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        窄間隙氣體保護焊接工藝發(fā)展與應(yīng)用

        2022-09-20 06:15:38秦國梁
        金屬加工(熱加工) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:焊縫

        秦國梁

        山東大學(xué)焊接研究所 山東濟南 250061

        1 序言

        隨著經(jīng)濟的發(fā)展,石油石化與海洋工程等領(lǐng)域的重大裝備日趨大型化、高參數(shù)化,高性能材質(zhì)厚板、超厚板金屬結(jié)構(gòu)(以下統(tǒng)稱厚壁結(jié)構(gòu))的應(yīng)用也越來越廣泛。厚壁結(jié)構(gòu)的大拘束度及傳統(tǒng)焊接工藝的大填充量帶來諸多問題,如生產(chǎn)效率低、焊接熱輸入大,使焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力和殘余變形,從而對接頭塑性、韌性帶來較大損傷,導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能變差等。窄間隙焊接技術(shù)(Narrow Gap Welding,NG-W)在保留傳統(tǒng)焊接方法優(yōu)點的同時,較理想地克服了上述局限性。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比,由于NG-W采用窄而深的焊接坡口,因此大幅度減少了焊縫橫截面積,節(jié)約了填充焊接材料,降低了接頭總的焊接熱輸入,在提高焊接生產(chǎn)率的同時降低了焊接生產(chǎn)成本。特別地,由于焊接材料填充量少、總的熱輸入低,不但使接頭殘余應(yīng)力和殘余變形小、焊縫組織細(xì)化,也會大大減小接頭塑韌性損傷,容易獲得高精度、高性能的接頭,因此窄間隙焊接技術(shù)已成為石油石化、海洋工程等領(lǐng)域重型裝備厚壁結(jié)構(gòu)的重要焊接成形制造技術(shù)。

        本文從高端裝備厚壁結(jié)構(gòu)焊接成形制造對窄間隙焊接技術(shù)的要求出發(fā),簡明扼要地介紹了窄間隙氣體保護焊接(Narrow Gap Gas Shielded Arc Welding)的技術(shù)優(yōu)勢,以及存在的焊接過程穩(wěn)定性、側(cè)壁熔合、焊縫跟蹤等問題,并基于熔敷效率和熱輸入平衡,提出了激光+電弧復(fù)合熱源超窄間隙焊接技術(shù),其具有實現(xiàn)熱敏感材質(zhì)厚壁金屬結(jié)構(gòu)的高效、低熱輸入、低損傷焊接的技術(shù)優(yōu)勢。

        2 窄間隙氣體保護焊接工藝方法及特點

        窄間隙焊接技術(shù)自1963年8月由美國Battelle研究所開發(fā)成功以來,在20世紀(jì)70~80年代進入研發(fā)高峰,并在80年代末進入了工程應(yīng)用階段。在早期的窄間隙焊接研發(fā)和工程應(yīng)用中,主要是以窄間隙埋弧焊(NG-SAW)為主。但近年來,隨著對熱輸入比較敏感的高性能材料在厚壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多,NG-ASW熱輸入大的問題逐漸暴露出來,而熱輸入較低的以窄間隙熔化極氣體保護焊(Narrow Gap Gas Metal Arc Welding,NG-GMAW)和窄間隙鎢極氬弧焊(Narrow Gap Gas Tungsten Arc Welding,NG-GTAW)為代表的窄間隙氣體保護焊接技術(shù)受到了重視,并進行了廣泛地研發(fā)。

        窄間隙焊接作為厚壁結(jié)構(gòu)首選的焊接工藝,相比傳統(tǒng)的多層多道大坡口焊接,具有諸多技術(shù)與經(jīng)濟的優(yōu)越性。

        1)節(jié)能、省材、高效率:由于坡口間隙大幅減小,填充焊縫金屬減少,能量輸入降低,在大幅度提高焊接生產(chǎn)率的同時,也降低了生產(chǎn)成本。數(shù)據(jù)表明,NG-GMAW焊材消耗量比普通SAW減少50%以上,比NG-SAW減少了近14%(不包括焊劑消耗量和保護氣體的消耗量)[1]。

        2)低的焊接熱輸入、應(yīng)力變形、熱損傷:低的熱輸入使得接頭具有較低的焊接殘余應(yīng)力和變形,熱影響區(qū)小,對母材的熱損傷也小。

        3)焊縫質(zhì)量高:焊縫組織性能均勻性提高,力學(xué)性能特別是塑韌性指標(biāo)得到改善。

        4)在厚板焊接領(lǐng)域具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢:隨著板厚的增加,窄間隙焊的材料費和人工費節(jié)約比例越來越大,一般來講,比傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)成本至少節(jié)約40%以上。

        由于窄間隙焊接具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢,其研發(fā)一直是國內(nèi)外焊接領(lǐng)域的研究熱點之一,各種各樣的窄間隙焊接技術(shù)紛紛被開發(fā)出來。窄間隙氣體保護焊主要包括NG-GMAW和NGGTAW等窄間隙焊接工藝方法。

        2.1 窄間隙熔化極保護焊技術(shù)

        NG-GMAW是1975年后研制成功的,采用特殊的焊絲彎曲機構(gòu)使焊絲保持彎曲,以保證坡口側(cè)壁熔合。焊絲作為電極可采用大電流焊接,焊接熔敷效率高,同時適用于各種位置焊接,焊后不需要清渣,且明弧焊接便于監(jiān)視和控制,非常適合自動化焊接[2,3]。

        保護氣體通常使用Ar或CO2,在實際工程應(yīng)用中多用CO2+Ar混合氣。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,但飛濺率高是其最大的問題,人們一直在尋找降低CO2氣體保護焊飛濺率的方法。表面張力過渡(Surface Tension Transfer,STT)技術(shù)極大地降低了氣體保護焊的飛濺率,使純CO2氣體保護焊在NG-W中的應(yīng)用成為可能[3,4]。另外,藥芯焊絲的使用極大地抑制了CO2氣體保護焊接過程中的飛濺。藥芯焊絲電弧焊(Flux-Cored Arc Welding,F(xiàn)CAW)在純CO2保護下,電弧和熔滴過渡穩(wěn)定、熔敷效率高、焊縫成形良好,用于NG-W具有側(cè)壁熔合良好、單道焊無擺動即可實現(xiàn)窄間隙焊接的優(yōu)勢。

        但基于FCAW的窄間隙焊技術(shù),繼承了SAW和GMAW的優(yōu)點,但也遺傳了其缺點。一方面是脫渣問題,用較小間隙(如≤12 mm)單道焊接時,清渣十分困難,因而只能采用較大間隙(一般≥18mm),削弱了NG-GMAW的技術(shù)優(yōu)勢;另一方面就是飛濺,主要是大焊接電流使其在熱敏感鋼和平焊除外的空間位置應(yīng)用時受到了限制,而中小參數(shù)焊接時,F(xiàn)CAW極易產(chǎn)生大顆粒以及大顆粒與短路混合過渡,難以避免隨機產(chǎn)生的大顆粒飛濺,直接威脅到焊槍運行和送絲過程的可靠性。這些缺點成為NG-FCAW實際工程應(yīng)用推廣的障礙。

        NG-GMAW過程中,總存在著明弧條件下的熔滴過渡,因而不可避免地存在著飛濺。在常規(guī)GMAW工藝中,由于焊接坡口較寬大,飛濺對焊接過程可靠性的影響可很容易地控制到最小。然而在NG-W時,插入式焊槍離側(cè)壁的距離很小,隨機產(chǎn)生的大顆粒飛濺若焊合到側(cè)壁上,則可能導(dǎo)致焊槍移動卡死或短路的危險;導(dǎo)電嘴末端的飛濺聚集有可能導(dǎo)致送絲中斷,并破壞氣保護效果。盡管通過保護氣氛和焊接參數(shù)的合理選擇,可使飛濺降到較低水平(如3%左右),但對可靠性要求極高的窄間隙焊接而言,現(xiàn)有技術(shù)水平還不能完全排除飛濺對焊接可靠性的影響,這也許是NG-GMAW技術(shù)投入開發(fā)、研究最多,而商品化推廣應(yīng)用卻較少的根本原因之一[5-7]。

        2.2 窄間隙鎢極氬弧焊技術(shù)

        NG-GTAW最早應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代初,超高強度鋼等熱敏感材料的應(yīng)用促進了NG-GTAW的研發(fā)。但由于鎢極載流能力低,熔敷效率不高,應(yīng)用領(lǐng)域較窄,因此一般被用于打底焊及重要結(jié)構(gòu)焊接中。

        在實際生產(chǎn)中,為了提高熔敷效率,多采用熱絲GTAW。與NG-SAW相比主要有以下特性。

        1)非熔化電極、無焊接飛濺、焊接過程穩(wěn)定,易實現(xiàn)焊接熱輸入精確控制以及全位置焊接。

        2)焊接熱輸入低和無氧氣氛有利于獲得高質(zhì)量焊接接頭,非常適用于高強鋼、高合金鋼、不銹鋼及鈦合金等材料焊接。

        在現(xiàn)有的各種N G-W技術(shù)中,若進行綜合評價,則NG-GMAW是相對更優(yōu)越的技術(shù):從焊接生產(chǎn)率上看,NG-GMAW具有與NG-SAW接近的較高熔敷率,且成倍地高于NG-GTAW;從空間位置上看,NG-GMAW可以全位置焊接;另外,NGGMAW熱輸入范圍寬且很低,使其特別適用于低合金高強鋼、超高強鋼等對熱輸入比較敏感材料的焊接,可降低HAZ損傷。

        窄間隙氣體保護焊接工藝技術(shù)特點見表1。

        表1 窄間隙氣體保護焊接工藝技術(shù)特點

        目前,隨著電弧物理和弧焊控制技術(shù)的進步,NG-GMAW飛濺控制技術(shù)必將向更理想的目標(biāo)發(fā)展,隨著研究的不斷深入,出現(xiàn)了諸如STT、CMT Cold Metal Transfer,CMT)等無飛濺的焊接工藝。

        2.3 窄間隙激光焊接技術(shù)

        激光焊接技術(shù)由于具有能量密度集中、熱影響區(qū)窄、焊后變形小等特征,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中。特別近年來,隨著激光功率的不斷增大和成本的降低,大功率激光焊接技術(shù)獲得了越來越多的工程應(yīng)用,并應(yīng)用于厚壁結(jié)構(gòu)窄間隙焊接[8-11]。為了最大限度地減小坡口尺寸,充分利用激光束能量密度高的優(yōu)勢,大鈍邊窄間隙激光焊接工藝(Narrow Gap Laser Welding,NG-LW)結(jié)合了窄間隙焊接技術(shù)與激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)超窄間隙、低熱輸入焊接[12-15]。

        為了克服傳統(tǒng)窄間隙激光焊接過程中側(cè)壁未熔合的問題,光束擺動技術(shù)被引入到NG-LW中,即激光束按照一定路徑在坡口內(nèi)擺動,增加熱源作用范圍,并有效加熱坡口側(cè)壁,實現(xiàn)側(cè)壁熔合,同時能夠?qū)崿F(xiàn)多層單道焊接,提高了生產(chǎn)效率和接頭性能,窄間隙擺動激光焊接技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。但激光焊對厚壁件裝配的高要求和熔敷效率低等問題限制了NG-LW的工程應(yīng)用。

        擺動激光焊接技術(shù)自實現(xiàn)以來,激光擺動設(shè)備逐漸由機械擺動發(fā)展為振鏡系統(tǒng)。

        1)機械擺動機構(gòu):使用CNC數(shù)控機床控制激光擺動,研究光束擺動對氣孔的抑制作用[16]。雖然機械裝置控制激光束擺動的研究取得了一定的成果,但存在擺動頻率低、穩(wěn)定性差等缺點。

        2)電動動楔形鏡片擺動機構(gòu):借助光束透過楔形鏡片發(fā)生折射的現(xiàn)象,通過電動機帶動鏡片的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)激光束的擺動,如IPG公司生產(chǎn)的D30/D50激光擺動焊接鏡頭,具有光束擺動精度、擺動頻率高的特點,促進了擺動激光焊接的發(fā)展,但擺動模式較為單一,限制了在工業(yè)上的應(yīng)用[17]。

        3)振鏡擺動機構(gòu):通過兩個伺服電動機控制鏡片擺動,進而控制入射激光的擺動,使激光光路發(fā)生偏轉(zhuǎn),之后經(jīng)聚焦鏡組聚焦,使其聚焦到設(shè)定的位置,從而實現(xiàn)激光束擺動路徑的加載,如Trumpf公司生產(chǎn)的可編程聚焦鏡組,擺動速度可達1000mm/s,且可以進行激光束的快速定位和切換,實現(xiàn)激光擺動的高質(zhì)量焊接[18,19]。

        NG-LW過程中,通過設(shè)置幅度、頻率、速度或模式等擺動參數(shù)可擴大間隙適應(yīng)性,調(diào)控熔池金屬的流動狀態(tài),抑制氣孔產(chǎn)生,改變焊接熔池形貌和尺寸,抑制凝固裂紋,改變晶粒生長行為,實現(xiàn)可靠側(cè)壁熔合,獲得高質(zhì)量接頭[20-22]。盡管NG-LW可以獲得高質(zhì)量接頭,但其與NG-GTAW一樣,存在熔敷效率低的問題。

        3 窄間隙氣體保護焊接關(guān)鍵技術(shù)

        與工程應(yīng)用已經(jīng)非常成熟的NG-SAW相同,側(cè)壁熔合、焊縫跟蹤也是窄間隙氣體保護焊接的關(guān)鍵技術(shù)難點。除此之外,焊接過程穩(wěn)定性和過程監(jiān)控也是決定實現(xiàn)高質(zhì)量、高可靠性窄間隙焊接的重要技術(shù)因素。

        3.1 低飛濺、低熱輸入焊接工藝

        窄間隙氣體保護焊接過程中是明弧焊接,而在深而窄的坡口內(nèi)明弧焊時,焊接飛濺對工藝可靠性影響極大。當(dāng)飛濺聚集到噴嘴端口和導(dǎo)電嘴出口處時,會影響氣體保護的效果和送絲的穩(wěn)定性;若黏合或焊合在側(cè)壁上,將直接導(dǎo)致焊槍在坡口內(nèi)移行困難甚至短路,從而造成焊接缺陷甚至焊接失敗。另外,對一些熱輸入敏感的高性能材料焊接時,采用低熱輸入焊接工藝以降低其對母材的熱損傷,是保證接頭性能的重要措施。因此,低飛濺、低熱輸入的焊接工藝是優(yōu)質(zhì)高效窄間隙氣體保護焊接的工藝基礎(chǔ)。

        以前,國內(nèi)外研究人員從控制熔滴過渡方面對抑制焊接飛濺做了很多有益的工作,結(jié)合焊接過程控制技術(shù)開發(fā)了一些先進的焊接技術(shù),如STT、CMT等低飛濺與低熱輸入焊接工藝;另外,通過調(diào)控保護氣氛獲得穩(wěn)定的熔滴過渡模式,如在富Ar氣氛(Ar+10%~20%CO2)全射流過渡或射流/短路混合過渡。

        焊接低熱輸入往往會造成熔敷效率低的問題,因此對于窄間隙熔化極氣體保護焊接工藝,在保證不增加焊接損傷的條件下,如何提高熔敷效率也是亟待解決的問題之一。

        3.2 窄間隙氣體保護焊接側(cè)壁熔深控制

        在NG-W條件下,電弧軸線基本與坡口側(cè)壁平行,電弧也難以直接加熱熔化側(cè)壁,從而造成側(cè)壁熔合可靠性差的問題,并且熱輸入越低,側(cè)壁未熔合的問題越突出,是目前窄間隙氣體保護焊接技術(shù)中最大的技術(shù)難點[23]。

        電弧偏轉(zhuǎn)方法如下。

        (1)電弧偏轉(zhuǎn) 為了實現(xiàn)電弧直接加熱熔化側(cè)壁,達到可靠熔合,各種實現(xiàn)電弧偏轉(zhuǎn)的焊絲擺動、焊槍擺動等技術(shù)措施被開發(fā)出來[24]。主要有以下幾種方法:

        1)采用雙絲分別偏向兩側(cè)壁(見圖1a)。

        2)焊槍在坡口內(nèi)偏擺(見圖1b)。

        3)焊絲端部彎曲并軸向旋轉(zhuǎn)(見圖1c)。

        4)采用波浪焊絲(見圖1d)[1,25]。

        5)采用麻花焊絲(見圖1e)。

        圖1 部分電弧偏擺方法

        6)采用螺旋送進焊絲。

        7)偏心旋轉(zhuǎn)。

        8)在交流波形上疊加脈沖。

        9)旋轉(zhuǎn)射流過渡。

        對NG-GMAW來說,主要是利用電弧擺動使電弧直接加熱熔合側(cè)壁。在平焊中,為了使I形坡口的兩側(cè)壁充分熔合,多采用焊絲彎曲、焊絲垂直焊接方向擺動、麻花狀焊絲以及交流弧焊等方法,使電弧偏轉(zhuǎn)直接加熱熔化坡口側(cè)壁,取得了不錯的效果。在橫焊中,為了防止I形坡口內(nèi)液態(tài)金屬下淌,一般利用焊接電流周期性變化,使焊絲擺動或?qū)⑵驴诜殖缮舷聦雍附?,以及將各種方式組合起來的焊接方法,從而得到均勻的焊道。

        在立焊中,為了保證坡口兩側(cè)焊透,一般采用擺動焊絲焊接以及焊接電流與焊絲擺動同步變化的焊接方法來保證焊縫成形良好。

        而NG-GTAW不僅克服了普通TIG焊接效率低的缺點,而且具備了熔化極氣體保護焊接工藝方法所不具備的特征。NG-GTAW不僅可以實現(xiàn)薄板焊接、壓力管道全位置焊接,而且焊縫成形好、焊接質(zhì)量高。NG-GTAW中,有在送進焊絲中通入直流電產(chǎn)生偏向焊接方向的磁場焊接,也有采用熱絲低頻脈沖電流NG-GTAW立焊或橫焊焊接。此外,為了防止因向填絲中通電而引起磁偏吹,一般采用周期性增減焊接電流,并在焊接電流降低瞬間填絲通電的焊接方法來克服磁偏吹的不利影響。

        (2)電弧旋轉(zhuǎn) 除了是電弧偏轉(zhuǎn)外,旋轉(zhuǎn)電弧是窄間隙焊接工藝中一種常用的用來解決側(cè)壁熔合的方法。如江蘇科技大學(xué)王加友等[26]采用偏心導(dǎo)電嘴實現(xiàn)了窄間隙焊接過程中電弧的高速旋轉(zhuǎn),如圖2所示。研究結(jié)果表明,電弧旋轉(zhuǎn)明顯地改善了焊縫側(cè)壁熔深,避免了指狀熔深的出現(xiàn),從而有效地防止了未熔透、裂紋和氣孔等一般窄間隙焊常見缺陷的出現(xiàn);多層焊時層與層之間熔合良好,側(cè)壁熔深足夠,并沒有出現(xiàn)未焊透等焊接缺陷,焊縫表面成形美觀(見圖2c)。

        圖2 高速旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接工藝原理和焊縫成形

        旋轉(zhuǎn)電弧法是通過一種驅(qū)動裝置將電弧強制旋轉(zhuǎn)起來的方法,對坡口精度和焊接參數(shù)要求嚴(yán)格,導(dǎo)致導(dǎo)電嘴磨損以及焊絲盤卷本身的翹曲彎折造成焊絲不規(guī)則擺動等問題,但由于焊槍自動對中控制是一個極為重要的條件,需要精準(zhǔn)的焊縫跟蹤。

        (3)非均勻壓縮電弧 電弧是一種可壓縮的“彈性導(dǎo)體”,因此可以通過如熱壓縮、電磁調(diào)控等各種措施對電弧形態(tài)進行調(diào)控,以實現(xiàn)對側(cè)壁的可靠熔合。

        在窄間隙氣體保護焊接時,坡口本身對焊接電弧有一定的機械壓縮,保護氣體對電弧進行強制冷卻壓縮,使電弧的能量密度大大增加,同時狹窄坡口內(nèi)電弧向空氣輻射的熱損失較小,電弧的熱效率增加,電弧區(qū)的溫度顯著提高;進一步對焊接電弧進行合理的非均勻壓縮,得到需要的電弧形狀及在坡口內(nèi)的加熱面積,可以使兩側(cè)壁獲得充分加熱,從而實現(xiàn)均勻熔合。

        張富巨等[27,28]設(shè)計非均勻壓縮扁平形噴嘴以實現(xiàn)電弧的非均勻壓縮,如圖3所示。兩種型號噴嘴與圓柱形噴嘴對焊縫熔寬影響比較見表2。

        圖3 非均勻壓縮扁平形噴嘴

        表2 噴嘴對焊縫熔寬的影響

        研究結(jié)果表明,非均勻氣流對電弧的壓縮作用很明顯,在扁平形噴嘴平行于焊接方向時熔寬增長較大,而在垂直于焊接方向時熔寬減小,并且噴嘴兩側(cè)噴氣通道對電弧壓縮作用具有一定的影響,噴出氣流的挺度越大,對電弧的壓縮作用越強,電弧對側(cè)壁的加熱力度更大。

        (4)磁控電弧偏轉(zhuǎn) 在焊接電弧上外加磁場,從而使電弧在電磁力作用下,在磁力線的法平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)磁場,能夠使電弧偏轉(zhuǎn)為窄間隙氣體保護焊中坡口側(cè)壁熔合控制提供了一個新的思路。以前采用波浪形和麻花形送絲等強制彎絲,以及機械強制旋轉(zhuǎn)電弧等都是從送絲方面強制電弧偏轉(zhuǎn),而韓國NA等[29]在平行焊接方向上將一個縱向磁場施加在電弧基于電磁效應(yīng)實現(xiàn)了NG-W過程中電弧柔性偏轉(zhuǎn),如圖4所示。電弧振蕩有振蕩頻率和振蕩寬度兩個參數(shù)。振蕩寬度依賴于施加電磁場的磁通密度、焊接電流和弧長,磁通密度越大,電弧偏轉(zhuǎn)角度越大,如對于寬度為10mm的坡口,在25Gs(1Gs=10-4T)的磁通密度下,電弧振蕩效果不明顯,在75Gs卻出現(xiàn)咬邊,而在50Gs下,電弧振蕩到坡口的角落里,獲得可靠側(cè)壁熔合,如圖5a、c所示;坡口寬度越窄,相同磁通密度下越容易出現(xiàn)振蕩電弧的側(cè)壁黏連,如圖5b所示。

        圖4 基于電磁電弧振蕩的窄間隙焊接

        圖5 窄間隙焊接過程中弧柱旋轉(zhuǎn)圖像

        3.3 工藝參數(shù)對側(cè)壁熔合的影響

        除了采用電弧偏轉(zhuǎn)直接加熱熔化側(cè)壁、保證窄間隙焊接側(cè)壁熔合質(zhì)量之外,如焊接熱輸入、熔滴過渡模式及焊接參數(shù)等工藝條件對側(cè)壁熔合質(zhì)量也具有重要影響。

        (1)焊接熱輸入 一般在低熱輸入?yún)?shù)下電弧作用區(qū)域變窄,對側(cè)壁加熱作用減弱,因此在一定的低熱輸入范圍內(nèi),熱輸入越高,側(cè)壁熔合越好,出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷的概率也越小。隨著電弧高能區(qū)變窄,只有保持相對穩(wěn)定的電弧作用位置,才能使電弧對側(cè)壁進行充分加熱。因此,側(cè)壁熔合情況會隨著熱輸入減小而對電弧作用位置變得更加敏感。

        (2)熔滴過渡 有關(guān)研究表明,連續(xù)旋轉(zhuǎn)噴射過渡可有效地增大焊縫熔寬,提高焊接熔敷速度,改善角焊縫與窄間隙焊的焊縫成形以及對焊件裝配間隙不敏感等優(yōu)點,因此旋轉(zhuǎn)噴射過渡可以用于窄間隙焊接改善側(cè)壁熔合。西北工業(yè)大學(xué)研究人員通過對比脈沖軸向噴射過渡與脈沖旋轉(zhuǎn)噴射過渡窄間隙焊接電弧形態(tài)和焊縫成形,發(fā)現(xiàn)在脈沖軸向噴射過渡時,鐘罩形電弧弧柱爍亮區(qū)內(nèi)、在焊絲末端尖液錐下沿焊絲軸線有一條由細(xì)小熔滴過渡所造成的淡黑線熔滴過渡軌跡;而在脈沖旋轉(zhuǎn)噴射過渡時,焊絲末端細(xì)長液錐的旋轉(zhuǎn)噴射過渡和電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn),使弧柱的爍亮區(qū)成為角錐形,如圖6所示。采用脈沖旋轉(zhuǎn)噴射過渡焊接時,電弧過程穩(wěn)定,可保證獲得良好的焊縫成形,焊縫側(cè)壁熔深明顯大于軸向噴射過渡的焊縫,且未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷[30]。

        圖6 窄間隙焊接電弧熔滴過渡形態(tài)示意

        3.4 窄間隙氣體保護焊接焊縫跟蹤

        焊縫自動跟蹤技術(shù)作為窄間隙焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一,很大程度上決定著窄間隙焊接的質(zhì)量。焊縫跟蹤就是以電弧相對于坡口中心(或坡口兩側(cè)壁)的位置偏差作為被調(diào)節(jié)量,焊槍位移量作為操作量,使焊槍始終沿著焊縫運動的閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)偏差發(fā)生時,能自動檢測這一偏差,然后經(jīng)放大、執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整焊槍位置。

        (1)窄間隙氣體保護焊接焊縫橫向跟蹤 在焊接過程中,焊縫跟蹤系統(tǒng)有效獲得坡口中心軌跡的相對變化后,快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)焊槍與坡口中心對正,是關(guān)系到窄間隙焊接質(zhì)量的一個關(guān)鍵問題,也是焊接自動化技術(shù)發(fā)展中的一個研究熱點。電?。ɑ蚝笜專┫鄬附悠驴诘木_位置控制是確保窄間隙焊接質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而目前由于在窄間隙焊接中電弧與側(cè)壁的距離是保證側(cè)壁熔合質(zhì)量的重要因素,因而電弧對坡口側(cè)壁的跟蹤就變?yōu)楹笜寣ζ驴诰嚯x的跟蹤。

        焊接跟蹤控制的難點在于電弧位置的精確檢測。由于焊接工藝、接頭形式、坡口加工與裝配精度等工藝條件千差萬別,焊接過程中又有強弧光輻射、強電磁場、高溫及飛濺等干擾,使得電弧位置的檢測極其困難。目前,已提出的檢測方法有電弧式、接觸式、電磁式、光電式等,其中視覺傳感是研究得最多且極具應(yīng)用潛力的電弧跟蹤傳感方 法[31-34]。

        視覺傳感采用的CCD、CMOS攝像機光譜響應(yīng)范圍很寬(380~1100nm),圖像點陣精度高,且失真小、靈敏度高,在光電檢測方面具有其獨特優(yōu)勢。在弧焊自動跟蹤過程中,視覺傳感的跟蹤對象可以是輔助圖像、電弧及熔池?zé)釄?,具有信息豐富的特點[35-39]。盡管視覺傳感焊縫跟蹤具有非接觸、響應(yīng)速度快等特點,但是弧光對檢測信號的干擾是視覺傳感最大的問題,并且很難克服,一般通過選用合適的背景濾光等弧光抑制措施,以削弱輻射極強的弧光影響。

        機械式焊縫跟蹤則可以有效克服焊接過程中弧光的干擾,也是NG-SAW焊縫寬度檢測應(yīng)用最成熟的方法。如常用的旋轉(zhuǎn)電位器作角位移傳感器的接觸式焊縫寬度檢測傳感器,根據(jù)電壓差符號判斷偏轉(zhuǎn)方向,并根據(jù)電壓差大小與預(yù)先設(shè)定的窗口閾值比較,來判斷是否要調(diào)節(jié)焊槍位置[40,41]。

        除此之外,基于弧長變化的電弧傳感系統(tǒng)也是焊縫寬度檢測的方法之一。如韓國NA等[29]則在電磁振蕩電弧窄間隙焊接過程中分析并根據(jù)弧長的特征實現(xiàn)了基于電弧的焊縫跟蹤。而天津工業(yè)大學(xué)李亮玉等[42]則針對脈沖NG-GMAW,從經(jīng)過均值濾波后采集的電流信號中提取每一個脈沖周期的峰值電流(見圖7),計算焊槍在左右極限位置遠(yuǎn)離側(cè)壁時的峰值電流變化率,得到焊槍偏差量,將其發(fā)送給焊槍擺動糾偏控制系統(tǒng),控制焊槍糾偏,實現(xiàn)焊縫跟蹤控制,有效提高了脈沖NG-GMAW過程中電弧傳感的靈敏度。

        圖7 NG-W過程中電弧傳感跟蹤電流波形

        窄間隙視覺傳感焊縫跟蹤在超厚結(jié)構(gòu)窄間隙焊接過程仍需要進一步研究解決弧光抑制、提高跟蹤可靠性等問題。而接觸式焊縫寬度跟蹤一直是窄間隙焊接焊縫跟蹤應(yīng)用的主要跟蹤方法,但在超窄間隙焊接過程中仍然面臨跟蹤接觸頭超小型化、耐磨等問題。

        (2)窄間隙氣體保護焊焊槍高度跟蹤 對焊槍高度進行監(jiān)控以保證電弧弧長的穩(wěn)定性,也是保證窄間隙焊接質(zhì)量的重要方面。在焊接過程中,高度跟蹤主要是基于對電弧監(jiān)測而進行的。電弧傳感器具有非接觸、實時、穩(wěn)定、價格低廉、可達性好等優(yōu)點,已在弧焊跟蹤領(lǐng)域引起廣泛重視,不少應(yīng)用研究已從試驗室轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用。電弧傳感器可分為焊接電流傳感、電弧電壓傳感兩種方式,其中電流傳感方式應(yīng)用較多。

        采用STT焊接電源及其配套的送絲機構(gòu)、在相同焊接條件下焊槍高度與焊接電流和電弧電壓平均值之間的關(guān)系,如圖8所示[43-47]。電壓信號平均值反映焊槍高度具有正相關(guān)、單調(diào)上升的對應(yīng)關(guān)系,且信號再現(xiàn)性好、靈敏度高,隨著焊槍高度的增大,電壓信號對高度變化的靈敏度稍有降低。而電流信號反映高度變化的規(guī)律不很明顯,信號分散,再現(xiàn)性差,電流信號與高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,依此建立的系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

        圖8 焊槍高度與焊接電流、電弧電壓平均值的關(guān)系

        以電弧電壓平均值為電弧傳感器的檢測信號,采用經(jīng)典PID控制策略建立的焊槍高度實時調(diào)控系統(tǒng)對典型階躍、斜坡輸入信號具有穩(wěn)定可靠的響應(yīng),如圖9所示[43,48]。對平直和斜坡信號,系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度較高;在臺階處,系統(tǒng)響應(yīng)速度相對較慢,存在一定超調(diào);但對±5 mm以內(nèi)的臺階及<±0.2mm/mm以內(nèi)的斜坡形焊道,跟蹤精度和靈敏度基本上都能夠滿足實際工程的需要。

        圖9 焊縫跟蹤系統(tǒng)對典型階躍、斜坡輸入信號的響應(yīng)

        采用電弧電壓平均值表征焊槍高度,在一定程度上可以起到抑制采樣區(qū)間內(nèi)熔滴過渡頻率的正常波動對跟蹤穩(wěn)定性的影響。但當(dāng)送絲速度發(fā)生異常波動時,電弧電壓平均值也將出現(xiàn)異常波動,導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)失控。因而采用電弧電壓平均值作為焊槍高度跟蹤檢測信號仍然存在一定的異常干擾風(fēng)險。

        在焊接過程中,異常干擾主要表現(xiàn)為:飛濺聚集且堵塞在導(dǎo)電嘴端部引起的送絲不穩(wěn)定、焊絲黏連以及導(dǎo)電嘴堵塞等問題,都會造成熔滴過渡(如短路過渡)異常,使得電弧電壓信號不能真實地反映焊槍的高度。在短路過渡模式下,短路頻率是電弧穩(wěn)定與否的一個重要指標(biāo),系統(tǒng)依靠電弧的自調(diào)節(jié)作用來消除輕微干擾的影響。只有存在上述異常干擾時,系統(tǒng)不能靠自身調(diào)節(jié)作用消除其影響,短路頻率才會大幅度地降低,且低于正常短路頻率值,此時應(yīng)避免對跟蹤系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),否則系統(tǒng)容易失控。因此,采用短路頻率統(tǒng)計的方法可以防止異常干擾引起的系統(tǒng)失控,提高焊縫跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能。

        (3)窄間隙氣體保護焊接焊縫跟蹤精度 準(zhǔn)確可靠地實現(xiàn)焊縫跟蹤是一切跟蹤系統(tǒng)追求的目標(biāo)之一,然而一切跟蹤系統(tǒng)都必然存在各種類型的誤差,因此怎樣減少跟蹤誤差、實現(xiàn)高精度窄間隙焊縫跟蹤也是焊接自動化技術(shù)研究方向之一。

        窄間隙焊縫跟蹤的誤差主要包括執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)誤差、傳感導(dǎo)前誤差、弧光干擾誤差等[49,50]。

        1)執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)誤差:驅(qū)動電動機與螺桿等機構(gòu)之間的配合往往存在一定的間隙,從而帶來一定的調(diào)節(jié)誤差。目前,降低執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)誤差的主要措施如下。

        第一,步進電動機輸出轉(zhuǎn)軸與絲桿之間連接不發(fā)生相對角位移。

        第二,絲桿與螺母之間配合間隙足夠小,以保證焊槍由某方向反向調(diào)節(jié)時產(chǎn)生的誤差在可以忽略的范圍內(nèi)。一般可以在絲桿與移動螺母間加設(shè)一個預(yù)緊彈簧來減小配合間隙。

        第三,采用更精確的滾珠絲桿傳動、加設(shè)數(shù)碼器等措施改進執(zhí)行機構(gòu)等。

        第四,軟件上,可在跟蹤控制程序中通過定義一函數(shù),在計算輸出調(diào)節(jié)量時把反向調(diào)節(jié)時耦合間隙量疊加進調(diào)節(jié)量中。

        2)傳感導(dǎo)前誤差:傳感導(dǎo)前誤差的大小與導(dǎo)前距離及中心軌跡的變化情況有關(guān),如坡口中心軌跡為直線時,則不存在導(dǎo)前誤差;但當(dāng)坡口中心線由直線向曲線以及不同曲率的曲線過渡時,亦即只要傳感器和焊槍兩點不同時處于同一曲率的中心軌跡上,則均存在著導(dǎo)前誤差,且二者的曲率半徑相差越大,導(dǎo)前誤差也越大[51]。

        為減小傳感導(dǎo)前誤差,應(yīng)采取使焊接坡口棱邊的直線度精度盡可能高、控制焊接殘余變形盡可能小等措施。當(dāng)然,也可通過軟件來消除導(dǎo)前誤差,即導(dǎo)前檢測、滯后調(diào)節(jié)。

        3)弧光干擾:在焊接過程中,強烈的弧光對視覺傳感跟蹤精度具有很大影響。強烈弧光干擾會使視覺傳感器發(fā)生飽和現(xiàn)象和使坡口棱邊內(nèi)外的灰度差減小,圖像二極性特征減弱,坡口邊緣識別變得困難。有研究表明,在接收光路中采用峰值波長為0.6~0.7μm的干涉濾光片,加上防熱玻璃,可有效地抑制弧光干擾,如在CCD鏡頭前方加上一組組合鏡片(見圖10),還可加偏振片進一步削弱弧光從工件表面反射產(chǎn)生的干擾[52]。

        圖10 復(fù)合濾光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        除上述因素外,凡是影響到坡口中心軌跡檢測精度和輸出調(diào)節(jié)精度的因素都將影響跟蹤精度,因而同樣視為誤差因素。例如:始焊位置給定的焊槍幾何中心與坡口中心重合偏差,是一種系統(tǒng)誤差,一旦焊前存在,焊接過程中將不能自動消除。

        4 窄間隙氣體保護焊存在的問題及其解決措施

        4.1 高質(zhì)量和高效率的平衡

        近些年,隨著高合金鋼、高強度鋼等對焊接熱輸入敏感的材質(zhì)厚壁結(jié)構(gòu)在海洋工程、船舶、重型壓力容器等行業(yè)應(yīng)用的越來越多,高質(zhì)量(低熱損傷、低應(yīng)力變形、可靠側(cè)壁熔合、無層間未熔合及夾渣等缺陷)、高效率(高焊接速度、高熔敷效率)一直是這類高性能材質(zhì)厚壁及超厚結(jié)構(gòu)窄間隙焊接技術(shù)研發(fā)努力的方向,二者卻又很難兼顧。如高熔敷效率的NG-SAW由于熱輸入大而對厚壁構(gòu)件具有較大的熱損傷、較高的殘余應(yīng)力;高質(zhì)量的NG-GTAW及NG-LW因熱輸入低而容易獲得低熱損傷、低應(yīng)力變形接頭,但由于鎢極載流能力有限或加熱區(qū)域小而造成熔敷效率較低,降低了焊接效率。為了穩(wěn)定GMAW過程,利用激光對GMA(Gas Metal Arc,GMA)的穩(wěn)定作用,將激光+GMA復(fù)合熱源應(yīng)用于NG-W,具有一定效果,但仍有進一步減小坡口寬度、降低焊接熱量輸入和焊縫金屬填充量的空間。目前,尋求高效率和高質(zhì)量良好平衡的優(yōu)質(zhì)高效NG -W工藝是國內(nèi)外焊接科研人員一直努力的目標(biāo)。

        4.2 激光及激光+電弧復(fù)合熱源窄間隙焊接

        能夠獲得高質(zhì)量接頭的擺動激光窄間隙焊接與NG-GTAW相同,存在熔敷效率較低的問題。而激光+電弧復(fù)合熱源焊接以激光焊與電弧焊優(yōu)勢互補、過程穩(wěn)定等特點,一直是近年來國內(nèi)外焊接技術(shù)研發(fā)的熱點之一,并且在厚板焊接中具有很大發(fā)展?jié)摿?。將激?GMA復(fù)合熱源焊接引入窄間隙焊接領(lǐng)域,發(fā)揮兩者的技術(shù)優(yōu)勢、開發(fā)激光+電弧復(fù)合窄間隙焊接新工藝,可以有效地彌補NG-LW的不足,提高焊接熔敷效率,能夠提升大厚度結(jié)構(gòu)焊接成形制造水平。如20mm厚的AISI304L不銹鋼板窄間隙焊接,激光+電弧復(fù)合熱源焊接僅需4層填滿,而填絲激光焊接則需要5層,復(fù)合熱源焊接顯示出更高的生產(chǎn)效率[53-57]。

        國內(nèi)外研究表明,激光+GMA復(fù)合熱源窄間隙焊接技術(shù)繼承了NG-LW和NG-GMAW的優(yōu)點,但又由于激光與電弧間相互穩(wěn)定作用而彌補了彼此的缺點,可以在低熱輸入條件下大幅度提高熔敷效率,很好地實現(xiàn)了窄間隙焊接高質(zhì)量與高效率的平衡,在厚壁及超厚構(gòu)件高效、低熱輸入、低應(yīng)力變形、低熱損傷和高熔敷效率焊接方面表現(xiàn)出了很好的技術(shù)優(yōu)勢和巨大的工程應(yīng)用潛力。

        5 窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

        作為一種高質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、低生產(chǎn)成本成形制造技術(shù),NG-W在技術(shù)上對厚壁結(jié)構(gòu)焊接有極大優(yōu)勢;從經(jīng)濟效益上,板厚越大,NG-W技術(shù)的低成本優(yōu)勢越顯著,經(jīng)濟效益也就越明顯,目前我國工程焊接最大厚度已達660mm,也是世界上焊接最大厚度。各種窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用的最大厚度如圖11所示。

        圖11 窄間隙焊的應(yīng)用板厚范圍

        到目前為止,NG-W技術(shù)在厚板焊接領(lǐng)域的推廣應(yīng)用主要在重型工業(yè)領(lǐng)域進行的,其具體分布狀態(tài)見表3。

        表3 窄間隙焊接方法在行業(yè)中應(yīng)用狀況

        (1)壓力容器和鍋爐 NG-W技術(shù)在壓力容器和鍋爐行業(yè)應(yīng)用最廣,約占半數(shù),其中70%為熔化極氣體保護焊,其余30%為埋弧焊。在壓力容器中,NG-W多用于筒體縱縫和環(huán)縫、封頭的對接、接管與入孔圈的嵌入焊接接頭等。在鍋爐中,NG-W可用于焊接大直徑支管接頭。另外,對于要求嚴(yán)格的核電反應(yīng)堆鍋爐壓力容器,其主要接頭幾乎全部采用窄間隙焊接方法。

        (2)重型機械 在重型機械行業(yè),大量采用100~200mm板厚甚至更厚的金屬結(jié)構(gòu),如8萬t水壓機主壓力缸筒厚度達660mm,所采用的焊接成形制造工藝幾乎都是NG-SAW或NG-GMAW。特別是,NG-GAW以其相對較低的熱輸入,更適合對熱輸入敏感材質(zhì)的厚壁結(jié)構(gòu)焊接。

        (3)海洋結(jié)構(gòu)和船舶 近幾年,世界各國在近海的石油、天然氣開采中,廣泛地使用大型海洋結(jié)構(gòu)。在大型海洋結(jié)構(gòu)制造中(采油平臺),使用超過100mm的厚鋼板越來越多,而且焊接質(zhì)量要求很高。因此,高質(zhì)量、高效率的窄間隙焊接成為海洋工程和船舶領(lǐng)域很有前途的焊接成形制造方法。

        (4)壓力管道及石油石化裝備 隨著壓力管道的大型化,大量采用大直徑、大厚度高強度鋼管。過去手工焊接的壓力水管傾斜部分或垂直部分的環(huán)焊縫(全位置焊或平焊),現(xiàn)在已采用U形坡口的氣體保護窄間隙焊接。

        鉆鋌是石油鉆井作業(yè)中最重要的鉆具組合之一,屬于小直徑厚壁管,低熱輸入的窄間隙焊接技術(shù)是鉆鋌重要的修復(fù)技術(shù)[58]。此外,石油石化裝備中厚壁結(jié)構(gòu)也大量采用NG-W技術(shù)制造。

        隨著控制技術(shù)、信息技術(shù)的進步,在GMAW領(lǐng)域開發(fā)出來的許多新工藝、新設(shè)備、新裝置、新器材以及工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高,都為窄間隙焊接的技術(shù)進步提供了新思路、新途徑和新技術(shù)儲備。相信不久的將來,更高效率、更高質(zhì)量、更低成本、更可靠、更實用化的窄間隙焊接技術(shù)還會不斷涌現(xiàn)出來,將加快NG-W技術(shù)在裝備制造厚壁結(jié)構(gòu)焊接成形制造中的推廣應(yīng)用。

        6 結(jié)束語

        1)隨著對熱輸入敏感的高性能材質(zhì)的厚壁窄結(jié)構(gòu)越來越多,窄間隙氣體保護焊接技術(shù)在降低焊接熱輸入、實現(xiàn)低熱損傷焊接成形制造方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

        2)低熱輸入、無飛濺穩(wěn)定可靠的熔化極氣體保護焊接工藝(包括復(fù)合熱源焊接工藝)是窄間隙氣體保護焊接技術(shù)應(yīng)用推廣的工藝基礎(chǔ),也是未來窄間隙焊接技術(shù)研發(fā)的方向之一。

        3)準(zhǔn)確焊縫跟蹤和可靠側(cè)壁熔合是窄間隙氣體保護焊接技術(shù)質(zhì)量的保證,也是窄間隙焊接過程控制必須解決的兩個問題。

        4)激光+GMAW復(fù)合熱源窄間隙焊接技術(shù)不僅具有NG-LW的低熱輸入和NG-GMAW的高熔敷效率的優(yōu)勢,還由于激光與電弧的相互作用而穩(wěn)定GMAW過程、有效抑制其飛濺的發(fā)生,是解決窄間隙焊接高質(zhì)量與高效率平衡的有效工藝,極具工程應(yīng)用潛力。

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