厚板窄间隙焊接技术研究进展

摘要： 针对大厚板，常用的焊接方法需要开大角度坡口，焊接时采用多层多道焊，焊件往往内部应力较大，变形严重。而窄间隙焊接采用窄而深的坡口，在厚板焊接中具有效率高等优势。针对当前常用的厚板窄间隙焊接技术，本文中主要总结了国内近几年在激光窄间隙焊接，电弧窄间隙焊接和超窄间隙焊接三个方面的研究进展。

关键词： 窄间隙焊接； 激光焊接； 电弧焊接

中图分类号： TG442

Abstract： For the welding of thick plates， a wide groove and multi-layer welding technology are needed， so the internal stress in the workpiece is large and deformation is serious. In narrow gap welding， the groove is deep and narrow， so it has some special advantages in the welding process for thick plates， such as high efficient. In this paper， the domestic narrow gap laser welding， narrow gap arc welding and ultra-narrow gap welding techniques in recent years are summarized.

Key words： narrow gap welding； laser welding； arc welding

0 前言

隨着天然气、石油等化工原料的需求量不断增加，管道运输成为这些原料运输的主要途径，全国的天然气、石油等化工原料的运输管道铺设正在如火如荼的进行着。运输管道往往使用较大壁厚、直径较粗的钢管，进行多段焊接的方式铺设。因此，在保证质量同时进行较低成本的厚板焊接具有十分重要的意义。

传统的厚板焊接往往采用大角度坡口，焊接过程中填入材料较多，焊接时采用多层多道焊接，焊接应力大，焊接工件变形大，热影响区宽，降低焊接接头的塑韧性及力学性能。相比之下，窄间隙焊接技术选用小角度的坡口，相对传统坡口断面面积减少50%以上，减少了焊接填充材料的消耗，进而降低了焊接成本。此外，窄间隙焊接减少了焊接道次，焊接应力及变形也相对较小，从焊接厚板的角度考虑，窄间隙焊接具有明显的优势。

目前窄间隙焊接选用的热源大致有两种：一种是使用激光做焊接热源；另外一种是使用电弧作为焊接热源。电弧作为焊接热源的情况下窄间隙焊接又分为窄间隙钨极氩弧焊（NG-TIG）、窄间隙熔化极气体保护焊（NG-GMAW）和窄间隙埋弧焊（NG-SAW）。窄间隙埋弧焊主要用于平焊位置的焊接，而且窄坡口内单道焊接时极难清渣，容易出现夹渣现象。窄间隙TIG焊虽然焊缝成形优良且接头质量高，但是其焊接效率低。而窄间隙GMAW能满足全位置焊接的需要，焊接质量高，效率高，正逐渐得到更加广泛的应用。下面将对国内厚板窄间隙焊接技术研究进行综述，以期为今后的研究发展提供思路。

1 激光窄间隙焊接研究现状

由于激光具有能量密度高，指向性强的优势。激光往往可以作为焊接过程中的优质热源，激光窄间隙焊接也逐渐得到人们的关注，并运用到厚板焊接中。

张波等人[1]用YLS-10000-S2多模光纤激光器对40 mm厚的Q345D钢板进行激光窄间隙焊接。焊缝由13层构成，层间高度3 mm，宽度3.5 mm。对得到的焊接接头进行了组织和力学性能的分析。在参数适当的情况下，对Q345D板材进行激光窄间隙焊接可以得到无明显缺陷，成形良好的焊接接头。焊缝组织主要为铁素体和粒状贝氏体，冲击韧性良好。热影响区为马氏体组织，强度有所提高，拉伸试样断裂于母材处，基本满足力学性能要求。

王翔宇等人[2]实现了12 mm厚TC4钛合金激光窄间隙焊接，焊接过程中发现，激光功率较小会引起焊丝熔化不稳定，产生较多的气孔及未融合缺陷。激光功率过大则会引起焊缝晶粒严重长大，降低焊缝塑韧性，调整热输入后得到了缺陷较少的焊缝。钛合金母材显微组织由等轴α相和β相组成的等轴组织构成。焊缝区显微组织为粗大β柱状晶和网篮状α′马氏体组织。如图1所示，热影响区组织由细小的针状马氏体α′、转变为α组织和β转变组织。

激光能量密度大，用于焊接时往往得到深宽比较大的焊缝，焊缝成形不够美观，而电弧作为热源在焊接过程中成形美观却不能得到较大的熔深，因此激光-电弧复合焊接可以使两者优势互补。郭鸿鹏[3]使用激光-电弧复合窄间隙焊接方法分别对7A52铝合金厚板、6061铝合金厚板进行焊接。激光后倾时焊接过程熔池稳定性更好，得到的焊缝质量优于相同条件下激光前倾时所得到的焊缝质量。气孔缺陷更少。采用激光焊打底，激光-电弧复合焊进行填充的方式进行焊接，焊接接头拉伸性能达到母材的73.7%，基本满足使用要求。

2 电弧窄间隙焊接研究现状

即便当前高能束焊接日益发展，但是电弧焊仍是应用最为广泛的焊接方法，其具有生产成本低、工装要求低及焊接适应性强等优势。在窄间隙焊接技术中，电弧仍是应用最多的热源，在其基础上开发出多种焊接技术，如旋转电弧窄间隙焊接、摆动电弧窄间隙焊接技术等。

窄间隙TIG焊具有焊接过程稳定、焊接品质高等优点，在重要构件或特殊材料的窄间隙焊接中广泛应用。孔丽朵[4]针对AP1000反应堆冷却剂系统主管道窄间隙TIG焊接的技术难点，进行了大量的工艺实验，调整工艺，进而改善管道焊接过程中的根部未焊透，层间及侧壁未熔合，焊缝表面氧化等问题。

朱旻等人[5]为了提高厚壁管道的焊接效率，改善焊接接头的耐腐蚀性能，选用窄间隙热丝TIG焊的方式对30 mm厚的TP321钢管进行焊接。分析结果表明，当焊接坡口角度在3°时，焊接后在焊接应力作用下变形，坡口角度变为负值；坡口角度在4°～6°并未发生此现象；坡口角度在6°时坡口较大，熔覆金属量明显上升，焊接效率下降。此外，进行全位置焊接时，要跟据不同位置时熔池受力情况匹配不同参数，立向下焊焊接电流比平焊有所增加，立向上焊时焊接电流比平焊小。

为改善窄间隙侧壁熔合不良的问题王建峰等人[6]使用磁控电弧窄间隙TIG焊接的方式对22 mm厚的钢板进行焊接，利用电弧的磁偏吹，在焊接过程中给焊接空间加入磁场，使得电弧左右摇摆，增加电弧作用面积，使更多的热量传播到窄间隙侧壁上，进而保证侧壁熔深。如图2所示，磁感应强度及磁场频率会影响电弧行为进而影响焊缝成形。磁场频率的增加会减小焊缝的侧壁熔深，增加焊缝熔深；磁感应增大则会增加电弧的摆动幅度，当磁感应强度为3 mT时电弧摆动效果不明显，增加至6 mT电弧主要作用在焊缝底部及侧壁交界处，进一步增加磁感应强度至9 mT时电弧主要集中在侧壁，可能引起咬边缺陷。随着磁感应强度的增加侧壁熔深也不断增加，磁感应强度增加至9 mT的时候，出现焊缝咬边现象。

冯东旭等人[7]用摆动钨极窄间隙脉冲TIG焊对60 mm厚的508-III钢进行焊接。打底及填充焊接电压控制在9.5～10.5 V，焊接速度控制在70 ～ 110 mm/min，打底焊焊送絲速度为2.5～3 mm/s，填充时送丝速度为1.5～2 mm/s，打底焊钨极摆动角度18° ～ 20°，填充焊钨极摆动角度在20°～23°，保护气流量为20 L/min。焊后焊缝按照相关技术条件进行了（615 ℃±15 ℃） × 30 h的消应力热处理，如图3所示，所得焊缝和热影响区均为回火贝氏体，无微观缺陷。

GMAW焊与GTAW相比，其焊接效率较高，但是由于熔滴过渡过程的存在，其焊接过程比GTAW复杂。顾玉芬等人[8]用高速摄像系统观察窄间隙GMAW电弧行为和熔滴过渡。焊接过程中窄间隙中的电弧大致分为三种燃烧情况，第一类是焊接电弧在焊丝端头及一侧侧壁上燃烧，电弧与水平方向呈一定夹角，熔滴呈现大滴过渡的形式。第二类是电弧在焊丝端头及两侧侧壁上进行燃烧，熔滴过渡形式也为射滴过渡，但熔滴尺寸有所减小。第三类是电弧在两侧侧壁及间隙底部进行燃烧，熔滴过渡形式为射流过渡。电弧出现的爬升现象与最小电压原理及电弧自调节作用有关，熔滴过渡形式则与电弧弧根角变化引起的电磁力变化有关。

徐望辉等人[9]采用摆动电弧窄间隙GMAW方法对42 mm厚的10Ni5CrMoV钢进行了焊接，该方法可以得到无宏观缺陷的焊缝。如图4所示，焊缝组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体及少部分马氏体组成，热影响区则由粗大的板条状马氏体组成，是焊缝最薄弱的部分。该部分冲击韧性较低，但由于窄间隙焊接一定程度减小了热输入，热影响区极窄，因此对焊缝整体性能影响较小，满足使用要求。

埋弧焊具有很高的焊接效率，常用于超大厚壁的工件如锅炉、管道的焊接。王鑫等人[10]利用窄间隙埋弧焊对集装箱所用的76.5 mm厚的SA-335P92钢进行了集装箱环缝焊接的工艺研究。坡口间隙宽度在18～24 mm范围内，焊丝直径在2.4～4 mm时，焊道形貌易于达到要求，实验发现焊丝与侧壁需保持一恒定距离，大小与焊丝直径相近，焊接电流根据焊丝直径会有所调整，使用直径为2.4 mm的焊丝时，焊接电流不应超过450 A，焊接速度在25～30 m/h之间，使用直径为4 mm焊丝时，焊接电流不超过700 A，焊接速度不宜超过20 m/h。焊接过程中，电弧电压应在28～32 V之间，焊后需对焊缝进行去氢及去应力热处理。该工艺窗口下得到的焊缝基本满足质量要求及力学性能要求，焊缝成形良好。

窄间隙埋弧焊缺点在于焊接过程中清渣较为麻烦，王鑫等人[11]根据实际生产经验总结出窄间隙埋弧焊焊接锅炉时坡口脱渣的办法，从材料的选择角度考虑，焊剂选用SJ301脱渣效果要优于其他常用的窄间隙埋弧焊焊剂；此外，使用热脱渣技术进行脱渣，在高温时用小型气动铲将半固态渣壳剥离下来，渣壳温度在500 ℃下焊缝脱渣效果最好，温度过低，渣壳过硬不易清理，温度过高渣壳处于液态，清理不连续。在排焊工艺下焊缝质量和脱渣效果有所增加，排焊时电弧靠近焊缝一侧，使渣壳偏离中心，左右渣壳厚度不均匀，利于脱渣。

为了提高窄间隙埋弧焊的焊接效率，焊接时可以选用双丝焊接甚至三丝焊接，张洪昌等人[12]选用双丝窄间隙埋弧焊的方法对78 mm厚的S30403不锈钢壳体进行焊接。采用低焊接热输入和控制层间温度等工艺设施避免了焊接热裂纹的产生，减小了焊接应力。朱言成[13]则选用三丝窄间隙埋弧焊方法对厚板角焊缝进行焊接。三丝埋弧焊采用独立电源供电，采用电流相位控制脉冲焊接焊丝，是焊丝轮流燃弧。其前中后电极组合采用直流反接+交流+交流的方式，避免了三极皆为直流电弧产生的磁偏吹现象，进而提升焊接过程中电弧的稳定性，使焊缝有良好成形并提高整体性能。焊接过程中焊缝间隙在13～20 mm之间，背后设置陶瓷衬垫，50 mm焊缝可一次性焊透。

张磊等人[14]认为窄间隙埋弧焊进行多层多道焊时后层焊道热量会对前一层有一定的热处理作用，引起前层焊道热影响区组织发生改变。因此张磊等人使用数值模拟技术对温度场进行模拟，并进一步分析温度场与组织转变，推断出单、双丝窄间隙埋弧焊接时坡口侧壁过热粗晶区组织演化过程。焊道厚度在4 mm时，单丝热源过热区有50%经历正火过程，双丝焊接过程中则有约55%～60%区域经历正火过程，可以通过降低前丝焊接电流来减小坡口侧壁过热粗晶区，并增强后层焊道对前层焊道的热处理效果。

3 超窄间隙焊接

近年来，窄间隙凭借厚板焊接的优势，逐步得到人们的广泛关注。坡口尺寸及坡口形式成为了窄间隙的独特标志，人们想进一步扩大窄间隙在原料节省方面的优势，因此提出了进一步缩小窄间隙坡口宽度的理念，实现了超窄间隙的焊接。传统窄间隙中，当坡口尺寸在5 mm以下时，由于最小电压原理及电弧自调节的作用，窄间隙焊接过程中容易出现侧壁燃弧，焊丝回烧的问题，超窄间隙在焊缝侧壁附加了焊剂带来避免侧壁燃弧的现象，实现了超窄间隙的稳定焊接。龚练等人[15]选用0.7 mm厚的大理石和萤石作为焊剂带完成了坡口间隙为3.5 mm，4.0 mm和4.5 mm的Q235钢的超窄间隙焊接，实验发现，当坡口间隙达到3.5 mm后，焊接过程极易出现热裂纹，且随着坡口间隙的减小焊接热裂纹倾向增加，裂纹成人字形。焊缝成形系数是影响超窄间隙的焊接接头热裂纹的主要因素。焊缝成形系数较小时，热裂纹倾向较大，成形系数增加到临界值，焊缝不再产生热裂纹。此外龚练等人[16]试验中发现，当坡口宽度减小时，电弧特性变得敏感，工艺参数适应性要求提高，相同参数下焊接电流会有所增加，侧壁熔深增加，如图5所示。利用不同坡口宽度下焊剂带约束电弧超窄间隙电弧特性，可以有效调控工艺参数，坡口宽度减小，适用的电压大幅度减小。

激光相比于电弧而言拥有指向性好，能量密度大的优点。此外，相比于电弧超窄间隙焊接，激光超窄间隙焊接不易出现电弧中的侧壁燃弧现象。用激光实现超窄间隙的难度相对于电弧而言要小很多。田书强等人[17]实现了9Ni钢的激光超窄间隙焊接，实验中使用的母材为16 mm厚的LNG船液罐用X7Ni9钢，坡口角度为6°，激光器选用的是YLS-10000光纤激光器，焊后对焊缝进行了组织及力学性能的分析，焊缝组织主要为γ固溶体，两侧为垂直熔合线向焊缝中心生长的柱状枝晶，焊缝中心为等轴晶；热影响区粗晶区为粗大的板条马氏体，细晶区为马氏体及少量残余奥氏体。焊缝接头抗拉强度略低于母材，焊缝中心冲击韧性最低为73 J，断口形貌为韧窝状，满足使用的力学性能要求。

铝合金在进行焊接时容易出现焊接气孔等缺陷，引起焊接接头力学性能的下降，谢余发生等人[18]对5083铝合金进行了超窄间隙填丝焊接。分析了焊接工艺参数对焊接未融合倾向和气孔缺陷的影响规律。激光功率的升高，焊缝未熔合的倾向降低，气孔缺陷增加；焊接速度增大，未熔合的倾向增加，气孔缺陷增加。最终，采用光丝间距为+1 mm、焊接速度为0.42 m/min、激光功率为3.8 kW、送丝速度为3.5 m/min、离焦量为+20 mm、侧吹氩气流量为20 L/min的工艺，实现了17 mm 深超窄间隙坡口的5083铝合金激光填丝填充焊接，完全消除了未熔合缺陷，控制气孔率为0.25%。

郑韶先等人[19]选用超细颗粒的焊剂对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行焊接，研究了焊接工艺参数对焊缝成形的影响。在热输入为1.75 kJ/mm及深宽比在1.34的条件下焊接得到的焊缝成形较好。单道焊接时金属填充厚度可达11.5 mm，也不易形成“梨形”裂纹。随着焊接电压的增加，焊缝从凸焊缝向凹焊缝再向电弧攀升的情况转变。最终，划定了超细颗粒焊剂约束窄间隙焊接合理的工艺参数范围，焊接电压在26～32 V之间，焊接电流在200～320 A之间。

4 结束语

窄间隙在焊接厚板时的独特优势，使窄间隙焊接逐步被应用到各个需要厚板焊接的大型工程中。近年来，窄间隙的应用范围越来越广，窄间隙焊接的形式也越来越多变。从正常的单丝窄间隙焊接到多丝窄间隙焊接，从电弧窄间隙焊接再到激光窄间隙焊接，窄间隙焊接的发展及改进可以说是十分迅速的。可以预见，在未来窄间隙方法将拥有更加广阔的前景。

参考文献

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