窄间隙GMAW(NG-GMAW)横向焊接概述
1 窄间隙GMAW焊接技术
1.1 窄间隙焊接
1963年美国巴特尔(Battelle)研究所就提出了窄间隙焊接技术。到1966年,窄间隙焊接(NGW, Narrow Gap Welding)这个词首次被使用,随后被大量使用在焊接文献中[1]。
窄间隙焊接是基于现有的弧焊技术,采用I型或U型小尺寸坡口,进行的多层单道或多层多道焊接[2]。窄间隙焊接是对GMAW、GTAW、SAW、SMAW等焊接方法进行的特殊应用,基本的焊接原理、技术特性还是相同的。
与传统的焊接方法相比,窄间隙焊接有以下优势[3]:焊接材料与电能消耗减少;焊接接头的残余应力、残余变形减小;接头力学性能更好。
1.2 窄间隙GMAW特点
窄间隙焊接方法在实际使用时主要是NG-GMAW(窄间隙熔化极气体保护焊)、NG-SAW(窄间隙埋弧焊)和NG-TIG(窄间隙钨极氩弧焊)这三种方法。其中,NG-GMAW更具有应用优势和前景。
表
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1-1 常用窄间隙焊接的对比[4]
焊接方法
生产效率
清渣
焊缝性能
全位置焊
NG-TIG
低
无
高
能
NG-GMAW
高
无
较高
能
NG-SAW
较高
有
一般
不能
在现有的各种窄间隙焊接技术中,综合评价认为NG-GMAW应是相对更优越的技术。从焊接生产率上看,NG-GMAW与NG-SAW的生产效率差不多,但成倍地高于NG-TIG技术;从空间位置上看,NG-GMAW可以全位置焊接;其次NG-GMAW热输入范围宽且可很低,使得该技术可在无需采用特别技术如焊前预热、道间温度控制、焊后热处理等条件下,尤其适合低合金高强钢、超高强钢焊接[5]。
但是,在实际生产中窄间隙GMAW技术常常会遇到以下困难[6]:(1)侧壁熔合不良。这个是窄间隙焊普遍存在的问题,由于窄间隙的坡口深而窄,电弧覆盖范围有限,对侧壁热输入量不足,容易产生熔合不良。(2)气保护要求高。为了保证焊接过程中始终有良好的气保护作用,需要气保护尽可能的靠近电弧。(3)焊接飞溅对工艺稳定性影响大。GMAW焊接过程中不可避免的会出现飞溅,一旦飞溅落到导电嘴、保护气通道、焊枪,容易造成焊接过程的不稳定,甚至是焊枪的损坏。(4)对焊丝在坡口中的位置比较敏感,对精确度要求较高。
因此,对NG-GMAW焊接工艺还需要进行深入的研究,解决其实际应用中的技术难点,找到稳定的工艺焊接方法。
1.3 窄间隙GMAW焊接方法
针对窄间隙GMAW的侧壁熔合、焊接过程稳定性问题,提出了许多窄间隙GMAW焊接方法,主要可以分成以下几类:
图1-1窄间隙GMAW方法的分类[7]
(1)电弧不摆动
电弧不摆动窄间隙GMAW为了解决侧壁熔合问题,需要在大电流下射流过渡,以较大的热输入量和较大的电弧截面积来解决问题。可是,大电流下容易产生指状熔深,较大的热输入量导致焊接残余应力、焊接残余变形较大。为了改善这些,提出了脉冲电流窄间隙焊、直流正极性窄间隙焊、交流熔化极窄间隙焊。
但是,这几种技术在应用时也都有着各自难点。脉冲电流窄间隙焊的热输入较大,不能应用在接头性能要求较高的焊接中,所以很少被应用。直流正极性窄间隙焊对设备没有特殊要求,但是焊接规范参数区间较窄,焊接时容易造成底部弯角处的未熔合,所以实际应用较少。交流熔化极窄间隙焊参数调节不方便,同时热输入量大影响接头性能,所以应用很少。
还有一种脉冲电流窄间隙焊技术,多用于横焊。这个技术中,电压随脉冲电流改变而改变。电压在电流达到峰值时变大,电弧伸长,增加熔化范围,以保证熔合。电压在电流达到基值时变小,短路过渡降低热输入,促进熔池凝固。电压随电流的变化则是对焊接电源提出了更高的要求,所以在实际应用时设备成本较高。
(2)电弧旋转
电弧旋转基本思想是希望电弧能够在窄间隙中有较大的覆盖范围,从而改善侧壁熔合问题,控制焊缝成形,得到性能良好的焊接接头。
最开始为了能够得到旋转电弧,特殊制作焊接用的焊丝,如麻花状焊丝。但是这些焊丝制作麻烦,旋转电弧稳定性差,所以基本已经不再采用。其后的旋转电弧指的通过电机高速旋转带动导电杆和偏心导电嘴,电机和导电杆直接齿轮传动,实现电弧旋转。通过调节导电嘴的偏心角度和焊丝伸出长度可以改变旋转半径,调节电弧作用范围[8]。高速旋转电弧窄间隙焊的电弧较稳定,但是也存在技术难点:(1)齿轮传动不稳定。(2)焊丝与导电嘴高速旋转时相对运动,导致导电嘴磨损。(3)电刷磨损造成导电不良。
王加友[9-12]对旋转电弧焊炬进行了改进,采用空心轴电机直接带动导电杆旋转,如图1-2所示,省略了齿轮传动,提高了电弧旋转的稳定性,并采用一种新的导电嘴材料来提高导电嘴的耐磨性。
图1-2高速旋转电弧窄间隙焊接示意图[11]
(3)电弧摆动
电弧摆动和电弧旋转解决侧壁熔合的原理类似,通过电弧在窄间隙坡口中的横向运动,使电弧的作用范围更大,对侧壁直接熔化,改善侧壁熔合问题,得到性能良好的焊接接头。与电弧不摆动相比,电弧摆动的优点有[13]:摆动电弧增加了电弧的覆盖范围,增加了对侧壁的热输入,改善侧壁熔合;避免出现指状熔深;能够通过调节电弧摆动,改善焊接成形。
为了实现电弧摆动,通常可以采用弯曲焊丝法[7]。这种方法是通过弯丝装置使焊丝弯曲,随着焊丝的熔化,电弧在坡口内实现横向摆动,该方法可以通过改变焊丝弯曲程度来改变摆动幅度,进而调节电弧摆动范围,但是弯曲程度控制不当容易出现电弧摆动的不稳定。由于弯曲焊丝对弯曲机构及焊接工艺精度稳定性要求极高,并不适合大规模实际应用。
另外有一种通过磁控来实验电弧摆动的方法[14]。磁控电弧摆动窄间隙焊接,利用周期变化的电磁场作用于电弧使之在窄间隙坡口中横向摆动,进而增大了电弧对侧壁的热输入量,改善了侧壁熔合。通过调节磁场强度来控制电弧摆动范围,调节磁场变化周期来控制电弧摆动频率。但是坡口中的磁场强度和分布受外界条件影响较大,容易造成电弧摆动幅度的不稳定,影响焊缝成形。
最适合实际生产的是焊丝摆动,如图1-3所示,焊丝摆动焊接中焊炬保持不动而焊丝在坡口内横向运动,主要通过将导电嘴和送丝杆之间制作成存在一定角度,利用电机使送丝杆正反转动,使得焊丝端部在坡口内摆动实现摆动电弧,同时可以利用控制电机转动来控制摆动的幅度以及频率[15]。摆动电弧能够作用在靠近侧壁的区域,有利于改善侧壁熔深,消除未熔合。
图1-3焊丝摆动窄间隙焊接示意图[15]
(4)双丝
这种方法中两根焊丝分别指向一侧侧壁,电弧能够直接作用于侧壁,热输入集中于侧壁来增加侧壁熔深,改善侧壁熔合。但是双丝窄间隙焊接中,由于电磁作用会使两个电弧产生相互干扰,所以一般设置双丝间距较大,使双丝不共熔池。也有研究针对电弧稳定性来实现双丝共熔池以提高焊接效率[16-17]。
(5)NG-GMAW方法比较
表1-2 NG-GMAW焊接方法比较[13]
焊接方法
焊炬磨损
控制电路
焊枪加工
焊接效率
电弧稳定性
弯曲焊丝
较大
有
较难
高
一般
焊丝摆动
一般
有
一般
高
好
高速旋转
大
无
一般
高
好
双丝
一般
无
一般
高
一般
弯曲焊丝、高速旋转、双丝这三种窄间隙焊接都有较高的焊接效率,但都有着各自的缺点 [13]。对于弯曲焊丝而言,主要是弯曲装置的稳定性会影响电弧摆动,同时不容易控制电弧摆动范围以及摆动频率。对于高速旋转而言,最大的问题是旋转造成的导电嘴磨损,容易出现导电不良问题。对于双丝而言,由于两个电弧之间容易出现相互的干扰导致电弧的不稳定,较难控制两根焊丝之间合理的距离。相对弯曲焊丝、高速旋转、双丝这三种窄间隙焊接,焊丝摆动的优势非常明显,保证了较高的焊接效率,焊接过程中焊丝摆动不会对焊枪造成非常大的磨损,其摆动方式也更稳定,能够保证电弧摆动的稳定性,通过有效的电机转动控制能够实现摆动电弧的幅度、频率控制,方便实现自动化焊接。总的来说,焊丝摆动更适合实际焊接应用。
2 窄间隙横向GMAW研究现状
受到厚板结构限制,难以将层叠的厚板竖立起来进行平焊,所以希望通过侧面横焊的方法来进行焊接,避免层叠厚板变位。但是横向焊接也是存在一些技术难点,针对这些难点,开发了相应的横向焊接技术来实现稳定的横向焊接。
日本对于窄间隙GMAW横向焊接的研究开始的较早,同时有较多的研究,也开发了一些比较成熟的窄间隙GMAW横向焊接技术(如NOW-HB法、NH法、NHT法等)。国内也进行过一些相关的基础性研究,但基本都是在这些技术的基础上进行了一些工艺性研究。窄间隙GMAW横向焊接的相关研究主要集中在熔池控制、改善侧壁熔合,从而得到成形效果良好的焊缝。
2.1横向焊接技术难点
窄间隙横向焊接目前最大的问题是有效的熔池控制[18]。焊接过程中,熔融金属在自身重力作用下容易出现下淌,甚至出现上侧有咬边下侧有焊瘤,严重影响焊接过程的稳定性,对于多层焊接时,出现下淌会影响到后续焊道的焊接。所以,对于窄间隙焊接,希望整个焊接过程稳定可控,避免因为出现焊缝成形缺陷而要进行修补,由于窄间隙坡口的限制,进行修补会非常困难。
a
b
图1-4横焊常见成形缺陷示意图[18]
熔池控制不当会出现以下两种典型的缺陷:(1)如图1-4 a所示,熔池中的熔融金属凝固较慢,受自身重力的影响直接出现下淌,焊缝横截面可以看到焊缝呈现大角度倾斜,继续焊接倾斜更大,同时下侧壁出现熔合不良甚至是未熔合。(2)如图1-4 b所示,熔池中的熔融金属凝固较快,还没有来得及下淌就先凝固,导致焊缝中间凸起,使得再继续焊接下一道焊缝后层间容易出现夹渣、未熔透,也会影响到侧壁熔合。
2.2横焊熔池控制方法
在实际应用中,针对横焊的熔池控制问题,提出了能量、力学两方面的控制策略,来使得焊接过程中焊缝成形良好。
(1)能量策略
能量策略主要考虑的是焊接过程中的热输入量对于熔池下淌的影响。如果焊接过程中热输入较大,熔池内熔融金属来不及冷却,熔池容易下淌,影响焊缝成形;如果焊接过程中热输入较小,又不能保证良好的熔合,以至于会造成层间熔透不足、侧壁熔合不良等缺陷[3]。
所以通过焊接工艺控制焊接过程中的热输入量,保证侧壁熔合、层间熔透的前提下,尽可能采用较小热输入量的工艺参数。焊接过程中的热输入量主要由线能量决定,线能量的计算公式为:
(1-1)
式中:E是线能量;U是焊接电压;I 是焊接电流;v是焊枪移动速度。
所以可以通过改变焊接参数(电压、电流、速度)来控制线能量,达到控制熔池成形的目的。例如:采用脉冲焊接电源和短路过渡形式等(如脉冲电弧横焊PAW-HB方法);在横焊过程中使电弧摆动,降低焊接线能量输入(如单边窄间隙横焊NOW-HB方法)。