窄间隙埋弧焊的特点及未来发展 张文明，刘 越 （沈阳大学机械学院，辽宁沈阳１１００４４） 摘 要：本文对在我国应用逐渐广泛的窄间隙埋弧焊的产生与发展进行了回顾，介绍了窄间隙埋弧 焊产生的原因及其特点，对其在实际应用中表现出的优点和缺点进行了总结。优点包括更好的焊接质 量、更小的焊接变形和残余应力以及节省焊接填充材料和能源，缺点包括熔合问题、脱渣问题以及使用何 种焊剂。阐述了目前市场上销售与企业中实际应用最广泛的窄间隙埋弧焊机的特点以及未来窄间隙埋 孤焊技术与自动焊机的发展方向，对于进一步的研究具有借鉴意义。 关键词：窄间隙埋弧焊；自动焊机；金属填充；脱渣 中图分类号：ＴＧ ４４５ 文献标志码：Ａ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｍｉｎｇ，ＬＩＵ Ｙｕｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｎａｒｒｏｗ－ｇａｐ Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ—ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ （Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｄｅ ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ—ｇａｐ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｗｈｙ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｍｅ ｏｕｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｂｅｔｔｅｒ ｗｅｌｄ ｑｕａｌｉｔｙ，ｌｅｓｓ ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｏｎｔｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｆｉｌｌｅｒ ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐ— ｔｉｏｎ．Ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｆｕｓｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｓｌａｇ ｄｅｔａｃｈａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｃｈｏｏｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅｌｄ— ｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｈａｔ ｃａｎ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｄｅｐｉｃｔｅｄ，ａｌｓｏ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｉｔ ｈａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎａｒｒｏｗ—ｇａｐ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ—ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ，Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ，Ｍｅｔａｌ ｆｉｌｌｉｎｇ，Ｓｌａｇ ｒｅｍｏｖｉｎｇ 传统的埋弧焊是利用电弧在焊剂层下燃烧产生 的热量来进行焊接。在焊接过程中，焊剂吸收热量 弧焊的导电嘴无法进入坡口施焊，而且需要熔敷的 金属量大大增加，大量消耗焊丝和能源。 ２）由于板厚的增加，拘束度增大，焊件焊接变 而熔化，覆盖在熔池与焊接区域上，一方面对熔池及 焊缝金属起到物理保护作用，提高焊缝的质量；另一 方面，熔化焊剂还可以与熔池金属发生化学冶金反 应，比如脱氧、去杂质、渗合金等，在很大程度上含混 入焊缝金属的化学成分，进而影响焊接质量。 形受到约束，会在焊件中形成较大的残余应力，对接 头质量有严重影响。 ３）传统埋弧焊的控制方式落后，自动化程度 低，不能精确控制，易于产生未熔合、夹渣等缺陷。 为了提高焊接质量和生产效率，窄间隙埋弧焊 的应用越来越广泛。 埋弧焊的机械化、自动化程度相对较高，人为因 素对焊接质量影响较小，得到的焊缝质量更可靠，而 且埋弧焊的线能量相对较大，熔敷率较高，因而生产 率高。与其他焊接工艺相比，完全没有飞溅的问题， 故节省了焊接材料和能源，并提高了焊接的稳定性。 基于以上原因，埋弧焊技术在造船业、冶金机械业、 化工容器制造中有着广泛的应用。 １窄间隙埋弧焊的优势 窄间隙埋弧焊继承了埋弧焊金属熔敷速度快、 无飞溅、焊缝质量可靠等优点，采用了新的坡口形 式，避免了传统埋弧焊的局限性，同传统宽坡口埋弧 随着生产要求的不断提高，装置规模的一步步 扩大，需要进行埋弧焊焊接的材料厚度不断增大，埋 焊相比，窄间隙埋弧焊的焊接变形和残余应力较小。 正是由于高效、节能、节省焊材并且焊缝质量更好的 特点，其在厚板的焊接中应用越来越多。随着跟踪 等关键技术的不断进步，可焊的间隙越来越小，坡口 深度也越来越深，其应用更加广泛。 弧焊工艺本身的局限性逐渐显现出来，具体如下。 １）传统埋弧焊需要对母材进行加工，以形成Ｖ 形或Ｘ形坡口，随着厚度的加大，开坡口的工作量 急剧增加；若减小坡口角度，坡口宽度减小，传统埋 石 石 ＝ ；＼ 石 石＼ 石＼ 石＼ 写 石 ； 收稿日期：２０１１年７月５目 作者简介：刘芳丽（１９８８一），女，硕士，主要从事油气储运等 方面的研究。 责任编辑王亚昆 ・５９・ 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 ２０１１年 第１１期 窄间隙埋弧焊的主要优势如下。 １）坡口形式以Ｉ形和Ｕ形窄间隙为主，间隙在 １８￣３０ ｍｍ之间，与传统埋弧焊接所用坡口相比， 电弧外，还可以全程记录焊接过程中焊接参数的变 化，以作为焊接缺陷分析的依据。 同传统埋弧焊焊机相比，该焊机的焊厚度较 坡口横截面积大大减少，焊接过程可节省大量填充 金属。由于熔敷金属量的减少，焊接时间也随之减 少，焊接效率显著提高。资料表明，相比传统埋弧 焊，窄间隙埋弧焊可节省大约２Ｏ ～４Ｏ 焊材，效 率提高３Ｏ ～４５ 】］。 ２）通常窄问隙埋弧焊采用的线能量比较小，产 生粗大晶粒的可能性小，而且窄间隙埋弧焊都是多 道焊，后续焊道对前焊道具有重叠加热的作用，可细 化晶粒。因此，窄间隙埋弧焊的焊缝具有更高的冲 击值，焊接质量更好，积聚的氢也更少＿２］。 薄，动作更为灵敏准确，以实现深入坡口施焊。焊 表面有良好的绝缘处理，避免破坏坡口及焊本身。 此外，焊通常配有摆动系统，可以在进行单道焊接 时保证侧壁的熔合…４］。 焊丝的传送系统可以做到对送丝速度更精确的 控制，来确保电弧的稳定燃烧，进而确保焊接质量的 连贯性，以避免焊接缺陷的产生。 整个焊机的控制系统较为先进，核心采用高速 的ＤＳＰ芯片来满足焊接过程中大量实时数据的处 理需求。抗干扰能力强的ＰＩＣ芯片在控制系统中 也有应用，但通常不是核心处理器，也有采用ＰＬＣ 的控制系统 ］。 ２ 窄间隙埋弧焊的局限 １）熔合的问题。由于窄间隙埋弧焊使用的线 能量较小，一旦焊接参数设置不合适（例如焊丝与侧 壁的距离），很容易产生侧壁未熔合的情形，进而易 于产生夹渣。在实际焊接生产中，要对焊丝进行加 工，比如两根焊丝拧成麻花状或螺旋状。市场上销 售焊机的通常解决方法是使用双丝，其中前导焊丝 ４未来窄间隙埋弧焊的发展方向 随着生产的发展，我国工业各部门对于窄间隙 埋弧焊的需求越来越高，窄间隙埋弧焊对于精度和 可靠性的要求也会越来越高。与之配套的系统研究 也在一步步进行，如具有更好脱渣性的高性能焊剂 是研究者不懈追求的目标。除此以外，窄间隙埋弧 焊自动焊机的通用性将会更高，不需要去研究很多 功能很单一的焊机。自动焊机的模块化倾向，使得 弯曲指向坡口侧壁，确保侧壁的熔透，后焊丝可保证 焊缝的成形良好，以达到良好的焊接质量。 ２）脱渣的问题。焊剂层在保护熔池，改善焊缝 化学成分，防止飞溅过程中起了重要作用。但在变 成渣壳之后成为了麻烦，因为是多道焊，在焊接下一 窄间隙埋弧焊焊机的功能改造与升级更加简便。而 且随着对此类焊机研发投入的增加，焊机的成本将 焊道前，必须要将渣壳清理干净以防止出现夹渣等 逐步降低，性能逐渐提高。 缺陷。在窄间隙埋弧焊中，脱渣的难度更大，因为窄 问隙埋弧焊的坡口窄而深，而且侧壁问近乎没有夹 参考文献 ［１］伍小龙，徐卫东，汪辉．厚壁容器的双丝窄间隙埋弧焊 ＿Ｊ］．压力容器，２００３，１２Ｏ（３）：２８． ［２］陈裕川．厚壁容器窄间隙埋弧焊的研究与应用［Ｊ］．压力 容器，１９９１，８（１）：８－１２． ［３］张国栋，张富巨，卜旦霞．窄间隙埋弧焊的发展［Ｊ］．电焊 机，２００７，３７（２）：２８ ２９． 角，焊接时产生的变形有可能使脱渣更为困难。因 此要求用于窄间隙埋弧焊的焊剂具有更好的脱渣 性。 进行窄间隙埋弧焊时，通常要进行预热并保持 层间温度以达到焊接的质量要求，若焊剂脱渣困难， 在焊完每一层时都要停下来进行焊渣的清理工作， ［４］蔡东红，宁海峰，贺罡，等．精密数字控制双丝窄间隙埋 弧焊接系统［Ｊ］．电焊机，２０１０，４０（２）：１６—２１． ［５］杨学兵，唐伟．窄间隙ＴＩＧ／ＭＡＧ／ＳＡＷ焊接技术［Ｊ］．电 焊机，２０１０，４０（７）：１４－１９． 层间温度不易保持，大大降低焊接效率的同时影响 接头质量。而原有的埋弧焊焊剂无法满足窄问隙埋 弧焊的脱渣性要求，所以科研人员进行了大量工作 以制造出符合要求的焊剂。 目前国内生产的窄间隙埋弧焊用焊剂有 ＳＪ２０４ＳＨ，ｃＨＦ ６Ｏ３，ＳＪｉ０１。常用的国外焊剂为日 作者简介：张文明（１９５９），男，教授，主要从事材料加工及焊 接自动化等方面的研究。 收稿日期：２０１１年６月１日 本神钢的ＰＦ一２ＯＯ等系列焊剂口］。 ３市场上窄间隙埋弧焊接系统的特点 目前市场上的窄间隙埋弧焊焊机大都能做到焊 前预置参数，焊接过程自动控制，有些除了自动稳定 ・责任编辑王亚昆 ６０・ 新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 ２０１１年 第１１期
