大。因此對于大厚度工件的焊接，為了減少焊接工作量，其焊接坡口也有采用雙面V形的，如圖6-9所示。

圖6-8單面V形坡口

圖6-9雙面V形坡口

先進焊接與連接技術33任務2窄間隙埋弧焊

圖6-10窄間隙U形坡口

改進后的焊接坡口如圖6-10所示。由于焊縫變窄，坡口角度變小，使填充的熔敷金屬量明顯減少。先進焊接與連接技術34任務2窄間隙埋弧焊2.焊道排列形式的選擇窄間隙埋弧焊焊道排列主要有三種形式，即每層單道焊、每層雙道焊（如圖6-11所示）及每層三道焊(很少采用)。在厚壁容器環(huán)縫的窄間隙埋弧焊焊接工藝試驗中，對每層單道焊和每層雙道焊的焊道排列形式進行了試驗，見表6-2。試驗結果表明，在窄間隙埋弧焊焊接工藝中宜采用每層雙道焊的焊道排列形式。

圖6-11焊道與焊劑性能試驗先進焊接與連接技術35任務2窄間隙埋弧焊焊劑牌號焊劑堿度焊道排列形式焊絲側壁間距/mm電弧穩(wěn)定性焊渣渣形脫渣性能結論進口OP121TT3.0單焊道2.5較好較厚、短段較差尚能用于生產雙焊道2.5好厚、長段好能用于生產國產CHF1011.8單焊道2.5較好較厚、粉狀差不能用于生產雙焊道2.5好厚、長段好能用于生產國產CHF1052.4-3.0單焊道2.5差較厚、粉狀差不能用于生產雙焊道2.5好厚、長段較好能用于生產表6-2焊接工藝性能試驗結果先進焊接與連接技術36任務2窄間隙埋弧焊3.焊劑的選擇焊劑的優(yōu)良工藝性能，尤其是脫渣性能是影響埋弧焊焊接質量的關鍵因素。這主要是由于埋弧焊焊縫焊后形成的焊渣兩側邊緣咬進了焊接坡口的側壁面，致使焊渣難以從焊接坡口中脫落，從而影響環(huán)縫的連續(xù)焊接。一旦焊渣清除不干凈，極易形成焊縫夾渣等焊接缺陷，這是影響窄間隙埋弧焊焊接質量的關鍵。先進焊接與連接技術37任務2窄間隙埋弧焊4.焊絲直徑的選擇

在窄間隙埋弧焊焊接中，焊絲一般選用為大直徑（φ4.0mm）。采用大直徑的焊絲可獲得較大的熔敷效率，提高焊接生產率。但大直徑焊絲剛性大，在原有埋弧焊設各上不利于每層雙道焊的人工焊道排列。因為每層雙道焊接時，焊接導電桿的頭部導電嘴需要靠人工調節(jié)，實現(xiàn)每層雙道焊的排列形式，來保證兩側壁的熔合。而且采用大直徑焊絲，其剛性較大，容易造成導電嘴的過度磨損，從而影響焊接時焊絲與側面距離，影響焊接電弧的穩(wěn)定性和焊后的脫渣性。因而，從保證焊接質量的角度考慮，對于在原有埋弧焊設備上進行的窄間隙埋弧焊，采用每層雙道焊的焊道排列形式，焊絲直徑選用2.4mm為宜。先進焊接與連接技術38任務2窄間隙埋弧焊5.焊接參數(shù)焊接參數(shù)選擇的正確與否，是影響窄間隙埋弧焊焊接質量的關鍵。所以合理地選擇焊接參數(shù)，才能確保窄間隙埋弧焊焊接過程的穩(wěn)定。

第一，焊接電流。焊接電流主要是根據焊絲直徑及焊接坡口的形式選定的。焊接電流過大，有利于提高焊接熔敷效率，增加焊縫金屬的熔深，但對焊后脫渣性能有一定的影響，特別是對焊縫金屬的低溫沖擊韌度影響較大，所以不宜選用過大的焊接電流;焊接電流過小，對焊后的脫渣性能也有一定的影響。所以選擇合適的焊接電流對窄間隙埋弧焊的焊接至關重要。以φ2.4mm焊絲為例，其焊接電流一般應控制在400A以下為宜。先進焊接與連接技術39任務2窄間隙埋弧焊第二，電弧電壓。電弧電壓是影響焊縫金屬的熔深和熔寬的主要參數(shù)。對于窄間隙焊接坡口的焊道應采用較低的電弧電壓。但電弧電壓過低時，易產生側壁未熔合的焊接缺陷；電弧電壓過高時，易產生側壁咬邊的焊接缺陷，焊后的脫渣性能變差，影響環(huán)縫的連續(xù)焊接。為了獲得良好的焊縫質量，對每層雙道焊焊接工藝，以φ2.4mm焊絲為例，其電弧電壓一般控制在30~36V為宜。第三，焊接速度。焊接速度應與焊接電流和電弧電壓相匹配。當焊接電流一定時，過高的焊接速度會產生焊縫的未焊透及焊縫表面粗糙，焊渣不易脫落；過低的焊接速度會造成焊縫的余高和熔寬過大，同樣會使焊渣不易脫落。焊接電流在400A以下時，窄間隙埋弧焊的焊接速度一般控制在25m/h左右。先進焊接與連接技術40任務2窄間隙埋弧焊6.窄間隙埋弧焊焊接工藝評定試驗根據己確定的焊接參數(shù)，對15MnNiDR的材料，分別采用國產焊絲H10Mn2和H08MnA，焊絲直徑為2.4mm，與國產焊劑CHF101和CHF105組合匹配進行焊接工藝性能試驗和焊接工藝評定試驗。根據焊接工藝性能試驗的情況及焊接接頭的力學性能試驗數(shù)據，最終確定最佳的焊絲、焊劑組合匹配。根據材料標準及設計要求，5MnNiDR的抗拉強度σb≥460Mpa；-40°C橫向沖擊功Akv≥7J。焊接工藝性能試驗及焊接工藝評定試驗結果見表6-3。焊絲牌號焊劑牌號脫渣性能電弧穩(wěn)定性抗拉強度低溫沖擊韌度結論H10Mn2CHF101好好滿足要求低于標準要求不能用于生產CHF105較好好滿足要求滿足要求能用于生產H08MnACHF101好好低于要求低于標準要求不能用于生產CHF105較好好低于要求滿足要求不能用于生產表6-3焊接上藝性能試驗和焊接上藝評定試驗結果任務2窄間隙埋弧焊先進焊接與連接技術417.窄間隙埋弧焊焊接工藝在厚壁容器焊接時的注意事項通過對窄間隙埋弧焊焊接工藝試驗及焊接工藝評定試驗所確定的最佳焊絲、焊劑匹配組合，其焊接接頭的力學性能滿足了材料標準及設計的要求，但這僅是一個開始，對于以后的產品環(huán)縫焊接，應靈活應用，并正確地掌握和選擇焊接工藝參數(shù).以獲得優(yōu)質焊接質量。窄間隙埋弧焊焊接時除了必須嚴格遵守焊接作業(yè)指導書規(guī)定的操作要求外，還應注意以下幾點:（1）由于高堿度的燒結焊劑容易吸潮，因此在焊接前對焊劑應嚴格按說明書規(guī)定的要求進行烘干。（2）焊接前應對焊接坡口表面進行嚴格的清理，特別要去除油污、銹斑等污物。（3）焊接坡口的制備必須嚴格按照工藝及圖樣設計的要求進行。通過對埋弧焊工藝參數(shù)的優(yōu)化組合試驗，不僅實現(xiàn)了埋弧焊設各施焊厚壁容器窄間隙環(huán)縫，而且使厚壁容器環(huán)縫焊接的生產效率明顯提高，焊接材料和能源消耗大大降低，綜合成本顯著下降。先進焊接與連接技術42任務2窄間隙埋弧焊七、窄間隙埋弧焊技術1.精密控制雙絲窄間隙埋弧焊美國AMET公司針對生產中常用的雙絲NG-SAW設備存在的問題，開發(fā)了新型精密控制的雙絲NG-SAW焊接系統(tǒng)。（1）窄間隙埋弧焊機頭焊接機頭是窄間隙雙絲埋弧焊系統(tǒng)的關鍵技術之一，窄間隙坡口的寬度較小，坡口底部寬度一般不超過20mm，從而要求焊槍厚度較薄，動作靈敏、準確。AMET的雙絲窄間隙埋弧焊焊接機頭示意如圖6-12所示，該機頭的最大可焊坡口深度為400mm。圖6-12AMET的雙絲窄間隙埋弧焊焊接機頭先進焊接與連接技術43任務2窄間隙埋弧焊（2）控制系統(tǒng)采用多處理器同步控制技術和ARC-LINK數(shù)字化通信技術，控制系統(tǒng)在同一時鐘平臺上對每臺焊接電源進行控制，可準確地控制每臺電源在任意時刻輸出電流的大小、頻率、相位、波形等參數(shù)。嚴格保證電弧間電參數(shù)的相對穩(wěn)定性，明顯減輕了電弧間的干擾。

系統(tǒng)還采用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)對窄間隙坡口的識別與跟蹤，嚴格保證多層多道焊的焊槍的位置，防止咬邊等缺陷的發(fā)生?？刂葡到y(tǒng)的體系結構如圖6-13所示。圖6-13控制系統(tǒng)的體系結構先進焊接與連接技術44任務2窄間隙埋弧焊2.SUBNAP窄間隙埋弧焊方法SUBNAP(SubmergeArcWeldingNarrowCapProcess的縮寫)是日本新日鐵公司(NIPP-SON）開發(fā)的窄間隙埋弧焊方法，它包括三種類型窄間隙埋弧焊方法，各自的特征見表6-4。方法坡口板厚/mm特征要點多層單道焊U形窄坡口≈150在板厚超過70mm時，節(jié)約焊接時間和材料的效果最好焊接規(guī)范嚴格采用脫渣性好的專用焊劑多層多道焊U形窄坡口≈300用于180mm以上厚板，效果最好脫渣容易焊接參數(shù)范圍寬熱輸入小，韌性好采用脫渣性和焊縫成形良好的專用焊劑多層焊小角度X形坡口≈80在板厚為40-80mm時，節(jié)約焊接時間的效果最好在反面清理或焊接反面第一道焊縫處，需要去除未熔合區(qū)采用脫渣性好的專用焊劑先進焊接與連接技術45任務2窄間隙埋弧焊3.大厚度NG-SAW大厚度窄間隙埋弧焊設備可以應用于厚壁壓力容器的主環(huán)縫焊接，是厚壁壓力容器焊接的關鍵技術，是生產企業(yè)承接核電設備中的壓力殼、大型煤制氣成套設備中煤液（汽）化反應器、大型乙炔設備中的加氫反應器等產品生產制造必不可少的生產裝備。哈爾濱焊接研究所研制的數(shù)字化控制的大厚度窄間隙埋弧焊焊接設備，其執(zhí)行機構采用交流伺服電動機驅動，全閉環(huán)控制；大厚度焊接專用焊槍，能夠焊接600mm的坡口深度，并可確保焊槍可以長時間連續(xù)工作；整機具有完善的自動控制功能；橫向跟蹤和高度跟蹤傳感器采用光電編碼器；焊接參數(shù)預置、監(jiān)測、修改、存儲、故障自診斷等實現(xiàn)全數(shù)字化控制；焊接區(qū)域監(jiān)控顯示；配有大盤焊絲（150kg以上）遠距離同步輔助送絲機構。機頭照片如圖6-14。先進焊接與連接技術46任務2窄間隙埋弧焊圖6-14哈爾濱焊接研究所開發(fā)的大厚度窄間隙埋弧焊機頭

先進焊接與連接技術47任務2窄間隙埋弧焊【任務布置】撰寫報告，寫出窄間隙焊接方法的種類及特點。先進焊接與連接技術48任務3窄間隙TIG焊任務解析

通過本項目，使學生能夠根據熟悉窄間隙TIG焊焊接基礎知識，了解窄間隙TIG焊焊接基本方法（HST窄間隙熱絲TIG焊接和MC窄間隙熱絲TIG焊接），熟悉窄間隙TIG焊焊接設備和基本知識，了解大壁厚焊接工藝實例應用。必備知識窄間隙TIG焊（NG-TIG焊）繼承了TIG焊縫質量好、可控參數(shù)多、適用于各種位置焊接及全位置焊的優(yōu)點，常用于重要合金結構件，如壓力容器、核電站主回路管道、超高臨界鍋爐管道等的焊接，圖6-15為窄間隙TIG焊焊接設備。先進焊接與連接技術49任務3窄間隙TIG焊圖6-15窄間隙TIG焊焊接設備先進焊接與連接技術50

對于厚度不大于20mm的厚板，采用NG-TIG焊接，可開6~8mm的U形或V形坡口，利用常規(guī)焊槍，加大鎢極伸出長度和保護氣流量就可以進行焊接。對于厚度超過20mm的厚板，就必須使用特殊的窄間隙TIG焊槍，以便深入到坡口中進行焊接。在NG-TIG中，為保證熱輸入充分，避免坡口側壁熔合不良，可采用脈沖焊或磁控電弧擺動的方式進行焊接，也可以采用鎢極(焊槍)機械擺動的方式。厚板焊接，為保證側壁熔合效果，一般來說必須采用鎢極(焊槍)擺動措施。另外，盡管NG-TIG焊接填充效率較常規(guī)大坡口TIG焊有了顯著提高，但和其他窄間隙焊接方法相比，填充效率仍然偏低，亦可采用熱絲填絲方法，這方面的技術已經成熟。目前，世界上有多家公司已經開發(fā)出了成熟的窄間隙TIG焊接設備，常用的有Poly-sude、ESAB、Liburdi、Babcock-Hitachi等公司的產品。任務3窄間隙TIG焊先進焊接與連接技術51任務3窄間隙TIG焊

一、窄間隙TIG焊簡介窄間隙鎢極氬弧焊接技術在四十余年國內外研發(fā)過程中，迄今為止是應用最少的。其技術和經濟優(yōu)勢相對于上述兒種焊接技術而言主要是：窄間隙鎢極氬弧焊接線能量小、電弧穩(wěn)定性好、沒有飛濺、沒有夾渣、焊接缺陷少、焊縫強度和韌性高。應用較少的關鍵原因是：因其電弧發(fā)散，能量密度低，熔敷速度低，導致生產效率比較低。超高強鋼的使用促進了TIG焊在窄間隙焊接中的應用，一般認為TIG焊是焊接質量最可靠的焊接工藝之一。由于氬氣的保護作用，TIG焊可用于焊接易氧化的非鐵金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬（如鉬、鈮、鋯）等，其接頭具有良好的韌性，焊縫金屬中的氫含量很低。由于鎢極的載流能力低，因而熔敷速度不高，應用領域比較狹窄，一般被用于打底焊以及重要的結構中。當TIG焊接用于窄間隙焊時，一般采取熱絲焊接，即給填充焊絲通電預熱，再進行焊接的方法。但是，通入焊絲的電流引起的磁偏吹是一個普遍的問題。目前廣泛采用的窄間隙TIG焊接方法有：HST窄間隙熱絲TIG焊接方法和MC窄間隙TIG焊接方法。先進焊接與連接技術52任務3窄間隙TIG焊

二、HST窄間隙熱絲TIG焊接1.原理及設備HST窄間隙熱絲TIG焊是由日本Babcock-Hitachi公司開發(fā)的焊接技術，熱絲電流和焊接電流采用交替脈沖方式來避免磁偏吹對焊接的影響。窄間隙熱絲TIG焊接原理和設備如5-16，圖5-17所示在HST焊接方法中，采用兩個電源構成，一個是給TIG電弧送電的電源；另一個是焊絲加熱電源。圖6-16熱絲TIG焊原理圖先進焊接與連接技術53任務3窄間隙TIG焊。圖6-17熱絲TIG焊設備圖先進焊接與連接技術54任務3窄間隙TIG焊

HST采用電極轉擺方式來保證坡口的側壁熔合效果，在焊接過程中特殊形狀的電極左右擺動，電弧依次對坡口兩側加熱。同時，在轉擺的過程中系統(tǒng)實時監(jiān)測電弧電壓，可以有效地實現(xiàn)弧高調節(jié)及窄間隙坡口的對中，監(jiān)測到的電弧電壓變化還可以用于調節(jié)擺動的寬度，以適應坡口寬度的變化，如圖6-18所示。圖6-18HST電極轉擺形成的擺動電弧先進焊接與連接技術55任務3窄間隙TIG焊

HST窄間隙焊接，如果母材厚度小于30mm，利用普通焊槍僅將鎢極加長即可焊接。當母材厚度大于30mm時，要采用專用焊槍。在專用焊槍中，鎢極端部被彎成特定的形狀以便能夠轉動時靠近坡口的兩側。日本的AICHI公司也開發(fā)了類似的窄間隙熱絲TIG焊技術，只不過其鎢極端部不彎曲，而是將鎢極端頭磨出一定斜度，在焊接過程中將鎢極始終對準坡口中心旋轉鎢極，從而使焊接電弧發(fā)生偏轉，以保證側壁熔合良好。HST方法采用直徑為1.2mm的焊絲，從焊接前方送絲。當提高熔敷速度進行高效焊接時，可從焊接后方送絲，填充焊絲近乎于與鎢極平行。該方法不受焊接材質的限制，因為偏吹小，也適合于焊接鋁、銅等有色金屬，圖6-19為焊縫成形圖。圖6-19熱絲TIG焊焊縫成型先進焊接與連接技術56任務3窄間隙TIG焊

2.焊接參數(shù)如圖6-20的電流波形所示，在HST焊接方法中，當電弧中通過高電流（IAP）的時間內，焊絲電流為零；當焊絲通電時（IWP），電弧電流(IAB)則很小，僅能維持電弧燃燒而已。這樣對電弧電流和焊絲電流交互送電。圖6-20HST焊接方法原理圖先進焊接與連接技術57任務3窄間隙TIG焊

圖6-21磁控法熱絲TIG焊原理三、MC窄間隙熱絲TIG焊接

MC是MagneticControl（磁控）的縮寫，其意思是利用磁場來控制電弧。圖6-21所示為該方法的原理圖。該方法分為前方送絲和后方送絲兩種，圖6-21為后方送絲法。送絲位置發(fā)生變化時，只改變通入焊絲的電流極性就能夠保證TIG電弧偏向前進方向。TIG電弧的偏移量，由TIG焊接電流和通人填絲的電流大小來決定。根據TIG電流的大小，只要相應地變化填充焊絲的電流值，就能得到適宜的電流狀態(tài)。先進焊接與連接技術58任務3窄間隙TIG焊圖6-22窄間熱絲TIG焊規(guī)范區(qū)間

這種方法是利用焊絲通電產生的磁場來控制焊接電弧的偏轉，是在電弧的后方送絲，焊絲中通過100A以上的直流加熱電流，使電弧偏向焊接前進方向，相當于前進法TIG焊。該方法的特點是通過焊絲加熱電流和送給位置調整電弧偏移距離和傾斜角度，進而改善焊縫成形，即使在高速焊接時也不會產生咬邊，見圖6-22。先進焊接與連接技術59任務3窄間隙TIG焊四、窄間隙TIG焊接的應用目前，國內外采用管道全位置氣體自動保護焊的工藝主要有TIG焊工藝和MIG焊工藝，而這兩種工藝主要應用于小直徑薄壁管的焊接。對于大厚壁管，尤其是直徑大于350mm,壁厚大于50mm鋼管的焊接，通常采用氫弧焊打底手工電弧焊填充和蓋而工藝，也就是通常說的氬電聯(lián)合焊工藝。其坡口形式大多采用雙U形組合坡口，焊接采用單層多道焊。氬電聯(lián)合焊接工藝的坡口寬，焊接熔敷金屬的填充量大，焊接材料消耗量大，焊接周期相對較長，而且手工焊生產效率低，焊接質量不穩(wěn)定，受人為因素影響較大。

先進焊接與連接技術60任務3窄間隙TIG焊窄間隙TIG焊應用——厚壁大直徑管窄間隙TIG自動焊工藝：1.窄間隙坡口對于直徑大于350mm，壁厚大于50mm的厚壁大直徑管窄間隙TIG自動焊，在傳統(tǒng)的氬電聯(lián)合焊接工藝坡口的基礎上，通過反復的試驗與改進，得到了厚壁大直徑管窄間隙自動焊工藝的坡口形式和尺寸，如圖6-23所示，通過與圖6-24所示傳統(tǒng)的氬電聯(lián)合焊接工藝的坡口相比，坡口寬度明顯變窄，坡口的最大寬度由40~50mm減小為20~25mm，同時坡口的形狀也明顯不同。圖6-23厚壁大直徑管窄間隙TIG自動焊坡口形式圖6-24厚壁大直徑管窄間隙氬弧焊+手工電弧焊坡口形式先進焊接與連接技術61任務3窄間隙TIG焊2.焊接工藝（1）焊前準備窄間隙TIG焊焊前清理是保證焊接質量的重要環(huán)節(jié)，對坡口內外兩側的清潔度要求較高，鋼管坡口邊緣及內外壁50mm左右的范圍內加工至金屬光澤，工件及焊絲清理后要保持清潔。為了減小焊絲填充量，在保證焊炬能夠靠近坡口底部的情況下，應盡量選擇較小的坡口尺寸，但鈍邊尺寸及組對間隙也要嚴格控制以滿足全位置自動焊接的要求。（2）焊接工藝參數(shù)在一定條件下，電弧長度與電弧電壓成線性關系，可通過調節(jié)焊接電壓控制電弧長度。電弧電壓對坡口側金屬的熔化深度有重要作用，提高電弧電壓能增大弧長和電弧熱功率，加大坡口兩側壁的熔化深度。采用兩個電壓參量，分別對應焊接基值電流和峰值電流，使基值和峰值電流對應兩個電弧長度，并且弧長差別可控。先進焊接與連接技術62任務3窄間隙TIG焊【任務布置】寫出窄間隙TIG焊的工藝流程及要點。先進焊接與連接技術63任務4窄間隙GMAW任務解析通過本項目，使學生能夠根據熟悉窄間隙GMAW焊接基礎知識，了解窄間隙GMAW的發(fā)展，熟悉窄間隙GMAW分類方法和基本焊接方式原理，掌握窄間隙GMAW焊接參數(shù)對焊縫成形的影響。必備知識熔化極氣體保護焊（GMAW）是利用電弧熱將焊絲熔化形成熔滴，熔滴過渡到熔池中與母材熔化的金屬共同形成焊縫。通常需要氣體保護電弧、熔滴和熔池。根據保護氣體的不同，GMAW可分為熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）和熔化極活性氣體保護焊（MAG焊）。前者使用Ar或He，后者是CO2或者Ar+CO2的混合氣。GMAW可以采用實心焊絲或者藥芯焊絲，藥芯焊絲的熔敷率高、電弧穩(wěn)定性好，熔透性能好，但焊后或者層間需要清渣。GMAW使用直流（DC）電源或者交流電源，熔滴以短路過渡、脈沖或噴射形式過渡。正是由于GMAW具有生產效率高、焊縫性能好、適用材料廣、施焊位置靈活、可以采用半自動焊或自動焊等特點，使其在生產中得到了廣泛的應用。先進焊接與連接技術64任務4窄間隙GMAW

窄間隙熔化極氣體保護焊（NG-GMAW）是1975年后開發(fā)成功的，這一工藝采用特殊的焊絲彎曲結構以使焊絲保持彎曲，從而解決了坡口側壁的熔合問題。如前所述，在各種窄間隙焊接方法中，NG-GMAW的氣體保護、焊絲對中和缺陷形成等各種問題最具代表性，其質量控制是窄間隙焊接研究的重點和難點。由于這種方法適焊板厚大（可達400~600mm）、焊縫質量好、效率高、不需要層間清渣，使其成為了應用最廣泛的一類窄間隙焊接方法。當板厚大于35mm時，需要使用特制的NG-GMA焊槍，這類焊槍與NG-TIG焊槍類似，前端都呈現(xiàn)扁平狀，以便能夠深入到窄間隙坡口中（坡口間隙＜12mm），水、電、氣、絲等都需要通過這個扁平焊槍前端導入到坡口內部，焊槍結構復雜，加工精度要求高，成本高。65先進焊接與連接技術任務4窄間隙GMAW一、NG-GMAW的發(fā)展NG-GMAW最早始于20世紀70年代，該技術的主要開發(fā)商之一是BabcockHitachiKK，所制造的設備在1977年由Babcock和Wilcox大量地應用在了電站和核電的壓力容器的焊接中。BabcockHitachi攻克了側壁未熔合的難關。GMAW在窄間隙中應用的最大挑戰(zhàn)是熔滴位置必須精確控制，這需要短弧長和短路過渡，但會在側壁和焊槍上形成飛濺，而且容易導致電弧在側壁放電，使得電弧攀爬到側壁上，并回燒到導電嘴。BabcockHitachi通過采用脈沖焊接參數(shù)以維持短弧長，同時利用滑塊將焊絲在送人導電嘴之前折曲成波浪形，電弧在折曲的焊絲端頭燃燒，周期性地變換方向，指向不同側壁，從而增大對側壁的熱輸入，消除了側壁未熔合缺陷。工藝試驗結果表明，對于100mm厚的SA516Gr70材料，焊縫的抗拉強度為584MPa，在材料經過625℃加熱、4h保溫的焊后熱處理后強度為475MPa。Mat-suda比較了NG-GMAW和NG-SAW焊縫中的氫含量，結果顯示NC-SAW中含氫量是NG-GMAW的5倍。日本神戶制鋼（KobelSteel）采用麻花焊絲法開發(fā)了NG-GMAW技術并進行了焊接試驗，結果表明，經過620℃加熱、保溫12h的焊后熱處理后，焊縫強度達到579MPa。先進焊接與連接技術66任務4窄間隙GMAW二、NG-GMAW的分類NG-GMA焊接過程中，由于側壁與焊絲夾角很小，容易造成電弧對坡口側壁熱輸入的不足，導致側壁熔合不良，這是NG-GMA焊接非常突出的問題。據相關文獻報道，NG-GMAW主要分為兩類，一類是通過控制電弧或焊絲來實現(xiàn)電弧對側壁的加熱，另一類主要通過工藝參數(shù)控制實現(xiàn)窄間隙焊接。前者又分為麻花狀焊絲旋轉、波浪式焊絲、機械擺動式、旋轉電弧式等。后者包括大直徑焊絲、脈沖控制、藥芯焊絲交流焊等。NG-GMAW的分類見表6-8。NG-GMAW焊絲不變形NG-GMAW焊絲變形

大干伸長方法（1P/L，2P/L）

電弧不擺動大直徑焊絲交流GMAW方法（1P/L，2P/L）2根及2根以上焊絲雙絲窄間隙焊（Twinwire）（1P/L）雙絲窄間隙焊（Twinwire）（1P/L）

麻花狀焊絲方式（1P/L）電弧旋轉

導電嘴旋轉方法（1P/L）螺旋形焊絲方式（1P/L）導電嘴機械式擺動BHK方式（1P/L）電弧擺動

折曲焊絲方式（1P/L）表6-8NG-GMAW的分類先進焊接與連接技術67任務4窄間隙GMAW1.導電嘴擺動式NG-GMAW導電嘴彎曲，與焊槍軸線之間呈3°~15°的角度。在電動機的作用下，沿著焊縫橫截面任意擺動?？梢栽O定擺動停留時間、擺動頻率和擺動速度。其原理如圖6-25所示。2.BHK方式利用機械擺動器將焊絲在送入送絲輪之前形成波浪形，從而實現(xiàn)的電弧擺動，如圖6-26所示。在窄間隙坡口中電弧在焊絲端頭燃燒，周期性地變換方向，指向不同側壁，從而增大對側壁的熱輸入。擺動幅度、頻率及速度均獨立于送絲速度設定。這種方式仍然需要特制導電嘴，但由于其不需要特殊焊絲，并且理論上適焊厚度沒有限制，是目前應用最為廣泛的NG-GMA焊接方式。也可以利用成形齒輪嚙合，使焊絲在送人送絲輪之前變成波浪形，這種方式稱為折曲焊絲式。同BHK方法類似，在焊絲送出導電嘴之后形成擺動電弧，擺動頻率為250~900Hz，適合的坡口形式為V形窄間隙坡口，角度為1°~4°。其原理如圖6-27所示。先進焊接與連接技術68任務4窄間隙GMAW。圖6-25導電嘴擺動式NG-GMAW原理圖1-送絲盤2-送絲輪3-旋轉機構4-保護氣罩5-導絲管和保護氣管6-導電嘴先進焊接與連接技術69任務4窄間隙GMAW

圖6-26BHK方式的原理圖圖6-27折曲焊絲式原理圖1-送絲盤2-焊絲擺動機構3-送絲輪4-保護氣罩先進焊接與連接技術70任務4窄間隙GMAW3.旋轉電弧方式（1）導電桿旋轉

焊絲從偏心導電嘴的偏心孔伸出，在電動機和齒輪副的帶動下旋轉，從而增加電弧在側壁燃燒的時間。這種方法的原理比較簡單，但齒輪副傳動穩(wěn)定性較差，并且在焊絲與偏心導電嘴之間既有徑向磨損又有周向磨損，使導電嘴磨損非常嚴重。后來，又開發(fā)出了利用空心電動機代替齒輪副的方式，但導電嘴的磨損問題沒有得到解決。近幾年又有學者提出了利用焊絲錐形旋轉的方式，解決了導電嘴磨損問題。這種方式使用直徑為1.2mm的焊絲，旋轉頻率為100~150Hz。（2）焊絲螺旋送進式旋轉電弧

這種方式是讓焊絲呈螺旋狀彎曲，從而使電弧產生旋轉。同樣采用直徑為1.2mm的實心焊絲，旋轉頻率為120~150Hz，焊絲端部旋轉直徑為2.5~3mm?？梢院附悠驴陂g隙為9~12mm、厚度達200mm的焊縫。4．麻花狀焊絲方式麻花狀焊絲方式也叫雙絞絲焊接方式，如圖6-28所示，利用兩根繞在一起的焊絲糾結成麻花狀，深入到坡口間隙中，電弧輪流在兩條焊絲端頭燃燒，宏觀上呈現(xiàn)旋轉的效果，從而增大了對側壁的熱輸入。但這種方式需用特制焊絲和導電嘴，并且麻花狀焊絲對導電嘴磨損較大，因此這種方法僅在日本少數(shù)企業(yè)得到了應用，并不普及。先進焊接與連接技術71任務4窄間隙GMAW。圖6-28麻花狀焊絲方式原理圖先進焊接與連接技術72任務4窄間隙GMAW5.雙絲窄間隙利用導電嘴彎曲成一定角度（Twinwire）或焊絲彎曲（Tandemwire）的方式，使兩根焊絲分別指向不同的坡口側壁，從而增加對側壁的熱輸入。通常使用0.8~1.2mm直徑的焊絲。由于熱輸入較小，主要用于焊接高強鋼和熱敏感性較高的材料。也大量應用于窄問隙橫向焊接，此時前絲形成的焊道抑制后絲熔池金屬下溢，起到控制橫焊成形的作用。6.超窄間隙焊一般情況下，當間隙小于7mm時，窄間隙GMAW電弧不能穩(wěn)定燃燒；間隙在5mm以下焊接無法進行，甚至燒毀導電嘴。先進焊接與連接技術73任務4窄間隙GMAW（1）貼覆焊劑片超窄間隙焊該方法由蘭州理工大學朱亮等人開發(fā)，在坡口的兩側壁上貼覆焊劑片，焊劑片的成分主要以大理石和螢石為主，焊劑片熔點高，導電性差，可以抑制電弧沿側壁攀升，并且還能起到穩(wěn)弧和造渣造氣的作用。在適當?shù)暮附右?guī)范下，可以實現(xiàn)間隙為3.5mm，熱輸入5kJ/cm以下的超窄間隙焊接。但這種方法焊劑片的制造和貼覆不方便。（2）超窄間隙焊（擺動電?。┲写逭彰烙?998年開發(fā)了超窄間隙CO2氣體保護焊，間隙5mn。為了改善焊縫成形，采用脈沖電流、電壓控制電弧在坡口內上下擺動，如圖6-29所示。通常所說的超窄間隙焊就是指