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焊接工作的幾點見解

2015-4-16      瀏覽:

  近年來,航空航天、交通運輸、海洋工程等工業的發展,極大地推動了焊接技術的發展。伴隨著產品、結構、材料、使用條件的多種多樣,對焊接質量的要求越來越高,焊接工作量逐漸上升。據資料統計,我國焊接工作量已達到世界焊接強國的水平。因此,提高焊接生產效率和焊接質量,減少焊接缺陷存在的高效焊接方法成為實際生產的迫切要求。目前,大量高效焊接方法和不同焊接工藝的組合都已應用於各種不同生產。

  提高焊接生產效率,一方麵是為了降低焊接成本。焊接生產效率,從某種角度上講,主要是由單位時間內填充金屬的熔化量-熔敷速度來衡量的。但提高熔敷速度意味著熱輸入的增加,對於采用單一電弧焊接而言,為了防止由於熱輸入增加而引起的焊接變形,一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易產生未焊透、焊道不連續、咬邊等缺陷,應用雙弧焊可避免上述缺陷的產生。目前,從國內外對雙弧焊接工藝方法研究的現狀來看,按電弧的種類與位置來分,其研究主要集中在三個方麵:單麵雙弧焊、複合雙弧焊、雙麵雙弧焊。本文將分別對這三個方麵進行綜合論述與分析。 
單麵雙弧焊一般而言就是指雙絲焊接,它包括采用單個焊槍配上填絲或雙焊絲和雙焊槍的雙絲焊接。由於單麵雙弧提高了焊接速度,減小了單位時間內焊縫成形的熱輸入,因而熱影響區減小,接頭力學性能提高。對於雙弧焊的研究,國內外都是從雙絲埋弧焊開始的,該技術已經在生產中得到了應用,後來又在窄間隙焊上得到了應用,近幾年來對雙絲熔化極焊研究的相對比較多。

  雙絲埋弧焊的最早應用在1948年。雙絲埋弧焊包括單電源雙絲和串列雙弧兩種。串列雙弧中雙絲的每一根焊絲由一個電源獨立供電,它具有熔深最大、熔敷速度較高、焊縫金屬稀釋率接近單絲埋弧焊的特點,因而提高了焊接速度與焊接質量。單電源則可以獲得較高的熔敷速度和稀釋率,但熔透能力比單絲埋弧焊低,因而適於窄間隙焊。現在雙絲埋弧焊已經在實際生產中得到了廣泛的應用,特別是采用單電源的雙絲窄間隙埋弧焊在壓力容器及核動力裝置得到了應用,解決了兩側未熔合問題,並且提高了生產效率。但是由於埋弧焊熔池不可見,加之隻適於平焊位置,因此這種方法有較多限製。

  隨著熔化極氣體保護焊的應用普及,對熔化極氣體保護雙弧焊的研究,其最早應用是在1955年。國內研製了雙焊絲的氣體保護焊新工藝,用於電機機座焊接。實際應用證明它可以減小焊接變形,提高焊接質量和生產效率,改善勞動條件,節約焊接材料。加拿大焊接研究所也研製了脈衝雙焊絲GMAW焊接設備用於窄間隙的高強鋼焊接,該係統組成原理圖見圖1,兩電弧分別采用不同的電源供電,利用兩電源脈衝峰值的相移來控製雙絲的焊接,解決電磁場的相互幹擾問題,成功地解決了窄間隙側壁熔合問題。日本的NKK船廠采用了雙高速旋轉電弧的焊接工藝,用於角焊縫的焊接,它采用了富氬氣體作為保護氣體,一個為引導焊槍,另一個為訓練焊槍。奧地利弗尼斯公司成功開發了單槍雙絲MIG焊技術,該技術焊接效率高,焊接變形小,焊槍小巧可達焊件任何位置。

  近幾年來,鋁合金等有色金屬及複合材料在焊接生產中的應用越來越廣泛,因此鋁合金的雙弧焊研究也比較廣泛。在日本開發了TIG-2Y/G(TIG雙絲磁控法)和MIG-1Y(MIG單絲磁控法),見圖2。TIG-2Y/G焊接方法,是在鎢極的後端加上用於控製電弧的磁控製器,兩根絲同時送進,間距為2mm。這種方法與普通TIG焊相比,在相同的電流情況下,具有較高的的熔敷金屬和淺的熔池。MIG-1Y/G焊接方法,是由MIG焊槍、磁控裝置及填絲裝置組成。這種方法由於電極焊絲和填充焊絲同時熔化,在相同的焊接電流條件下比通常的MIG焊熔敷金屬量提高1.5倍。同時,由於磁控製器改善了焊道的凸起及咬邊現象,提高了焊接效率和焊縫質量。在鋁合金的焊接中,日本還開發了雙絲焊接技術,雙絲焊法的消耗電極焊絲在前,填充焊絲在後,近於平行地配置在噴管內進行焊接。在消耗電極形成的熔池內插入焊絲,再由熔池熱量熔化填充焊絲,這樣焊絲熔化速度得到提高,提高了生產率,並降低了熔池溫度,冷卻速度增加,變形減小。

  總之,現在單麵雙弧焊的工藝(包括埋弧焊和氣體保護焊)相對已經比較成熟,在生產中已經得到了較為廣泛的應用。現的單麵雙弧焊正朝著多絲弧焊、脈衝協同控製雙弧和設備的輕巧靈活方向發展。複合雙弧是指采用不同種類的電弧或熱源相結合進行焊接的方法。對於複合雙弧的研究,電弧並不限於普通意義的電弧概念,它也包括了電子束、激光等高能束熱源。

  電子束焊接是一種高能束焊接方法,適合於不鏽鋼、鋁合金等其它有色金屬及高強合金鋼的焊接。非真空電子束由於電子束在大氣中散射、能量損失等原因,因而發展比較緩慢。哈爾濱焊接研究所提出了新型非真空電子束焊接方法,即電子束-等離子弧焊接它采用電子束與等離子弧相串聯,疊加起來進行焊接,電子束通過真空和等離子槍的陰極進入大氣,穿過等離子弧以後熔化金屬,進行焊接。這樣可以減小電子束能量損失,也有助於等離子弧穩定,等離子弧可以很好的保護焊接熔池,並作為附加熱源,可預熱工件,有助於改善焊縫成形,增加熔深。
激光-電弧焊接法是在20世紀70年代末出現的一種新型焊接方法。它利用電弧對工件進行預熱,以增強工件對激光的吸收率,同時電弧被激光吸引,在調整焊接條件下得到穩定電弧。 
天津大學對激光-電弧的作用機理進行了研究,得出結論認為在高速焊接條件下,激光-TIG焊可以得到穩定電弧,增加熔透,改善焊縫成形,獲得優質焊接接頭[11]。德國J Wendelftorf等對激光-TIG弧進行了研究,激光束采用0.1~1KW的低功率激光電源,激光集中於工件表麵的電弧根部,實驗證明能夠明顯提高低電流和弧長較長時的電弧穩定性,可以最大限度的增加焊接速度與焊接熔深。
日本四國工業技術研究所在對激光-MIG焊進行研究時,發現激光束焦點置於熔池最深處時,電弧力將熔化金屬排開,形成表麵下陷低坑,以獲得最大熔深。

  英國Convertry大學高級連接技術研究中心對等離子弧-激光焊接(PALW)進行了研究,其實驗裝置見圖5。實驗中采用400WCO2激光器,等離子弧電流為60A,用於焊接0.5~1mm的薄板,實現了全熔透,增強了單位麵積的熱輸入,即增加了熔深或提高了焊接速度。並且等離子弧吸收了激光光子,增強了激光的效率及電弧的穩定性。PALW焊接方法的優點就是顯著提高了焊接速度,在焊接鋁合金時不用預先清理等,並適合於焊接不鏽鋼、Ti合金等其它有色金屬。

  等離子-MIG焊是20世紀70年代出現的一種複合電弧焊接方法。荷蘭菲力浦公司焊接研究所對等離子弧-MIG焊進行了深入的研究,在MIG焊中,電弧存在於焊絲與工件之間,焊絲、電弧和熔池用氬氣、氦氣或其混合氣體來保護。等離子-MIG焊焊絲和MIG電弧被電離氣體所包圍,它是由通過等離子鎢極與工件之間電弧形成的,其係統原理圖見圖6。該方法電弧燃燒穩定,保護效果好,因而氣孔傾向比MIG焊小,等離子體的陰極霧化清除了氧化膜,並且將熔滴和熔池的前端與空氣隔離,因而有助於獲得優質焊縫,適合於Al、Mg及其合金的單麵焊接。哈爾濱焊接研究所對單電源等離子-MIG焊進行了研究,它采用單電源同時為等離子弧和MIG弧供電,兩個電弧可以同時穩定燃燒。采用合適的工藝參數可以進行薄板高速完全熔透的焊接。

  日本小林秀雄等對TIG-MIG複合電弧法進行了研究,並用來焊接複合材料,其特點是在TIG和MIG電弧電流分配得當時,熔深比其它方法小得多,而且電弧非常穩定。我國的吳誌強等也對單電源TIG-MIG串聯電弧工藝及設備進行了研究,TIG電弧作為前導電弧,有預熱作用,增加了焊接熱輸入,熔深也相應的增加。俄國的ОрлапнМ等采用非熔化極與熔化極來進行Al活塞的堆焊,雙弧堆焊過程是在非熔化極和熔化極交替燃燒中,形成一個焊接熔池。熔化極電弧形成所需的熔深,非熔化極電弧用於輔助堆焊層的補充合金化,它能使堆焊金屬獲得細的結晶組織,且使強化的金屬間化合物強化相分布均勻。 

  對於雙麵雙弧非對稱焊的研究相對而言較少,在公開的報道中,哈爾濱鍋爐廠和東方鍋爐廠於1993年從日本三菱重工公司引進了雙MIG氣體保護自動焊,使其生產能力大幅提高,其工藝特點是采用雙電源而且上下兩槍一前一後。南京晨光機器廠開展了雙麵TIG焊的研究,它是從聯邦德國引進的一種特殊焊接技術,是由兩名焊工分別在工件的正反麵自上而下的同時進行垂直的手工鎢極氬弧焊,兩槍間距保持一個熔池長度。利用電弧作用力和氬氣吹力形成一個向上的托力,並與熔池的表麵張力對熔池起著支撐作用,從而防止了熔池金屬下淌而獲得完美的焊縫,接口間隙大,焊接性好,減小了夾渣和氣孔傾向,同時提高了生產效率。

  雙麵雙弧對稱焊技術可徹底消除未焊透缺陷,最大限度地降低焊接變形。周大中等根據繩索取芯鑽杆焊縫內表麵不得有餘高的要求,提出了鑽杆外等離子弧焊(PAW)和鑽杆孔內鎢極氬弧焊(TIG)同時進行的PAW-TIG聯焊方法,盡管該工藝的適用範圍很窄,但其焊接生產效率卻非常可觀。哈爾濱工業大學的高洪明等對雙TIG電弧雙麵對稱焊進行了研究,取得一定的研究成果。大慶石油化工總廠機修廠在鋁料倉的縱、環縫焊接中,采用了MIG-MIG電弧內外側同步焊的技術,實踐證明采用熔化極內外側同步半自動氬弧焊的焊接方法,提高了生產效率,保證了焊接質量,節省了焊接材料。 
美國Kentucky大學張裕明等人在傳統雙麵電弧焊接基礎上進行了進一步研究,采用單電源的等離子弧(PA)和鎢極氬弧(TIG)對焊縫正反麵同時施焊,通過TIG弧擴大了等離子弧的小孔效應,顯著提高了焊接生產效率,提高了熔合比,增加了熔深,減小了熱影響區及焊接變形,能夠得到滿意的力學性能,適合於中厚焊接。美國同時也開展了對雙TIG弧雙麵對稱焊的研究,並已成功地應用於2014T6鋁合金火箭發動機圓柱筒體的焊接。

  目前,對雙麵電弧焊(DSAW)的研究尚不夠深入、也不夠成熟,但其工藝的應用顯著提高了焊接生產效率,減小焊接變形,改善了焊縫質量。雖然存在焊接位置的限製,但雙麵電弧焊仍不失為一種高效焊接方法,具有較好的發展前景。

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