窄間隙焊接技術.doc

焊 接 進 展 講 座 A 結課作業(yè) 姓名：袁亮文學號：09850324 班級：焊接技術與工程3班 學院：材料科學與工程學院窄間隙焊接技術摘要：隨著材料的不斷發(fā)展，越來越多的材料需要被焊接，為提高效率，出現(xiàn)了許多新型的焊接技術。關鍵詞：窄間隙、焊接、氣體保護窄間隙鎢極氬弧焊 此種焊接工藝基本不產(chǎn)生飛濺和熔渣，由于電弧的穩(wěn)定性，也很少產(chǎn)生明顯的焊接缺陷，并且也已確立向全位置焊接的應用。但是這一方法的缺點在于工作效率低，為了提高工作效率，對填充焊絲通電加熱的同時，還應該采用熱電阻線焊接法，這種方法的有利方面是可以個別選擇焊接電流和填充焊絲的送給量。但是，如果給予填充焊絲過多的通電量，會引起鎢極惰性氣體保護焊的磁沖擊，形成的電弧不穩(wěn)定。因此，采取將電弧電流和電線電流分別脈沖化或錯開其相位，或?qū)畏矫娴碾娏鹘涣骰却胧?。超高強鋼的使用促進了TIG焊在窄間隙焊接中的應用，一般認為TIG焊是焊接質(zhì)量最可靠的工藝之一。由于氬氣的保護作用，TIG焊可用于焊接易氧化的非鐵金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬（如鉬、鈮、鋯）等，其接頭具有良好的韌性，焊縫金屬中的氫含量很低。由于鎢極的載流能力低，因而熔敷速度不高，應用領域比較狹窄，一般被用于打底焊以及重要的結構中。 窄間隙焊條電弧焊 由于窄間隙焊接主要面向機械化及自動化生產(chǎn)，焊條電弧焊在窄間隙焊接中的應用不多，而且焊接質(zhì)量不好控制。但實際生產(chǎn)中，窄間隙焊條電弧焊具有其他焊接方法所不能替代的優(yōu)勢（如使用方便、靈活、設備簡單等），因此在某些領域中，如在大壩建筑中用于鋼筋的窄間隙焊接，解決了由于鋼筋連接技術造成的鋼筋偏心受力問題，成本僅為綁條焊的1/11；對1840mm的，級鋼適用。 窄間隙電渣焊 窄間隙電渣焊除了可以焊接各種鋼材和鑄鐵外，還可以焊接鋁及鋁合金、鎂合金、鈦及鈦合金以及銅。它被廣泛用于鍋爐制造、重型機械和石油化工等行業(yè)，近年來在橋梁建造中，窄間隙電渣焊被用于焊接2575mm的平板結構。其焊劑、焊絲和電能的消耗量均比采用埋弧焊低，并且工件厚度越大，效果越明顯，焊接接頭產(chǎn)生淬火裂紋的傾向小，與傳統(tǒng)電渣焊相比，焊縫和熱影響區(qū)的金屬性能更高，可免除或簡化焊后的熱處理過程。但其設備比較龐大，同時對所用渣劑的脫渣性要求較高。 窄間隙激光焊 由于激光焊焊接的板厚超過6mm時被列入厚板焊接，而激光焊的坡口寬度很小，此時可以認為是窄間隙激光焊接。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器，目前可焊厚度達50mm，深寬比高達12:1。激光焊接的焊縫在焊態(tài)下硬度很高，主要含馬氏體組織，應進行焊后熱處理。由于激光焊要求大功率的激光器，設備要求高，因此在生產(chǎn)領域中的應用是有限的。窄間隙埋弧焊 窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于上世紀80年代，很快被應用于工業(yè)生產(chǎn)，它的主要應用領域是低合金鋼厚壁容器及其它重型焊接結構。窄間隙埋弧焊的焊接接頭具有較高的抗延遲冷裂能力，其強度性能和沖擊韌性優(yōu)于傳統(tǒng)寬坡口埋弧焊接頭，與傳統(tǒng)埋弧焊相比，總效率可提高50%80%；可節(jié)約焊絲38%50%，焊劑56%64.7%。窄間隙埋弧焊已有各種單絲、雙絲和多絲的成套設備出現(xiàn)，主要用于水平或接近水平位置的焊接，并且要求焊劑具有焊接時所需的載流量和脫渣效果，從而使焊縫具有合適的力學性能。一般采用多層焊，由于坡間隙窄，層間清渣困難，對焊劑的脫渣性能要求秀高，尚需發(fā)展合適的焊劑。 盡管SAW工藝具有如下優(yōu)點：高的熔敷速度，低的飛濺和電弧磁偏吹，能獲得焊道形狀好、質(zhì)量高的焊縫，設備簡單等，但是由于在填充金屬、焊劑和技術方面取得的最新進展，使日本、歐洲和俄羅斯等國家和地區(qū)在焊接碳鋼、低合金鋼和高合金鋼時廣泛采用NG-SAW工藝。 NG-SAW用的焊絲直徑在25mm之間，很少使用直徑小于2mm的焊絲。據(jù)報導，最佳焊絲尺寸為3mm。4mm直徑焊絲推薦給厚度大于140mm的鋼板使用，而5mm直徑焊絲則用于厚度大于670mm的鋼板。 單道焊僅在使用專為窄坡口內(nèi)易于脫渣而開發(fā)的自脫渣焊劑時才采用。然而，盡管使用較高的坡口填充速度，單道焊方案較之多道焊方案仍有一些不足之處。除需要使用非標準焊劑之外，它還要求焊絲在坡口內(nèi)非常準確地定位，對間隙的變化有較嚴格的限制。對焊接參數(shù)，特別是電壓的波動以及凝固裂紋的敏感性大，限制了這一工藝的適應性。單道焊在日本使用較多。 日本以外的其他國寶廣泛使用多道焊，其特點是坡口填充速度相當?shù)停溥m應性強，可靠性高，產(chǎn)生缺陷少。盡管焊接成本較高，但這一方案的最重要之處在于，允許使用標準的或略為改進的焊劑，以及普通SAW焊接工藝。 窄間隙熔化極氣體保護焊 窄間隙熔化極氣體保護焊是利用電弧擺動來到達焊接鋼板兩側壁的一種方法。在平焊方法中，為了使I形坡口的兩邊充分焊透，使電弧指向坡口兩側壁，采用了各種方法：在焊絲進入坡口前，使焊絲彎曲的方法；使焊絲在垂直于焊接方向上擺動的方法；麻花狀絞絲方法；藥芯焊絲的交流弧焊方法；采用大直徑實心焊絲的交流弧焊方法等。另外，也有采用（Ar）30%+（CO2)70%作為保護氣體與1.6mm實心焊絲相配合的氣體保護焊方法，用來焊接特殊形狀復雜的接頭。在橫焊方法中，為了防止I形坡口內(nèi)熔融金屬下淌，以便得到均勻的焊道，提出了如下焊接方法：利用焊接電流的周期性變化，使焊絲擺動或?qū)⑵驴诜殖缮舷聦拥暮附臃椒ǎ约皩?種方式組合起來的焊接方法等。在立焊窄間隙MAG焊接方法中，為了保證坡口兩側焊透，研制了擺動焊絲的焊接方法以及焊接電流與焊絲擺動同步變化的焊接方法。 窄間隙焊接的發(fā)展方向及其新進展 窄間隙焊具有極高的焊接生產(chǎn)率，更優(yōu)良的接頭力學性能，更小的焊接殘余應力和殘余變形，更低的焊接生產(chǎn)成本等顯著技術與經(jīng)濟優(yōu)勢，將其歸為先進制造技術，當之無愧。然而，迄今為止，該技術在厚板焊接領域的推廣應用仍極其有限，我國不少行業(yè)至今在應用上仍沒有零的突破。要使窄間隙焊接技術更成熟化、更實用化、技術經(jīng)濟優(yōu)勢更明顯化，還應主要從以下方面加快技術開發(fā)和技術進步： （1）開發(fā)更低熱輸入的弧焊技術，以滿足高強鋼甚至高合金鋼、空間位置適應性更寬等方面的需要； （2）開發(fā)GMAW方法的超低飛濺率控制技術（包括電源），以滿足窄間隙自動焊工藝過程高可靠性、高穩(wěn)定性的需要； （3）開發(fā)高抗干擾能力、高可靠性、高精度的自動跟蹤技術，以滿足焊槍在狹窄坡口內(nèi)安全可靠運行，電弧在坡口內(nèi)空間作用位置高度準確的需要。 近10余年來，關于窄間隙焊接新技術的開發(fā)研究，世界各國似乎都放慢了速度，原因可能在于超低飛濺率控制技術和高可靠性的實時跟蹤控制還未產(chǎn)生技術上的飛躍，而絕對不是窄間隙焊技術已達到盡善盡美的狀態(tài)。十分可喜的是，各國焊接專家們并沒有心灰意冷，自上世紀90年代以來在為弧焊技術產(chǎn)生質(zhì)的飛躍而進行的不懈研究中，取得了令人振奮的新進展，從而為窄間隙焊技術的快速發(fā)展奠定了基礎。近10余年來的部分進展如下： （1）采用脈沖旋轉(zhuǎn)射流過渡技術，在降低飛濺率的同時增強兩側壁的熔合；采用磁場控制窄間隙坡口內(nèi)的電弧擺動； （2）超低飛濺率（3%）表面張力過渡焊機已開發(fā)成功（美國Lincoln公司）且已商品化； （3）采用計算機輔助控制的各種光電、激光等自動跟蹤系統(tǒng)相繼開發(fā)出來（如瑞典ESAB公司、美國Jellin公司以及國內(nèi)數(shù)所大學等）； （4）恒流CO2焊機、模糊控制半自動GMAW焊機（如日本）等新型電源相繼開發(fā)出來（有的已商品化）； （5）高熔敷速度、低飛濺率、無需層間清渣的藥芯焊絲的開發(fā)，為窄間隙藥芯焊絲電弧焊的應用提供了可能性； （6）高穩(wěn)定度送絲機構（如雙電機、四輪驅(qū)動等）已成功應用于常規(guī)GMAW方法中。 總之，近年來在GMAW領域開發(fā)出來的諸多新工藝、新設備、新裝置、新器材，以及工業(yè)技術水平的不斷提高，都為窄間隙焊的技術進步提供了新思路、新途徑和新技術儲備。相信在不久的將來，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還會不斷涌現(xiàn)出來。攪拌摩擦焊摘要：隨著材料的不斷發(fā)展，越來越多的異種材料需要被焊接，為實現(xiàn)此效果，攪拌摩擦焊誕生。關鍵詞：攪拌摩擦焊、原理、發(fā)展攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute)于1991年發(fā)明的專利焊接技術。攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術的優(yōu)點外，還可以進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。挪威已建立了世界上第一個攪拌摩擦焊商業(yè)設備，可焊接厚315mm、尺寸616的Al船板；1998年美國波音公司的空間和防御實驗室引進了攪拌摩擦焊技術，用于焊接某些火箭部件；麥道公司也把這種技術用于制造Delta運載火箭的推進劑貯箱。下面主要介紹攪拌摩擦焊的方法、過程、特點以及攪拌摩擦焊在中國的發(fā)展現(xiàn)狀。 攪拌摩擦焊的原理攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖所示。在焊接過程中 工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊頭的突出段伸進材料內(nèi)部進行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。 在焊接過程中，焊頭在旋轉(zhuǎn)的同時伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)焊頭與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料流向焊頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對設備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運動和工件的相對運動，即使一臺銑床也可簡單地達到小型平板對接焊的要求。但焊接設備及夾具的剛性是極端重要的。焊頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長度一般比要求焊接的深度稍短應該指出，攪拌摩擦焊縫結束時在終端留下個匙孔。通常這個匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對匙孔問題，目前已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會留下焊接匙孔。 關于在攪拌摩擦過程中界面原子的運動現(xiàn)在仍處于研究階段。 攪拌摩擦焊的特點焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。通常在Al合金焊接時，一個工具鋼攪拌頭可焊到800m長的焊縫。 同時，由于攪拌摩擦焊接時的溫度相對較低，因此焊接后結構的殘余應力或變形也較熔化焊小得多。特別是Al合金薄板熔化焊接時，結構的平面外變形是非常明顯的，無論是采用無變形焊接技術還是焊后冷、熱校形技術，都是很麻煩的，而且增加 了結構的制造成本。 目前攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關。當然，這也和有色金屬熔化焊接相對困難有關，迫使人們在有色金屬焊接時尋找非熔化的焊接方法。對于延性好、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實現(xiàn)攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個技術經(jīng)濟指標更合理來決定。 攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應用，但由于焊接方法特點的限制，目前僅限于結構簡單的構件，如平直的結構或圓筒形結構的焊接，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或村墊。原則上，攪拌摩擦焊可進行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多種形式的焊接接頭，如對接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結構和多層材料的連接，也可進行異種金屬材料的焊接。 另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程中對環(huán)境的污染小。焊前工件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺同時噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動，逐步實現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。 攪拌摩擦焊在中國的發(fā)展現(xiàn)狀2002年，在中國航空工業(yè)集團-北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所共同簽署關于攪拌摩擦焊專利技術許可、技術研發(fā)及市場開拓等領域的合作協(xié)議的基礎上，中國第一家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術授權公司中國攪拌摩擦焊中心即北京賽福斯特技術有限公司成立，標志著攪拌摩擦焊技術在中國市場的研發(fā)及工程應用工作的正式開啟。 攪拌摩擦焊作為一種多學科交匯的新方法，可以發(fā)展出縱縫焊接、環(huán)縫焊接、無匙孔焊接、變截面焊接、自支撐雙面焊接、空間3D曲線焊接、攪