新型焊接工艺研究
作者 :  杨潇然

  摘要:焊接技术是工业工程和材料科学发展中的一种很关键的技术。随着材料学的发展和焊接条件要求的提高,传统的焊接技术已经逐渐不能满足现代化的焊接需求。本文简单介绍了传统的焊接工艺分类,主要分析了新型的焊接技术水下焊接,并对它的特点和未来发展趋势作了详尽的分析。
  关键词:传统焊接;水下焊接
  随着现代工业的发展,对结构和材料的要求越来越高,如造船和海洋工程要求解决大面积拼板、大型立体框架结构自动焊及各种低合金高强钢的焊接问题;石油化学工业要求解决各种耐低温及耐各种腐蚀性介质压力容器的焊接问题;航空航天工业中要求解决铝、钛等轻合金结构的焊接问题;重型机械工业中要求解决大截面构件的拼接问题;电子及精密仪表制造工业要求解决微精密焊件的焊接问题。因此,优质、高效、节能的现代焊接技术正逐步取代能耗大、效率低和工作环境差的传统焊条电弧焊焊接工艺,焊接技术结构性的转变必将对装备制造业技术水平与生产能力的提升发挥更加重要的作用。
  1.传统焊接工艺简介
  传统上焊接更多地被认为是一种技艺而不是技术性很强的制造方法。很多传统焊接方法严重依赖于操作人员的熟练程度,还有很多传统焊接方法相对生产成本较高而且工艺重复性很差。但事实上,虽然焊接过程可能是一个多物理场耦合的复杂过程,国际上仍然开展了大量的高水平研究,人们对焊接过程中的很多基本物理现象有了更深入的了解,这些研究为焊接工艺技术的飞速发展提供了科学基础。金属焊接方法有40种以上,主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。
  (1)熔焊熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态,不加压力完成焊接的方法。熔焊时,热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化,形成熔池。熔池随热源向前移动,冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。为了提高焊接质量,人们研究出了各种保护方法。例如在钢材焊接时,在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧,就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池,冷却后获得优质焊缝。
  (2)压焊是在低于被焊金属熔点的温度下,不添加填充金属,施加一定的压力,使接头产生必要的塑性变形,实现焊接的方法。各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程,因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损,和有害元素侵入焊缝的问题,从而简化了焊接过程,也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短,因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料,往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。
  (3)钎焊钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料,将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度,利用液态钎料润湿工件,填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散,从而实现焊接的方法。焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用,而发生组织和性能变化,这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同,焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象,也使焊件性能下降,恶化焊接性。这就需要调整焊接条件,焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。
  2.新型焊接工艺——水下焊接
  水下焊接由于水的存在,使焊接过程变得更加复杂,并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题。由于水对光线的吸收、反射及折射作用,使光线在水中传播的距离显著缩短,水下电弧的能见度非常低,加上电弧周围产生的气泡影响,严重妨碍了潜水焊工技术的正常发挥。另外,水的热传导系数较高,约为空气的20倍左右。在湿法焊接时,往往易出现高硬度的淬硬组织。因此,水下焊缝含氢量一般都较高,容易引起氢脆或诸如白点及冷裂纹等缺陷。
  水下焊接有干法、湿法和局部干法三种。
  (1)干法焊接
  干法焊接是指把包括焊接部位在内的一个较大范围内的水人为地排开,使潜水焊工能在一个干的气相环境中进行焊接的方法,即焊工在水下一个大型干式气室中焊接。这种方法多用于深水,需要预热或焊后热处理的材料,或质量要求很高的结构的焊接。与湿法和局部干法焊接相比,干法焊接安全性最好,但使用局限性很大,应用不普遍。
  (2)湿法焊接
  湿法焊接是焊工在水下直接施焊,而不是人为地将焊接区周围的水排开的水下焊接方法。电弧在水下燃烧与埋弧焊相似,是在气泡中燃烧的。焊条燃烧时焊条上的涂料形成套筒使气泡稳定存在,因而使电弧稳定,如图8-1所示。要使焊条在水下稳定燃烧,必须在焊条芯上涂一层一定厚度的涂药,并用石蜡或其他防水物质浸渍的方法,使焊条具有防水性。气泡由氢、氧、水蒸气和由焊条药皮燃烧产生的气泡;浑浊的烟雾生的其他氧化物。为克服水的冷却和压力作用造成的引弧及稳弧困难,其引弧电压要高于大气中的引弧电压,其电流较大气中焊接电流大15%~20%。水下湿法焊接与干法和局部干法焊接相比,应用最多,但安全性最差。由于水具有导电性,因此防触电成为湿法焊接的主要安全问题之一。(3)局部干法焊接
  局部干法焊接是用气体把正在焊接的局部区域的水人为地排开,形成一个较小的气相区,使电弧在其中稳定燃烧的焊接法。由于它降低了水的有害影响,使焊接接头质量比湿法焊接得到明显改善。与干法焊接相比,无需大型昂贵的排水气室,适应性明显增大。它综合了湿法和干法两者的优点,是一种较先进的水下焊接方法,也是当前水下焊接研究的重点与方向。
  3.未来发展趋势
  未来水下焊接技术主要朝着智能化和自动化方面发展。自动化体现在轨道焊接系统和水下焊接机器人系统,焊接过程自动监控,焊接质量好,节省工时,而且减轻潜水员的工作强度是目前的发展方向。自动化的应用时遥控焊接,可以突破潜水焊工所能达到的水深限制。目前较为成熟的是轨道焊接系统。它采用模块结构,维护简单。但轨道焊接受安装和维护的限制,水深不超过600 m。最近快速发展的水下焊接机器人系统具有更大的灵活性,在高压干法焊接下,可进行GTWA、GMAW 及FCAW 焊接,在水深1100 m 仍能得到满意的焊接质量。水下爬壁焊接机器人系统在激光装置的引导下可更加灵活地实现焊缝和缺陷的检测与控制,并有利于焊接质量的提高。由于水深的影响,送丝系统是水下焊接的一个难点,一种新型高可靠性的水下翻转和送丝反馈系统已经得到应用。
  4.总结
  未来的焊接工艺,一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料,以进一步提高焊接质量和安全可靠性,如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源;运用电子技术和控制技术,改善电弧的工艺性能,研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平,如焊机实现程序控制、数字控制;研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机;在自动焊接生产线上,推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人,可以提高焊接生产水平,改善焊接卫生安全条件。
  参考文献
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