中厚板高效焊接技術(shù)的研究進(jìn)展

石玗 王文楷

摘要：中厚板普遍應(yīng)用于造船、建筑、機(jī)械制造及壓力容器等工程領(lǐng)域，其焊接作業(yè)也是行業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的中厚板焊接工藝復(fù)雜、質(zhì)量不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度低，焊接效率受到很大制約，因此發(fā)展中厚板高效焊接技術(shù)對(duì)行業(yè)整體生產(chǎn)效率的提升具有重大意義。綜述了當(dāng)前在中厚板打底焊、填充蓋面焊及深熔焊接方面適用的典型高效焊接方法的原理、特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了高效焊接技術(shù)在工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題，指出了中厚板高效焊接技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：中厚板;高效化焊接;焊接技術(shù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0069-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.07

0? ? 前言

工程類板材按照厚度和適用范圍可分為薄板、中厚板和厚板，不同領(lǐng)域、不同材料對(duì)板厚劃分的標(biāo)準(zhǔn)不同。一般而言，厚度在4～30 mm之間的板材都稱為中厚板，此類材料在造船、建筑、機(jī)械制造及壓力容器制造等行業(yè)中的應(yīng)用非常普遍，僅在工程機(jī)械領(lǐng)域的用量就已經(jīng)超過(guò)60%，而在造船方面，部分船型的中厚板用量更是達(dá)到88%。由于中厚板用量占有很大的比重，其焊接工作也是相關(guān)行業(yè)主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，如在核電、造船等行業(yè)，中厚板焊接占焊接工作總量的70%，因此，提高中厚板焊接效率對(duì)行業(yè)整體生產(chǎn)效率的提升具有重大意義[1-2]。

在造船及壓力容器行業(yè)中，中厚板的焊縫大多是長(zhǎng)直焊縫或環(huán)縫焊道，其焊接多采用打底焊+埋弧焊填充、蓋面，或直接使用背部添加襯墊的埋弧焊接。打底焊對(duì)焊縫質(zhì)量要求較高，一般采用焊條電弧焊或TIG焊完成，焊接效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定。背部添加襯墊進(jìn)行埋弧焊作業(yè)雖然可以提升效率，但是襯墊的使用增加了生產(chǎn)成本且往往結(jié)構(gòu)受到限制。另外，普通埋弧焊只能用于平焊位置，不適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接。機(jī)械制造及建筑等行業(yè)的中厚板多用于生產(chǎn)箱梁、桁架等類型的結(jié)構(gòu)件，這類部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、短焊縫多，通常需要手工進(jìn)行多層多道焊接。雖然該方式可以實(shí)現(xiàn)后道焊縫對(duì)前道焊縫的熱處理作用，但是需要采取預(yù)熱和緩冷措施來(lái)控制層間溫度，同時(shí)采用合理的焊接順序來(lái)減小變形，工藝復(fù)雜且不利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。傳統(tǒng)的窄間隙焊接技術(shù)用于大厚板焊接時(shí)可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，但在35 mm厚度以下板材的焊接中，優(yōu)勢(shì)并不明顯[3]。因此，目前各行業(yè)中厚板焊接生產(chǎn)中手工焊接的比例偏高，發(fā)展高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的中厚板焊接工藝仍然是當(dāng)前制造業(yè)的迫切需求[4]。

根據(jù)現(xiàn)階段不同行業(yè)中厚板焊接所面臨的問(wèn)題，提升焊接效率可以從三個(gè)方向來(lái)考慮：（1）增加打底焊的熔敷效率或熔深，減小后續(xù)焊接工作量;（2）提升填充、蓋面焊接的熔敷效率，加快焊接速度;（3）發(fā)展深熔焊接工藝，實(shí)現(xiàn)中厚板不開(kāi)坡口或小坡口條件下的焊接。

1 高效打底焊接技術(shù)

非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG焊）的焊接過(guò)程穩(wěn)定、接頭質(zhì)量高，常被用于重要產(chǎn)品的打底焊接。傳統(tǒng)TIG焊由于鎢極載流能力有限，電弧功率受到限制，缺乏穿透力，一般熔透深度在3 mm以下，焊接效率較低[5]。因此，如果能提高TIG焊焊接速度或增加打底焊道的熔深，將大幅提升中厚板打底焊接的效率。

1.1 熱絲TIG焊

熱絲TIG焊是在傳統(tǒng)TIG焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效焊接工藝，其原理是在焊絲送入熔池之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，從而減小母材熱輸入量，提高焊絲熔敷效率，達(dá)到高效、優(yōu)質(zhì)焊接的目的[6]。熱絲TIG焊根據(jù)加熱方式的不同可分為電阻加熱熱絲TIG焊[7]、高頻感應(yīng)加熱熱絲TIG焊[8]和熔絲TIG焊[9]等，但這些方法大多存在加熱電流對(duì)電弧產(chǎn)生干擾、加熱及送絲裝置復(fù)雜影響焊槍可達(dá)性等問(wèn)題[10]。

TOPTIG焊是由法國(guó)液空焊接集團(tuán)SAF公司的T. Opderbecke和S. Guiheux研發(fā)的一種新型熱絲焊接工藝。TOPTIG焊槍結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是對(duì)焊絲送進(jìn)角度進(jìn)行了調(diào)整，使送絲噴嘴與電極大約呈20°夾角穿過(guò)保護(hù)氣體噴嘴，以確保焊絲能夠經(jīng)過(guò)電弧中最熱的區(qū)域而獲得高熔敷效率。TOPTIG焊接技術(shù)兼顧了TIG焊的高質(zhì)量和MIG焊的高效率的特點(diǎn)，同時(shí)解決了常規(guī)填絲TIG焊焊接方向受限的問(wèn)題，大大提高了焊槍的可達(dá)性，目前已成功應(yīng)用于汽車薄鍍層鋼板的熔釬焊及高速列車天線梁等結(jié)構(gòu)件的焊接[11-12]。

1.2 A-TIG焊

20世紀(jì)60年代烏克蘭巴頓焊接研究所（PWI）提出了活性化TIG（即A-TIG）焊接的概念，直到90年代末期該技術(shù)才得到廣泛的研究和應(yīng)用[13]。A-TIG焊是在焊接前將活性焊劑涂覆在工件表面，引發(fā)電弧收縮或熔池表面張力梯度的改變，從而增加焊縫熔深。利用該技術(shù)可使焊接熔深和生產(chǎn)效率比常規(guī)TIG焊增加1～3倍，對(duì)板厚3～8 mm材料可實(shí)現(xiàn)不開(kāi)坡口一次性焊透，焊接效率大幅度提升[14]。目前A-TIG焊已成功應(yīng)用于汽車、航天、化工及壓力容器等工業(yè)領(lǐng)域及重要工程結(jié)構(gòu)的焊接，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出了適用于碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金以及銅鎳合金等材料的活性焊劑[15]。雖然A-TIG焊已獲得了廣泛的應(yīng)用，但在活性焊劑的熔深增加機(jī)理、適用于不同材料活性焊劑的開(kāi)發(fā)，以及現(xiàn)有活性焊劑的優(yōu)化等方面仍需要進(jìn)行深入的研究[16]。

1.3 K-TIG焊

1997年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工藝研究組織（CSIRO）發(fā)明了K-TIG焊接方法。K-TIG焊接如圖2所示，其焊接過(guò)程類似穿孔等離子弧焊，所不同的是K-TIG焊是使用大電流（通常焊接電流≥600 A）增強(qiáng)電弧內(nèi)部壓力來(lái)提高其熔透能力，從而形成穩(wěn)定的小孔進(jìn)行焊接[17]。由于是“小孔”焊接技術(shù)，K-TIG焊可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，且效率非常高。以12 mm的AISI 304不銹鋼板為例，K-TIG焊可以實(shí)現(xiàn)焊速為300 mm/min的不開(kāi)坡口一次性焊透，若厚度為1.5 mm時(shí)，焊接速度可達(dá)1 000 mm/min。但是當(dāng)前針對(duì)K-TIG的研究和應(yīng)用大多是不銹鋼、鈦合金及鋯合金等低熱導(dǎo)率的材料，在進(jìn)行碳鋼及合金鋼等高熱導(dǎo)率材料的焊接時(shí)，難以保持小孔的穩(wěn)定性，應(yīng)用受到限制[18-20]。

1.4 脈沖TIG焊

單純采用大電流增強(qiáng)電弧穿透力會(huì)增加焊接接頭的熱輸入，降低材料性能，且K-TIG、熱絲TIG焊槍體積較大，對(duì)深而窄的坡口適應(yīng)性較差。相比而言，高頻脈沖焊接電流既可以引發(fā)電弧收縮，增加電弧穿透能力，還可以調(diào)節(jié)焊接熱輸入量，對(duì)熔池進(jìn)行電磁攪拌，加快氣體逸出、細(xì)化晶粒，且脈沖電流焊接工藝簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的焊槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)窄坡口適應(yīng)性更強(qiáng)，效率和質(zhì)量更優(yōu)。天津大學(xué)的YueXiao Fang等人[21]采用38.6 kHz高頻電流對(duì)厚5.5 mm的Q345鋼成功進(jìn)行了全熔透小孔焊接，在保持K-TIG同樣焊速的情況下，形成穩(wěn)定小孔的閾值電流由430 A降低至340 A，且焊接電流參數(shù)窗口擴(kuò)大了1倍。蘭州理工大學(xué)的石玗等人[22]采用低頻率、大占空比的脈沖TIG焊實(shí)現(xiàn)了無(wú)襯墊5 mm大鈍邊16MnR鋼的單面焊雙面成形。北京航空航天大學(xué)的Wang Yipeng等人[23]采用超音頻雙脈沖變極性TIG焊對(duì)7 mm厚的AA2219鋁合金進(jìn)行了焊接，同樣獲得了穩(wěn)定的小孔焊接工藝。未來(lái)隨著研究的進(jìn)一步深入以及工業(yè)水平的不斷提高，脈沖TIG焊接技術(shù)必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

1.5 STT焊接

與TIG焊相比，熔化極氣體保護(hù)焊（MIG/MAG焊）在焊接效率方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的MIG/MAG焊由于焊接參數(shù)難以精確控制，焊道搭橋能力弱，焊縫成形質(zhì)量不穩(wěn)定，難以用于打底焊接[24]。針對(duì)該問(wèn)題，林肯電氣（Lincoln electric）公司發(fā)明了STT焊接技術(shù)。傳統(tǒng)MIG/MAG焊與STT熔滴過(guò)渡過(guò)程與電流電壓波形對(duì)比如圖3所示，STT焊接技術(shù)是利用電流波形控制短路過(guò)程，在短路初期和末期降低電流，減小熔滴縮頸處電磁爆破造成的飛濺;而在短路中期和燃弧初期施加大電流，分別用來(lái)促進(jìn)縮頸形成和實(shí)現(xiàn)快速引弧[26]。通過(guò)以上過(guò)程控制，STT焊接技術(shù)具備了較小的焊接飛濺、較強(qiáng)的搭橋能力，同時(shí)保持了較高的焊接效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)[27]，STT技術(shù)的焊接效率是TIG焊的3～5倍，SMAW的1.5～2倍;綜合成本為TIG焊的1/3;焊接層間清理及焊后表面清理費(fèi)用為SMAW的1/10。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，STT技術(shù)在我國(guó)西氣東輸管線的打底焊接中得到了大量應(yīng)用[28]。

2 高效填充、蓋面焊接技術(shù)

填充、蓋面層焊接一般采用熔化極氣體保護(hù)焊（即MIG/MAG焊），其效率的提升需要從提高焊接速度和熔敷率兩方面入手，最終都?xì)w結(jié)于焊接電流的大幅提高[29]。然而當(dāng)電流超過(guò)第二臨界電流時(shí)，熔滴過(guò)渡方式會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)射流過(guò)渡，此時(shí)電弧不穩(wěn)、飛濺嚴(yán)重、焊縫金屬成形差，反而不利于焊接[30]。因此，保持大電流下熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定將大大提高填充、蓋面焊接的效率。

2.1 T. I. M. E.焊

T. I. M. E.（Transferred Ionized Molten Energy）焊接技術(shù)是由Canada Weld Process公司的J. Church于1980年研發(fā)，1990年6月在維也納焊接商貿(mào)博覽會(huì)上被引入歐洲。該工藝采用大干伸長(zhǎng)和特殊的四元保護(hù)氣體（O2、CO2、He、Ar的體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%、8%、26.5%、65%），通過(guò)增大送絲速度來(lái)提高熔敷效率[31]。相同焊絲直徑下傳統(tǒng)MAG焊與T. I. M. E. 焊的工藝參數(shù)比較如表1所示，可以看出，T. I. M. E. 焊的熔敷率達(dá)到傳統(tǒng)MAG焊的3倍。由于T. I. M. E. 焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定、熔敷效率高， 一進(jìn)入市場(chǎng)便被廣泛應(yīng)用于造船、鋼結(jié)構(gòu)工程、汽車制造、機(jī)械工程以及軍工產(chǎn)品中[32]。

2.2 磁控高效MIG/MAG焊

我國(guó)氦氣資源儲(chǔ)量較少，使用T. I. M. E. 焊接技術(shù)成本較高，故較多的研究是針對(duì)無(wú)氦氣作用時(shí)如何提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，其中具有代表性的研究是通過(guò)外加磁場(chǎng)對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行控制，確保大電流MAG焊焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。北京工業(yè)大學(xué)的陳樹(shù)君等人[33]對(duì)焊接電弧施加了勵(lì)磁電流為45 A的縱向磁場(chǎng)，使用φ1.2 mm焊絲，在送絲速度45 m/min、焊絲干伸長(zhǎng)35 mm的條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔滴過(guò)渡較為穩(wěn)定的控制。蘭州理工大學(xué)的樊丁等人[34]研究了交變磁場(chǎng)對(duì)熔滴過(guò)渡行為的影響，實(shí)現(xiàn)了60 Hz交變磁場(chǎng)下（焊接電流450 A、電弧電壓50 V、送絲速度35 m/min、焊絲伸出長(zhǎng)度30 mm，焊接速度0.78 m/min）穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡，改善了焊縫成形，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及熔滴過(guò)渡行為分別如圖4、圖5所示。隨著磁場(chǎng)方向、大小及頻率對(duì)電弧和熔滴過(guò)渡作用機(jī)理研究的不斷深入，磁控技術(shù)在提高M(jìn)IG/MAG焊接效率方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 forceArc?焊接技術(shù)

德國(guó)EWM公司研發(fā)的forceArc?技術(shù)在大電流范圍工作，其焊接電弧的動(dòng)態(tài)弧壓調(diào)節(jié)能力比射流過(guò)渡電弧更強(qiáng)，可以保持超短弧下的射流過(guò)渡（如圖6所示），又被稱為超威弧[35]。超威弧的工作電壓、電流范圍如圖7所示，該技術(shù)最大的特點(diǎn)就在于電弧方向性強(qiáng)，對(duì)小尺寸坡口有很強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)超威弧屬于射流過(guò)渡，可以獲得較高的熔敷效率和較大的熔深，因此在中厚板焊接特別是中厚板角接接頭的焊接中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.4 雙絲焊

雙絲氣體保護(hù)焊采用兩根焊絲同時(shí)進(jìn)行焊接，因其熔敷效率高、焊接速度快，廣泛應(yīng)用于船舶、鐵路、石油管道及壓力容器等領(lǐng)域[36]。目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的雙絲焊接工藝有Twin Arc和Tandem雙絲焊接工藝，焊接原理如圖8所示。Twin Arc焊的特點(diǎn)是兩根焊絲采用兩套送絲機(jī)構(gòu)、一套電源系統(tǒng)、一個(gè)導(dǎo)電嘴和氣體噴嘴，形成雙電弧共熔池焊接。該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩根焊絲焊接參數(shù)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，焊接過(guò)程中由于電磁力的作用易造成電弧不穩(wěn)。Tandem在Twin Arc焊的基礎(chǔ)上采用雙電源、雙導(dǎo)電嘴，實(shí)現(xiàn)了焊絲參數(shù)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，達(dá)到了最佳的控制效果[37]。然而，Tandem焊接時(shí)必須沿行進(jìn)方向使主弧在前、從弧在后，否則會(huì)產(chǎn)生雙道焊縫，對(duì)于形狀復(fù)雜、短焊縫較多的工件，需要增加機(jī)器人或變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，不僅增加了編程工作量，還會(huì)影響焊接效率。

林肯電氣公司的HyperFillTM協(xié)同雙絲焊類似于Twin Arc法，采用單電源、雙送絲系統(tǒng)，不同的是HyperFillTM在焊接過(guò)程中，兩根焊絲共用一個(gè)電弧，產(chǎn)生單個(gè)熔滴過(guò)渡到熔池，如圖9所示，避免了Twin Arc焊接電弧相互干擾、飛濺大以及Tandem焊接靈活性受限的問(wèn)題。

2.5 金屬粉芯焊絲+HDT焊接工藝

林肯電氣公司提出的金屬粉芯焊絲+HDT焊接工藝采用特制的金屬粉芯焊絲，該焊絲具有較高的第二臨界電流，配合HDT焊接波形控制，大電流下依然能保持穩(wěn)定的軸向射流過(guò)渡，在單絲焊接時(shí)可以保持甚至超過(guò)雙絲焊的熔敷效率，其效率對(duì)比如圖10所示。但該方法對(duì)于焊絲的制備要求較高，會(huì)增加焊接材料消耗的成本。

3 深熔焊接技術(shù)

傳統(tǒng)的高能束焊接具有能量密度集中、電弧挺度好、焊縫熔深大的特點(diǎn)，但在用于中厚板焊接時(shí)還存在許多問(wèn)題。如等離子弧焊槍頭體積大，在坡口焊道中施焊可達(dá)性較差;電子束焊需要在真空室內(nèi)進(jìn)行焊接，且工件焊前要進(jìn)行消磁處理，應(yīng)用場(chǎng)合受到限制;激光深熔焊對(duì)焊前坡口準(zhǔn)備和工件裝配精度的要求很高，增加了生產(chǎn)成本，難以普及應(yīng)用[38]。因此，人們將高能束熱源與傳統(tǒng)的焊接電弧進(jìn)行組合形成了高能束復(fù)合焊接工藝。這種工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)熱源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增加熔深的同時(shí)改善焊接質(zhì)量，而且適用的材料范圍廣，可用于鋼鐵、鋁合金等多種材料的焊接，近年來(lái)在各領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

3.1 等離子-MIG/MAG焊接

1972年荷蘭Philips公司提出了等離子-MIG復(fù)合焊，后來(lái)發(fā)展出同軸式和旁軸式等離子-MIG復(fù)合焊。同軸式等離子-MIG復(fù)合焊是將焊絲穿過(guò)銅制等離子弧噴嘴，焊接時(shí)MIG電弧包裹在噴嘴與工件之間產(chǎn)生的等離子弧中，焊接過(guò)程穩(wěn)定、無(wú)飛濺，焊絲熔敷效率大幅提高[39]。旁軸式等離子-MIG/MAG復(fù)合焊也稱為Super-MIG/MAG焊，由以色列激光技術(shù)（Plasma Laser Technologies，PLT）公司提出。其焊接示意如圖11所示，焊接時(shí)等離子弧為直流正接，在前方引導(dǎo)電弧，同時(shí)工件表面形成匙孔，MIG/MAG電弧為直流反接，在后方與等離子弧一同熔化焊絲并使之填充匙孔，形成大熔深、高質(zhì)量的焊縫[40]。與此同時(shí)，PLT公司還實(shí)現(xiàn)了Super-MIG/MAG焊槍的小型化，使焊接過(guò)程更加靈活，大大推動(dòng)了該工藝的商用進(jìn)程。烏克蘭巴頓焊接研究所對(duì)1～10 mm厚鋼-鋁異種材料的等離子復(fù)合高效焊接工藝進(jìn)行了研究，用于不同種類電子儀器及電力運(yùn)輸工具的制造。美國(guó)康明斯公司排氣管自動(dòng)焊車間使用了Super-MIG焊，生產(chǎn)效率得到提高，機(jī)器人使用數(shù)量大幅減少。Babcock Power公司在管子對(duì)接焊中采用該技術(shù)替代了原有的TIG焊，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，焊接效率提高了10倍[41]。

3.2 激光-MIG/MAG焊接

激光-MIG/MAG復(fù)合焊原理如圖12所示，采用激光可提高M(jìn)IG/MAG電弧的熔透能力，同時(shí)MIG/MAG電弧的作用又可以提高激光焊接的坡口適應(yīng)性，消除單激光焊接存在的缺陷。激光-MIG/MAG復(fù)合焊具有更高的焊接速度、更大的熔透深度、更低的熱輸入以及更高的抗拉強(qiáng)度，在汽車、造船、航天、油氣管道以及高速列車等領(lǐng)域都已進(jìn)入工程化應(yīng)用[42]。激光-MIG/MAG復(fù)合焊在國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，但近年來(lái)也逐漸成為各領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱門技術(shù)之一。西南交通大學(xué)的王偉等人[43]對(duì)3 mm厚的6N01S-T5鋁合金進(jìn)行了激光-MIG復(fù)合全熔透焊接試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了4.8 m/min高焊速下良好的焊縫成形。中車長(zhǎng)春軌道客車股份公司李凱等人[44]采用激光-MAG復(fù)合焊工藝，實(shí)現(xiàn)了高速列車轉(zhuǎn)向架12 mm厚S355J2W鋼無(wú)坡口T型接頭的單面焊雙面成形。徐工集團(tuán)將激光-MAG復(fù)合焊引入到起重機(jī)伸臂的焊接中，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，焊接效率提升了1倍。上海外高橋造船廠在建的郵輪薄板分段建造流水線將引入激光-MAG復(fù)合焊接工藝，可實(shí)現(xiàn)4～25 mm鋼板拼焊單面單道焊雙面成形，有效控制鋼板拼焊變形和分段精度，提升作業(yè)效率。隨著對(duì)工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化及其作用機(jī)理的進(jìn)一步深入研究，激光-MIG/MAG復(fù)合焊接在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

4 存在的問(wèn)題

4.1 打底焊的可靠性

在現(xiàn)有焊接技術(shù)條件下，對(duì)于厚度在6 mm以下的板材可以實(shí)現(xiàn)不開(kāi)坡口的熔透焊接，若板厚超過(guò)8 mm，一般都需要開(kāi)坡口進(jìn)行多層多道焊接。作為首道焊縫，打底焊接工藝的質(zhì)量和效率往往決定整個(gè)焊接接頭的質(zhì)量和焊接效率。傳統(tǒng)焊接方法中，非熔化極氣體保護(hù)焊由于焊接質(zhì)量高、可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形而被廣泛應(yīng)用于打底焊接，但該方法最大的缺點(diǎn)就是效率低;熔化極焊接方法焊接效率很高，但用于打底焊時(shí)卻難以保證成形。因此就高效率而言，傳統(tǒng)焊接方法都不是打底焊的最佳選擇，而現(xiàn)有的高效焊接方法在用于打底焊時(shí)，能否確保接頭背面成形良好、避免產(chǎn)生缺陷，將是這些工藝是否能應(yīng)用于中厚板焊接最基本的條件。

4.2 坡口適應(yīng)性

眾所周知，開(kāi)坡口是為了提高焊槍的可達(dá)性，確保焊縫熔透，受槍頭體積的影響，不同焊接方法所需的坡口大小也不一樣。如熱絲TIG焊、K-TIG焊及等離子弧焊等焊接方法由于槍頭體積過(guò)大，若應(yīng)用于打底焊接時(shí)，需要的坡口尺寸也就越大。而大尺寸的坡口必然會(huì)增加后續(xù)填充焊、蓋面焊的工作量，降低整體焊接效率。目前，復(fù)合焊接工藝發(fā)展迅速，采用雙熱源焊接必然增加焊槍體積，對(duì)小尺寸坡口的適應(yīng)性降低。因此如何優(yōu)化焊槍槍頭設(shè)計(jì)，獲得良好的焊槍可達(dá)性，不僅是提高焊接效率的必要條件，更是該工藝能否獲得廣泛應(yīng)用的重要前提。

4.3 裝配精度的適應(yīng)性

自動(dòng)焊接對(duì)裝配精度的要求普遍較高，且目前在打底焊接工藝中較多地采用壓縮電弧來(lái)增加其熔透能力，這種方法雖然增加了焊縫的熔深，但也削弱了電弧的搭橋能力，對(duì)裝配精度的要求又進(jìn)一步提高，焊前準(zhǔn)備工作量大大增加。在這種情況下，單純地加快焊接速度對(duì)于整體生產(chǎn)效率的提升效果有限。要發(fā)揮高效焊接的最大優(yōu)勢(shì)，需要從整體環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮，一方面要增加焊接工藝對(duì)間隙和錯(cuò)邊的適應(yīng)性，另一方面要采用合理的手段改進(jìn)前期裝配工藝、提高裝配精度，實(shí)現(xiàn)工件批量裝配的一致性。

4.4 接頭性能的影響

一般來(lái)說(shuō)，隨著熱源能量的集中，熱源的穿透能力越強(qiáng)、焊接殘余應(yīng)力越小、焊后變形越小、焊接質(zhì)量越高，但是高能量密度熱源在小線能量下焊接時(shí)，焊縫組織冷卻速度過(guò)快，容易產(chǎn)生馬氏體組織，反而對(duì)接頭性能的提升產(chǎn)生不利影響。在當(dāng)前工程應(yīng)用中，高強(qiáng)鋼的大量使用逐漸成為趨勢(shì)，此類材料具有較大的碳當(dāng)量，焊接性較差。這就需要在技術(shù)投入使用前，針對(duì)不同的焊接方法進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，制定合理的焊接工藝，以減少焊接缺欠，提高接頭性能。

4.5 過(guò)程傳感與控制

目前焊接自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)尚依賴于示教型機(jī)器人和焊接專機(jī)，此類設(shè)備的焊接精度完全依靠操作者目測(cè)決定，批量焊接時(shí)質(zhì)量受工件裝配精度的影響較大。因此，對(duì)復(fù)雜零部件進(jìn)行焊縫跟蹤以及焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的重要前提。在焊縫跟蹤方面，目前工業(yè)應(yīng)用最為普遍的是激光視覺(jué)傳感技術(shù)，該技術(shù)對(duì)長(zhǎng)直焊縫的跟蹤效果較好，但對(duì)于存在大量短焊縫的工件以及多層多道焊的傳感難度較大。在焊接熔透質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)方面，針對(duì)傳統(tǒng)的熔化極和非熔化極焊接過(guò)程分別發(fā)展出了溫度場(chǎng)檢測(cè)法和激光視覺(jué)熔池振蕩檢測(cè)法等檢測(cè)技術(shù)，但是對(duì)于新興的高效焊接方法，如何開(kāi)展焊接過(guò)程的檢測(cè)，確保焊縫質(zhì)量的一致性，是未來(lái)亟需解決的難題。

5 結(jié)論

（1）目前在中厚板的打底焊、填充蓋面焊以及深熔焊方面分別有多種高效焊接技術(shù)，部分工藝已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）焊接效率的提升是一個(gè)系統(tǒng)性工程，采用合理的工藝提高工件裝配精度、選擇適應(yīng)性強(qiáng)的焊接技術(shù)以減少焊前準(zhǔn)備及焊后處理工作、加強(qiáng)焊接過(guò)程控制降低焊后返修工作量，均可大幅度提高生產(chǎn)效率。

（3）不同的焊接工藝在質(zhì)量，成本及容錯(cuò)性等方面均有其優(yōu)勢(shì)和不足，因此，如何在現(xiàn)有高效焊接技術(shù)條件的基礎(chǔ)上發(fā)展出成本低、成品率高，容錯(cuò)性好的焊接工藝將是未來(lái)中厚板高效焊接技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

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Research progress on high-efficiency welding technology of moderate thick plate

SHI Yu1，2， WANG Wenkai1

（1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals， Lanzhou University of Technology， Gansu Lanzhou 730050， China; 2. Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing of State Education Ministry， Lanzhou University of Technology， Gansu Lanzhou 730050， China）

Abstract： Moderate thick plate is widely used in shipbuilding， steel structure construction， machinery manufacturing， pressure vessel manufacturing， and other engineering fields， and its welding is also one of an important link in industry production. The conventional welding technology of moderate thick plate with unstable quality and low degree of automation is complicated， and the welding efficiency is greatly restricted. Therefore， the development of high-efficiency welding technology for the moderate thick plate can improve the overall production efficiency of the industry， and is of great significance. In this paper， the principle， characteristics and development status of the typical high-efficiency welding methods in the fields of backing welding， filling welding， capping welding and deep penetration welding are summarized， and the existing problems in the engineering application of the high-efficiency welding technology are analyzed， and the development direction of high-efficiency welding technology for the moderate thick plate is pointed out.

Keywords： moderate thick plate; high-efficiency welding; development of welding technologies