熱絲在窄間隙焊接中的研究現(xiàn)狀

李海龍，王智慧，鄒 捷，李艷家，侯靜偉

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海市201518）

熱絲在窄間隙焊接中的研究現(xiàn)狀

李海龍，王智慧，鄒 捷，李艷家，侯靜偉

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海市201518）

窄間隙焊接技術(shù)具有焊縫金屬填充量少、焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織明顯細(xì)化，焊接變形及殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，但其在工業(yè)使用階段仍舊存在不足。針對由于設(shè)備功率限制，導(dǎo)致的窄間隙焊接技術(shù)的焊接熱敷效率及熔深不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求的問題，指出了熱絲焊接技術(shù)和窄間隙焊接技術(shù)相結(jié)合可以有效的彌補(bǔ)窄間隙焊接技術(shù)中存在的不足，同時分析了熱絲窄間隙焊接技術(shù)在弧焊和激光焊中的研究現(xiàn)狀，并指出該技術(shù)在這兩種焊接中的優(yōu)越性，為進(jìn)一步研究和工業(yè)化應(yīng)用提供了引導(dǎo)。

焊接；熱絲；窄間隙；弧焊；激光焊

自1963年BATTELLE研究所開發(fā)窄間隙焊接技術(shù)以來，窄間隙焊接技術(shù)受到高度關(guān)注，科研機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了大量研究。由于和普通坡口相比，窄間隙有無可比擬的優(yōu)越性，如焊縫金屬填充量少，焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織明顯細(xì)化，焊接變形及殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，使其快速從開發(fā)階段進(jìn)入工業(yè)使用階段。但是由于設(shè)備功率限制，使得其焊接熱敷效率及熔深已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要。熱絲焊接是1956年發(fā)展起來的一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接方法，能夠提高熱敷效率，降低母材稀釋率。將熱絲焊接技術(shù)與窄間隙技術(shù)相結(jié)合能夠很好彌補(bǔ)窄間隙的缺點(diǎn)。本研究論述了弧焊和激光焊這兩種常用的焊接方法在熱絲窄間隙焊接中的研究現(xiàn)狀。

1 熱絲在弧焊中的應(yīng)用

熱絲在弧焊中的應(yīng)用主要在TIG焊和埋弧焊中，且在弧焊中應(yīng)用技術(shù)已較成熟。熱絲TIG焊由于其電極的載流能力有限，導(dǎo)致焊接過程焊接速度較低、熔深淺，尤其在中、厚度焊接時非常受限[1]，因此熱絲TIG焊在實(shí)際應(yīng)用中普及率較低，而利用熱絲TIG焊與窄間隙技術(shù)相結(jié)合的方法能夠很好解決這一難題。目前熱絲TIG窄間隙焊接研究主要集中在窄間隙坡口、焊槍設(shè)計(jì)、專用設(shè)備研發(fā)等方向。徐江曉等[2]研究表明窄間隙焊接時坡口設(shè)計(jì)對焊接質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，坡口設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮焊縫底部間隙、坡口側(cè)的融合程度、焊縫收縮量等對焊接質(zhì)量的影響。尤其在窄間隙TIG焊接時，坡口間的間隙收縮，會限制鎢極插入，而現(xiàn)階段對收縮量還沒有成熟的理論，SERIZAWA等[3]通過引入迭代子結(jié)構(gòu)的方法模擬了厚壁管窄間隙多道焊時坡口收縮變形，發(fā)現(xiàn)焊接前部分焊道引起的收縮和坡口形式無關(guān)，決定變形大小的主要是后部分焊道的坡口，同時還采用三維數(shù)值模擬驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)論。

鐵素體耐熱鋼9Cr-1Mo焊接時，通常出現(xiàn)沖擊韌性偏低，PAI等[4]研究了印度“原型快增殖反應(yīng)堆”項(xiàng)目用9Cr-1Mo采用熱絲窄間隙氬弧焊焊接性能，通過對比熱絲和冷絲窄間隙焊接，發(fā)現(xiàn)利用熱絲氬弧焊焊接9Cr-1Mo在0℃的沖擊性能比冷絲焊接時略低，但在常溫以及525℃高溫下時，兩種方法焊縫的沖擊、拉伸以及強(qiáng)度都相近，但利用熱絲焊接能夠極大提高焊接效率。由于熱絲窄間隙焊接時，熱輸入量大會導(dǎo)致焊縫晶粒粗大，因此可以通過調(diào)整焊接速度，增加焊道來降低熱輸入，既可得到理想的沖擊性能，同時熱絲焊接效率明顯提高。

窄間隙埋弧焊焊接時熱輸入量低，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的組織明顯細(xì)化，從而提高了綜合力學(xué)性能，但在實(shí)現(xiàn)無缺陷的大厚度焊接時，難度系數(shù)較大。采用熱絲窄間隙埋弧焊在大厚度焊接時就表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，不過它對裝配質(zhì)量，追蹤系統(tǒng)及送絲位置都有極高的要求，同時還需保證坡口側(cè)壁均勻焊透，且熔渣在窄坡口內(nèi)應(yīng)具有良好的脫渣性。TSUYAMA等[5]采用的熱絲埋弧焊焊接方法（如圖1所示）研究了埋弧焊熱絲和冷絲焊接差異，通過將鎢極和熱絲伸入焊劑，并利用鎢極加熱焊絲的方法實(shí)現(xiàn)熱絲埋弧焊焊接。研究發(fā)現(xiàn)熱絲焊接是普通焊接效率的兩倍，由于熱絲焊接焊縫中Mn和Ni含量提高，從而使得焊縫中氧含量低，因此熱絲焊接后工件的機(jī)械強(qiáng)度比普通埋弧焊高。

圖1 熱絲埋弧焊接過程示意圖

2 熱絲在激光焊中的應(yīng)用

激光焊具有高的準(zhǔn)確性、靈活性，同時低稀釋率，無電極污染等優(yōu)點(diǎn)，更加適合在生產(chǎn)中應(yīng)用推廣。采用電阻加熱的方式對焊絲進(jìn)行預(yù)熱，減少焊絲熔化對熱源的依賴，可以提高熱敷效率，這已廣泛應(yīng)用于TIG焊中，但對填充熱絲激光焊接研究較少，熱絲激光窄間隙焊接目前大多還在實(shí)驗(yàn)研究階段。熱絲激光焊接時填充熱絲的穩(wěn)定性是影響焊接質(zhì)量的重要因素，尤其是在異種鋼焊接時。激光窄間隙焊接時，坡口側(cè)壁熔合主要是靠熔融金屬表面和坡口側(cè)壁構(gòu)成的激光反射，因此在窄間隙焊接時底部極易存在未熔合缺陷，但可利用底部圓滑過渡的U形坡口較好地解決這一問題。圖2為熱絲激光焊焊接示意圖。

圖2 熱絲激光焊接過程示意圖

由于焊絲在進(jìn)入熔池前被電極加熱，激光能量主要用于加熱基材表面，使得熱絲和基材形成冶金結(jié)合。同時熱絲可以提供超過50%的焊接能量，且熱絲填充熔敷率是冷絲填充的4倍[6]，但在激光熱絲焊接過程中也常會產(chǎn)生一定缺陷，如高稀釋率和孔隙率，冶金結(jié)合面窄，尤其是飛濺大，因此需要增加反饋控制電壓裝置來抑制飛濺。WEI等[7]通過建立熱絲激光焊熱絲能耗數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把焊絲加熱到600～800℃時，總焊接能耗最低，比冷絲焊接能耗少16%。在窄間隙熱絲激光焊時在坡口表面熔深較淺，因此可以在較大深寬比坡口下獲得無凝固裂紋的焊縫[8]。

雙光束激光焊是控制焊接過程穩(wěn)定性和減少氣孔的有效方式，可實(shí)現(xiàn)細(xì)化高強(qiáng)鋼焊接接頭晶粒的目的，從而提高抗冷、熱裂紋能力。采用多層焊，可以適當(dāng)降低對激光焊焊接坡口加工和裝配精度，同時能夠更好控制焊縫金屬成分，改善冶金性能，減少熱影響區(qū)，增加焊縫深寬比。李俐群等[9]研究了低合金高強(qiáng)鋼11CrNi13MnMoV利用窄間隙坡口，實(shí)現(xiàn)了雙光束激光填絲單道多層焊，在提高焊接效率同時能夠使焊接接頭強(qiáng)度可達(dá)母材97%以上，并且能夠減少層間束腰寬度，改善焊縫金屬與母材側(cè)壁的熔合。FANG等[10]采用多層多道焊研究了316LN熱絲激光焊的焊接性能，金相觀察發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)，熔合區(qū)，以及熱影響區(qū)都完全呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構(gòu)，同時熔合區(qū)顆粒尺寸比焊縫區(qū)小，并且由于凝固速度快，熱影響區(qū)顆粒沒有明顯增大，焊縫具有優(yōu)良的綜合性能。

激光焊焊接時激光與焊材相互作用產(chǎn)生物理效應(yīng)，如帶電電荷移動產(chǎn)生電流，電荷堆積，噴發(fā)出飛濺等信號。但作為焊接質(zhì)量實(shí)時跟蹤主要還是以光信號為主[11]。LIU等[12]利用光學(xué)分光儀觀察了利用熱絲激光焊在中碳鋼A36表面堆焊Inconel 625的焊接過程，由于電弧及飛濺是主要影響電子溫度差的因素，飛濺越多，電子溫度差越大，從而焊接穩(wěn)定性和質(zhì)量就越差。因此可通過測量Ni和Cr電子溫度評估焊接工藝的優(yōu)劣。PHAONIAM等[13]通過優(yōu)化的焊接工藝得到不銹鋼304和Inconel 600合金異種鋼對接全焊透時較低的基材稀釋率，利用高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)熱絲焊接能夠快速形成焊接穩(wěn)定熔池，以及優(yōu)良的焊縫表面。同時大量的激光束反射到坡口表面使得熱絲焊接具有較小的熱影響區(qū)。激光焊熔池反射的激光是解釋焊縫形成，尤其是坡口邊緣的重要現(xiàn)象。通過高速相機(jī)觀察窄間隙熱絲激光焊焊接熔池如圖3所示，由圖3可明顯發(fā)現(xiàn)激光反射主要發(fā)生在坡口邊緣。

圖3 激光反射截圖（填絲）

3 結(jié) 語

縱觀焊接技術(shù)進(jìn)化史，提高生產(chǎn)效率是推動焊接技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力，而熱絲窄間隙焊接技術(shù)能夠大幅提高焊接效率，基于熱絲焊接原理發(fā)展起來的方法，增大了焊接工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在高厚度窄間隙焊接中發(fā)揮了高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。但是基于窄間隙熱絲焊接來說，它還存在較大工業(yè)應(yīng)用難點(diǎn)，尤其激光熱絲理論研究還不夠成熟。國外已取得少量熱絲激光焊窄間隙焊接專利[14]，總之可通過嘗試新工藝，新裝置等為熱絲窄間隙焊接提供新技術(shù)、新思路，最終推動焊接工業(yè)的大發(fā)展。

[1]楊春利,林三寶.電弧焊基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]許江曉,李世濤.熱絲TIG全位置自動焊厚壁管道窄間隙坡口的設(shè)計(jì)[J].熱加工工藝,2009,38(13）:167-168.

[3]SERIZAWA H,NAKAMURA S,KANBE K,et al.Numerical analysis of deformation in multi-pass circumferential TIG welding with narrow gap[J].Welding in the World,2013,57（5）:615-623.

[4]PAI A,SOGALAD I,ALBERT S K,et al.Comparison of microstructure and properties of modified 9Cr-1Mo welds produced by narrow gap hot wire and cold wire gas tungsten are welding processes[J].Procedia Materials Science,2014,5:1482-1491.

[5]TSUYAMA T,NAKAI K,TSUJI T.Development of submerged arc welding method using hot wire[J].Welding in the World,2014:1-6.

[6]NURMINEN J,RIIHIMAKI J,NAKKI J,et al.Comparison of laser cladding with powder and hot and cold wire techniques[C].Proceedings of international congress on application of lasers&electro-optics.ICALEO，2006：634-637.

[7]WEI H Y,ZHANG Y,TAN L P,et al.Energy efficiency evaluation of hot-wire laser welding based on process characteristic and power consumption[J].Journal of Cleaner Production,2015（87）:255-262.

[8]PHAONIAM R,SHINOZAKI K,YAMAMOTO M,et al.Solidification cracking susceptibility of modified 9Cr1Mo steel weld metal during hot-wire laser welding with a narrow gap groove[J].Welding in the World,2014:469-476.

[9]李俐群,陶汪,朱先亮.厚板高強(qiáng)鋼激光填絲多層焊工藝[J].中國激光,2009,36（5）:1251-1255.

[10]FANG C,SONG Y T,WU W Y,et al.The laser welding with hot wire of 316LN thick plate applied on ITER correction coil case[J].Journal of Fusion Energy,2014,33（6）:752-758.

[11]FABRICE B,ADOLFO C,JOCE M L H,et al.Opitical techniques for real-time penetration monitoring for laser welding[J].Applied Optics,2005（44）:3869-3876.

[12]LIU S,LIU W,Harooni M,et al.Real-time monitoring of laser hot-wire cladding of Inconel 625[J].Optics&Laser Technology,2014（62）:124-134.

[13]PHAONIAM R,SHINOZAKI K,YAMAMOTO M,et al.Development of a highly efficient hot-wire laser hybrid process for narrow-gap welding—welding phenomena and their adequate conditions[J].Welding in the World,2013,57（5）:607-613.

[14]BARRETT M,ROYALTON N.Method and system for narrow grace welding using laser and hot-wire system:US,US20140034622A1[P].2014.

Research Status of the Hot Wire in Narrow Gap Welding

LI Hailong,WANG Zhihui,ZOU Jie,Li Yanjia,HOU Jingwei
（Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.,Ltd.Shanghai 201518,China）

Narrow gap welding technology possesses some advantages,such as low weld metal filling amount,the organization of weld metal and heat affected zone obviously refined,small welding deformation and residual stress and so on,but some insufficient still exist in industrial usage stage.For the equipment power limitation,which leads to the narrow gap welding heat efficiency and penetration can’t meet the demand of modern industrial production,it pointed out the combination of hot wire welding technology and narrow gap welding technology can effectively make up for the insufficient of narrow gap welding technology,analyzed the research status of hot wire narrow gap welding technology in arc welding and laser welding,and pointed out the advantages of this technology in these two kinds of welding,which provides a guide for further research and industrial application.

welding;hot wire;narrow gap;arc welding;laser welding

TG44

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.007

李海龍（1987—），男，碩士研究生，主要從事壓力容器焊接及熱處理研究工作。

2016-01-26

汪翰云