中厚板高效焊接技术的研究进展

中厚板高效焊接技术的研究进展

王传金 焦殿江 田玉坤 安晓锋

中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250014

摘要：文章主要是分析了高效打底焊接技术，在此基础上讲解了高效填充、盖面焊接技术，最后探讨了其中存在的问题，提出了可行性的解决方案，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键字：中厚板；高效化焊接；焊接技术发展

1高效打底焊接技术

非熔化极气体保护焊(TIG焊)的焊接过程稳定、接头质量高，常被用于重要产品的打底焊接。传统TIG焊由于钨极载流能力有限，电弧功率受到限制，缺乏穿透力，一般熔透深度在3mm以下，焊接效率较低。因此，如果能提高TIG焊焊接速度或增加打底焊道的熔深，将大幅提升中厚板打底焊接的效率。

2.1、热丝TIG焊热丝T

IG焊是在传统TIG焊基础上发展起来的一种高效焊接工艺，其原理是在焊丝送入熔池之前对其进行预热，从而减小母材热输入量，提高焊丝熔敷效率，达到高效、优质焊接的目的[6]。热丝TIG焊根据加热方式的不同可分为电阻加热热丝TIG焊、高频感应加热热丝TIG焊[8]和熔丝TIG焊等，但这些方法大多存在加热电流对电弧产生干扰、加热及送丝装置复杂影响焊枪可达性等问题。TOPTIG焊是由法国液空焊接集团SAF公司的T.Opderbecke和S.Guiheux研发的一种新型热丝焊接工艺。TOPTIG焊枪结构如图1所示，主要是对焊丝送进角度进行了调整，使送丝喷嘴与电极大约呈20°夹角穿过保护气体喷嘴，以确保焊丝能够经过电弧中最热的区域而获得高熔敷效率。TOPTIG焊接技术兼顾了TIG焊的高质量和MIG焊的高效率的特点，同时解决了常规填丝TIG焊焊接方向受限的问题，大大提高了焊枪的可达性，目前已成功应用于汽车薄镀层钢板的熔钎焊及高速列车天线梁等结构件的焊接。

2.2A-TIG焊

20世纪60年代乌克兰巴顿焊接研究所(PWI)提出了活性化TIG(即A-TIG)焊接的概念，直到90年代末期该技术才得到广泛的研究和应用。A-TIG焊是在焊接前将活性焊剂涂覆在工件表面，引发电弧收缩或熔池表面张力梯度的改变，从而增加焊缝熔深。利用该技术可使焊接熔深和生产效率比常规TIG焊增加1~3倍，对板厚3~8mm材料可实现不开坡口一次性焊透，焊接效率大幅度提升。目前A-TIG焊已成功应用于汽车、航天、化工及压力容器等工业领域及重要工程结构的焊接，同时也开发出了适用于碳钢、不锈钢、钛合金、镍基合金以及铜镍合金等材料的活性焊剂。虽然A-TIG焊已获得了广泛的应用，但在活性焊剂的熔深增加机理、适用于不同材料活性焊剂的开发，以及现有活性焊剂的优化等方面仍需要进行深入的研究。

2.3K-TIG焊

1997年，澳大利亚联邦科学与工艺研究组织(CSIRO)发明了K-TIG焊接方法。K-TIG焊接如图2所示，其焊接过程类似穿孔等离子弧焊，所不同的是K-TIG焊是使用大电流(通常焊接电流≥600A)增强电弧内部压力来提高其熔透能力，从而形成稳定的小孔进行焊接[17]。由于是“小孔”焊接技术，K-TIG焊可实现单面焊双面成形，且效率非常高。以12mm的AISI304不锈钢板为例，K-TIG焊可以实现焊速为300mm/min的不开坡口一次性焊透，若厚度为1.5mm时，焊接速度可达1000mm/min。但是当前针对K-TIG的研究和应用大多是不锈钢、钛合金及锆合金等低热导率的材料，在进行碳钢及合金钢等高热导率材料的焊接时，难以保持小孔的稳定性，应用受到限制。

3高效填充、盖面焊接技术

填充、盖面层焊接一般采用熔化极气体保护焊(即MIG/MAG焊)，其效率的提升需要从提高焊接速度和熔敷率两方面入手，最终都归结于焊接电流的大幅提高。然而当电流超过第二临界电流时，熔滴过渡方式会转变为旋转射流过渡，此时电弧不稳、飞溅严重、焊缝金属成形差，反而不利于焊接。因此，保持大电流下熔滴过渡的稳定将大大提高填充、盖面焊接的效率。

3.1 T.I.M.E.焊

T.I.M.E.(TransferredIonizedMoltenEnergy)焊接技术是由CanadaWeldProcess公司的J.Church于1980年研发，1990年6月在维也纳焊接商贸博览会上被引入欧洲。该工艺采用大干伸长和特殊的四元保护气体(O2、CO2、He、Ar的体积分数分别为0.5%、8%、26.5%、65%)，通过增大送丝速度来提高熔敷效率。相同焊丝直径下传统MAG焊与T.I.M.E.焊的工艺参数比较，可以看出，T.I.M.E.焊的熔敷率达到传统MAG焊的3倍。

3.2磁控高效MIG/MAG焊

我国氦气资源储量较少，使用T.I.M.E.焊接技术成本较高，故较多的研究是针对无氦气作用时如何提高焊接过程的稳定性，其中具有代表性的研究是通过外加磁场对熔滴过渡过程进行控制，确保大电流MAG焊焊接过程的稳定性。兰州理工大学的樊丁等人研究了交变磁场对熔滴过渡行为的影响，实现了60Hz交变磁场下(焊接电流450A、电弧电压50V、送丝速度35m/min、焊丝伸出长度30mm，焊接速度0.78m/min)稳定的熔滴过渡，改善了焊缝成形。

4存在的问题

4.1打底焊的可靠性

在现有焊接技术条件下，对于厚度在6mm以下的板材可以实现不开坡口的熔透焊接，若板厚超过8mm，一般都需要依据板厚开V型、U型、K型等样式坡口进行多层多道焊接。作为首道焊缝，打底焊接工艺的质量和效率往往决定整个焊接接头的质量和焊接效率。传统焊接方法中，非熔化极气体保护焊由于焊接质量高、可实现单面焊双面成形而被广泛应用于打底焊接，但该方法最大的缺点就是效率低；熔化极焊接方法焊接效率很高，但用于打底焊时却难以保证成形。因此就高效率而言，传统焊接方法都不是打底焊的最佳选择，而现有的高效焊接方法在用于打底焊时，能否确保接头背面成形良好、避免产生缺陷，将是这些工艺是否能应用于中厚板焊接最基本的条件。

4.2坡口适应性

众所周知，开坡口是为了提高焊枪的可达性，确保焊缝熔透，受枪头体积的影响，不同焊接方法所需的坡口大小也不一样。如热丝TIG焊、K-TIG焊及等离子弧焊等焊接方法由于枪头体积过大，若应用于打底焊接时，需要的坡口尺寸也就越大。目前，复合焊接工艺发展迅速，采用双热源焊接必然增加焊枪体积，对小尺寸坡口的适应性降低。因此如何优化焊枪枪头设计，获得良好的焊枪可达性，不仅是提高焊接效率的必要条件，更是该工艺能否获得广泛应用的重要前提。

4.3装配精度的适应性

自动焊接对装配精度的要求普遍较高，且目前在打底焊接工艺中较多地采用压缩电弧来增加其熔透能力，这种方法虽然增加了焊缝的熔深，但也削弱了电弧的搭桥能力，对装配精度的要求又进一步提高，焊前准备工作量大大增加。在这种情况下，单纯地加快焊接速度对于整体生产效率的提升效果有限。要发挥高效焊接的最大优势，需要从整体环节进行考虑，一方面要增加焊接工艺对间隙和错边的适应性，另一方面要采用合理的手段改进前期装配工艺、提高装配精度，实现工件批量装配的一致性。

5结束语

由上可知，当前的中厚板打底焊等方面有着几种高效的焊接技术，且有几种已被广泛的应用在实际施工中，有着较好的经济效益。不同的焊接工艺在质量、成本等方面都有着其独特的优势以及不足，为此在高效焊接技术条件的基础上发展处成本低、成品率高的焊接工艺是未来有关人员应当研究的重点。

参考文献

1. 张文龙.薄板角结构激光-MIG复合焊的数值模拟与实验研究[D].江苏大学,2020.

2. 赵波,杨玮玮, 杨德云,等.X70钢板冷填丝气体保护焊工艺研究[J].焊管,2020,v.43;No.294(04):20-28.