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焊接工作的几点见解
发布时间:2017-07-21        浏览次数:160        返回列表
近年来,航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展,极大地推动了焊接技术的发展。伴随着产品、结构、材料、使用条件的多种多样,对焊接质量的要求越来越高,焊接工作量逐渐上升。据资料统计,我国焊接工作量已达到世界焊接强国的水平。因此,提高焊接生产效率和焊接质量,减少焊接缺陷存在的高效焊接方法成为实际生产的迫切要求。目前,大量高效焊接方法和不同焊接工艺的组合都已应用于各种不同生产。

提高焊接生产效率,一方面是为了降低焊接成本。焊接生产效率,从某种角度上讲,主要是由单位时间内填充金属的熔化量-熔敷速度来衡量的。但提高熔敷速度意味着热输入的增加,对于采用单一电弧焊接而言,为了防止由于热输入增加而引起的焊接变形,一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷,应用双弧焊可避免上述缺陷的产生。目前,从国内外对双弧焊接工艺方法研究的现状来看,按电弧的种类与位置来分,其研究主要集中在三个方面:单面双弧焊、复合双弧焊、双面双弧焊。本文将分别对这三个方面进行综合论述与分析。 
单面双弧焊一般而言就是指双丝焊接,它包括采用单个焊枪配上填丝或双焊丝和双焊枪的双丝焊接。由于单面双弧提高了焊接速度,减小了单位时间内焊缝成形的热输入,因而热影响区减小,接头力学性能提高。对于双弧焊的研究,国内外都是从双丝埋弧焊开始的,该技术已经在生产中得到了应用,后来又在窄间隙焊上得到了应用,近几年来对双丝熔化极焊研究的相对比较多。

双丝埋弧焊的最早应用在1948年。双丝埋弧焊包括单电源双丝和串列双弧两种。串列双弧中双丝的每一根焊丝由一个电源独立供电,它具有熔深、熔敷速度较高、焊缝金属稀释率接近单丝埋弧焊的特点,因而提高了焊接速度与焊接质量。单电源则可以获得较高的熔敷速度和稀释率,但熔透能力比单丝埋弧焊低,因而适于窄间隙焊。现在双丝埋弧焊已经在实际生产中得到了广泛的应用,特别是采用单电源的双丝窄间隙埋弧焊在压力容器及核动力装置得到了应用,解决了两侧未熔合问题,并且提高了生产效率。但是由于埋弧焊熔池不可见,加之只适于平焊位置,因此这种方法有较多限制。

随着熔化极气体保护焊的应用普及,对熔化极气体保护双弧焊的研究,其最早应用是在1955年。国内研制了双焊丝的气体保护焊新工艺,用于电机机座焊接。实际应用证明它可以减小焊接变形,提高焊接质量和生产效率,改善劳动条件,节约焊接材料。加拿大焊接研究所也研制了脉冲双焊丝GMAW焊接设备用于窄间隙的高强钢焊接,该系统组成原理图见图1,两电弧分别采用不同的电源供电,利用两电源脉冲峰值的相移来控制双丝的焊接,解决电磁场的相互干扰问题,成功地解决了窄间隙侧壁熔合问题。日本的NKK船厂采用了双高速旋转电弧的焊接工艺,用于角焊缝的焊接,它采用了富氩气体作为保护气体,一个为引导焊枪,另一个为训练焊枪。奥地利弗尼斯公司成功开发了单枪双丝MIG焊技术,该技术焊接效率高,焊接变形小,焊枪小巧可达焊件任何位置。

近几年来,铝合金等有色金属及复合材料在焊接生产中的应用越来越广泛,因此铝合金的双弧焊研究也比较广泛。在日本开发了TIG-2Y/G(TIG双丝磁控法)和MIG-1Y(MIG单丝磁控法),见图2。TIG-2Y/G焊接方法,是在钨极的后端加上用于控制电弧的磁控制器,两根丝同时送进,间距为2mm。这种方法与普通TIG焊相比,在相同的电流情况下,具有较高的的熔敷金属和浅的熔池。MIG-1Y/G焊接方法,是由MIG焊枪、磁控装置及填丝装置组成。这种方法由于电极焊丝和填充焊丝同时熔化,在相同的焊接电流条件下比通常的MIG焊熔敷金属量提高1.5倍。同时,由于磁控制器改善了焊道的凸起及咬边现象,提高了焊接效率和焊缝质量。在铝合金的焊接中,日本还开发了双丝焊接技术,双丝焊法的消耗电极焊丝在前,填充焊丝在后,近于平行地配置在喷管内进行焊接。在消耗电极形成的熔池内插入焊丝,再由熔池热量熔化填充焊丝,这样焊丝熔化速度得到提高,提高了生产率,并降低了熔池温度,冷却速度增加,变形减小。

总之,现在单面双弧焊的工艺(包括埋弧焊和气体保护焊)相对已经比较成熟,在生产中已经得到了较为广泛的应用。现的单面双弧焊正朝着多丝弧焊、脉冲协同控制双弧和设备的轻巧灵活方向发展。复合双弧是指采用不同种类的电弧或热源相结合进行焊接的方法。对于复合双弧的研究,电弧并不限于普通意义的电弧概念,它也包括了电子束、激光等高能束热源。

电子束焊接是一种高能束焊接方法,适合于不锈钢、铝合金等其它有色金属及高强合金钢的焊接。非真空电子束由于电子束在大气中散射、能量损失等原因,因而发展比较缓慢。哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法,即电子束-等离子弧焊接它采用电子束与等离子弧相串联,叠加起来进行焊接,电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气,穿过等离子弧以后熔化金属,进行焊接。这样可以减小电子束能量损失,也有助于等离子弧稳定,等离子弧可以很好的保护焊接熔池,并作为附加热源,可预热工件,有助于改善焊缝成形,增加熔深。
激光-电弧焊接法是在20世纪70年代末出现的一种新型焊接方法。它利用电弧对工件进行预热,以增强工件对激光的吸收率,同时电弧被激光吸引,在调整焊接条件下得到稳定电弧。 
天津大学对激光-电弧的作用机理进行了研究,得出结论认为在高速焊接条件下,激光-TIG焊可以得到稳定电弧,增加熔透,改善焊缝成形,获得优质焊接接头[11]。德国J Wendelftorf等对激光-TIG弧进行了研究,激光束采用0.1~1KW的低功率激光电源,激光集中于工件表面的电弧根部,实验证明能够明显提高低电流和弧长较长时的电弧稳定性,可以限度的增加焊接速度与焊接熔深。
日本四国工业技术研究所在对激光-MIG焊进行研究时,发现激光束焦点置于熔池最深处时,电弧力将熔化金属排开,形成表面下陷低坑,以获得熔深。

英国Convertry大学高级连接技术研究中心对等离子弧-激光焊接(PALW)进行了研究,其实验装置见图5。实验中采用400WCO2激光器,等离子弧电流为60A,用于焊接0.5~1mm的薄板,实现了全熔透,增强了单位面积的热输入,即增加了熔深或提高了焊接速度。并且等离子弧吸收了激光光子,增强了激光的效率及电弧的稳定性。PALW焊接方法的优点就是显著提高了焊接速度,在焊接铝合金时不用预先清理等,并适合于焊接不锈钢、Ti合金等其它有色金属。

等离子-MIG焊是20世纪70年代出现的一种复合电弧焊接方法。荷兰菲力浦公司焊接研究所对等离子弧-MIG焊进行了深入的研究,在MIG焊中,电弧存在于焊丝与工件之间,焊丝、电弧和熔池用氩气、氦气或其混合气体来保护。等离子-MIG焊焊丝和MIG电弧被电离气体所包围,它是由通过等离子钨极与工件之间电弧形成的,其系统原理图见图6。该方法电弧燃烧稳定,保护效果好,因而气孔倾向比MIG焊小,等离子体的阴极雾化清除了氧化膜,并且将熔滴和熔池的前端与空气隔离,因而有助于获得优质焊缝,适合于Al、Mg及其合金的单面焊接。哈尔滨焊接研究所对单电源等离子-MIG焊进行了研究,它采用单电源同时为等离子弧和MIG弧供电,两个电弧可以同时稳定燃烧。采用合适的工艺参数可以进行薄板高速完全熔透的焊接。

日本小林秀雄等对TIG-MIG复合电弧法进行了研究,并用来焊接复合材料,其特点是在TIG和MIG电弧电流分配得当时,熔深比其它方法小得多,而且电弧非常稳定。我国的吴志强等也对单电源TIG-MIG串联电弧工艺及设备进行了研究,TIG电弧作为前导电弧,有预热作用,增加了焊接热输入,熔深也相应的增加。俄国的ОрлапнМ等采用非熔化极与熔化极来进行Al活塞的堆焊,双弧堆焊过程是在非熔化极和熔化极交替燃烧中,形成一个焊接熔池。熔化极电弧形成所需的熔深,非熔化极电弧用于辅助堆焊层的补充合金化,它能使堆焊金属获得细的结晶组织,且使强化的金属间化合物强化相分布均匀。 

对于双面双弧非对称焊的研究相对而言较少,在公开的报道中,哈尔滨锅炉厂和东方锅炉厂于1993年从日本三菱重工公司引进了双MIG气体保护自动焊,使其生产能力大幅提高,其工艺特点是采用双电源而且上下两枪一前一后。南京晨光机器厂开展了双面TIG焊的研究,它是从联邦德国引进的一种特殊焊接技术,是由两名焊工分别在工件的正反面自上而下的同时进行垂直的手工钨极氩弧焊,两枪间距保持一个熔池长度。利用电弧作用力和氩气吹力形成一个向上的托力,并与熔池的表面张力对熔池起着支撑作用,从而防止了熔池金属下淌而获得完美的焊缝,接口间隙大,焊接性好,减小了夹渣和气孔倾向,同时提高了生产效率。

双面双弧对称焊技术可彻底消除未焊透缺陷,限度地降低焊接变形。周大中等根据绳索取芯钻杆焊缝内表面不得有余高的要求,提出了钻杆外等离子弧焊(PAW)和钻杆孔内钨极氩弧焊(TIG)同时进行的PAW-TIG联焊方法,尽管该工艺的适用范围很窄,但其焊接生产效率却非常可观。哈尔滨工业大学的高洪明等对双TIG电弧双面对称焊进行了研究,取得一定的研究成果。大庆石油化工总厂机修厂在铝料仓的纵、环缝焊接中,采用了MIG-MIG电弧内外侧同步焊的技术,实践证明采用熔化极内外侧同步半自动氩弧焊的焊接方法,提高了生产效率,保证了焊接质量,节省了焊接材料。 
美国Kentucky大学张裕明等人在传统双面电弧焊接基础上进行了进一步研究,采用单电源的等离子弧(PA)和钨极氩弧(TIG)对焊缝正反面同时施焊,通过TIG弧扩大了等离子弧的小孔效应,显著提高了焊接生产效率,提高了熔合比,增加了熔深,减小了热影响区及焊接变形,能够得到满意的力学性能,适合于中厚焊接。美国同时也开展了对双TIG弧双面对称焊的研究,并已成功地应用于2014T6铝合金火箭发动机圆柱筒体的焊接。

目前,对双面电弧焊(DSAW)的研究尚不够深入、也不够成熟,但其工艺的应用显著提高了焊接生产效率,减小焊接变形,改善了焊缝质量。虽然存在焊接位置的限制,但双面电弧焊仍不失为一种高效焊接方法,具有较好的发展前景。