窄间隙埋弧焊技术的发展及应用

戴世超 吴效宾 刘军凤 宋长洋 丁家利 梁 浩

海洋石油工程(青岛)有限公司

1 窄间隙埋弧焊发展

窄间隙埋弧焊出现于20世纪80年代，由窄间隙气电立焊演变而成，是近年来发展起来的一种高效、省时、节能的埋弧焊方法。目前窄间隙埋弧焊广泛应用于各种大型重要结构，如造船、锅炉、核电、桥梁等厚大件的生产。

窄间隙埋弧焊的焊接接头强度性能和冲击韧性均优于传统埋弧焊接头，另外窄间隙埋弧焊与传统埋弧焊相比，可以极大地提高效率，同时可以降低生产成本。

窄间隙埋弧焊设备按焊丝数量分类主要可分为单丝、双丝和多丝的成套设备，焊接位置主要用于水平或接近水平位置的焊接，同时也可焊接大直径环逢。

窄间隙埋弧焊所用焊丝直径在2～5mm之间，很少使用到直径小于2mm的焊丝。据相关报导，最佳焊丝尺寸为3mm。而4mm直径焊丝推荐在厚度大于140mm的钢板焊接时使用，而5mm直径焊丝则用于厚度大于670mm的钢板。

窄间隙埋弧焊与传统埋弧焊相比，由于其焊接坡口窄、坡口机加工时间短、焊材消耗量少、焊接热输入量低、焊接时间短、焊接变形和焊接应力小，降低了开裂倾向。随着接触式光电跟踪器日趋完善，窄间隙埋弧焊可焊间隙越来越小，坡口深度也越来越深，使这些特点更为明显、应用也更加广泛。

2 窄间隙埋弧焊的局限性

1)由于在窄间隙埋弧焊坡口内进行单道焊接时极难清渣，所以在进行窄间隙埋弧焊焊接时，必须采用每层2道(或3道及以上)的熔敷方式，这使得窄间隙埋弧焊的坡口最小宽度一般在18mm左右，很难进一步降低。2)窄间隙埋弧焊的诸多技术优势起源于大电弧功率，这将使得窄间隙埋弧焊的焊接热输入增大，焊接接头的性能难以进一步提高，另外重要的窄间隙埋弧焊接头常常需要通过焊后热处理才能达到使用性能要求，这也降低了生产效率，同时提高了生产成本。3)难以实施除水平位置焊接以外的其他空间位置的焊接。

3 窄间隙埋弧焊的应用

窄间隙埋弧焊在压力容器制造中有着广泛应用。窄间隙埋弧焊是将普通埋弧焊优点和窄间隙特点结合在一起，焊接热输入量小，熔敷率较高，焊接质量容易保证；窄间隙埋弧焊焊接接头具有较好的冲击韧性，且焊缝氢含量低，抗裂性能得到极大提高。

3.1 窄间隙埋弧焊在压力容器筒体焊接中的应用

随着压力容器的发展，焊接钢材强度越来越高(600～1000MPa)，厚度越来越大(200～600mm)，使用U型或V型坡口的常规焊接方法比较困难。现常采用窄间隙TIG焊做打底焊接，再用窄间隙埋弧焊进行焊接。

筒体的环缝焊接过程需要连续进行，因此焊道焊完一圈枪体会从坡口一侧转至另一侧。为了确保焊接质量，现有窄间隙埋弧焊设备都采取自动变道控制技术，使焊道平滑过渡。这种焊道位置自动变换技术，能够有效避免夹渣和未熔合等缺陷。林尚扬院士研制了双丝窄间隙埋弧焊焊接设备，并与中国第一重型机械集团公司(中国一重)合作施焊了重达2000t的加氢反应器28条环焊缝，全部一次探伤合格。

3.2 窄间隙埋弧焊在压力容器接管焊接中的应用

在压力容器制造中，接管与筒体焊接采用的是接管插入方式。目前在化工等行业常采用机械式马鞍形埋弧焊设备焊接压力容器接管与筒体相交的空间马鞍形相贯曲线。这种传统焊枪的马鞍形运动轨迹采用机械仿形形式实现，不能适应大厚度、窄间隙坡口的焊接要求，并且当接管与筒体偏交时，机械马鞍焊无法进行焊接作业。根据机械马鞍焊设备存在的问题，对筒体与接管相交的马鞍形焊道几何特征进行研究，哈尔滨焊接研究所[9]开发了接管马鞍形埋弧焊设备，采用数字化控制，有着高度自动化，操作更简便的优势。

数控马鞍形埋弧自动焊设备可焊接管直径最大1800mm，坡口最大深度300mm。该设备采用自动控制系统，根据数学模型自动生成马鞍形运动轨迹。采用液晶显示人机交互界面，通过对焊接参数进行预置，实现多层多道连续焊接的目的。

3.3 窄间隙埋弧焊在压力容器封头焊接中的应用

在工业生产中，封头与接管的焊接常采用向心接管焊接和非向心接管焊接的形式。非向心接管焊接前，需要对设备进行定心，通过焊枪对接管外壁自动寻位，将焊枪旋转中心自动定位在接管的中心线上。同时，该设备能够实现高度方向的自动跟踪，焊枪能对窄间隙坡口底部自动寻位，从而记录焊缝高度方向上的变化。在焊接过程中，枪体能够始终跟踪接管外壁，这样能够有效保证焊枪与坡口侧壁距离一致。实现多层多道焊接时，采用单边窄坡口形式，通过设备自带的横向跟踪传感器，只需输入工艺参数，就可以一层两道或一层多道自动排列焊道。

4 未来窄间隙埋弧焊的发展方向

随着生产的发展，我国工业各部门对于窄间隙埋弧焊的需求越来越高，窄间隙埋弧焊对于精度和可靠性的要求也会越来越高。与之配套的系统研究也在一步步进行，如具有更好脱渣性的高性能焊剂是研究者不懈追求的目标。除此以外，窄间隙埋弧焊自动焊机的通用性将会更高，不需要去研究很多功能很单一的焊机。自动焊机的模块化倾向，使得窄间隙埋弧焊焊机的功能改造与升级更加简便。而且随着对此类焊机研发投入的增加，焊机的成本将逐步降低，性能逐渐提高。

综上所述，近些年来，随着新技术的不断发展，新型焊接设备不断出现，对焊接设备领域造成了巨大的影响。因此，需要进一步加强相关新技术的研究，从而使其得到更好地应用。

[1]王乐超，李璐，封翔，王海天，梁涛.窄间隙坡口焊缝的超声波检测及缺陷分析[J].中国化工装备，2016，18(02)：39-42.

[2]王朋，刘霞，芦凤桂.深窄间隙焊接技术在大厚度构件材料焊接中的应用研究[J].机械工程学报，2016，52(02)：56-61.

[3]刘越.窄间隙埋弧焊工艺参数的研究[D].沈阳大学，2012.