窄间隙自动焊接技术及其应用-syc

窄间隙自动焊接技术及其应用-syc 1 河南机电高等专科学校毕业设计论文 河南机电高等专科学校 毕业设计论文 毕业论文题目:窄间隙自动焊接技术及其应用 。 2015年4月27日 2 河南机电高等专科学校毕业设计论文 窄间隙自动焊接技术及其应用 摘要:焊接技术是现代工业生产中不可缺少的先进技术，已经成为金属加工的重要手段之一。随着科学技术的不断发展，焊接技术越来越受到各行各业的密切关注，广泛应用于机械，冶金，电力锅炉和压力容器，建筑，桥梁，船舶，汽车，电子，航空航天，军工和军事装备等产业部门和海洋工程，核电工程，电子技术工程中。 窄间隙焊接技术是1963年美国巴特尔(Battelle)研究所提出的，1966年首次使用“窄间隙焊接”(Narrow Gap Welding，简写NGW)一词。此后，在世界范围内的焊接文献中便广泛使用起来。日本压力容器研究委员会施工分会给窄间隙焊接下了这样一个定义:窄间隙焊接是把厚度30mm以上的钢板,按小于板厚的间隙相对放置并开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法(板厚小于200mm时，间隙小于20mm;板厚超过200mm时，间隙小于30mm)。经过半个多世纪的研究和发展，人们对其焊接方法和焊接材料进行了大量的开发和研究工作，目前窄间隙焊接在许多国家的工业生产中都发挥着巨大的作用。 3 河南机电高等专科学校毕业设计论文 Abstract Welding technology is indispensable in modern industrial production of advanced technology, has become one of the important means of metal processing. With the continuous development of science and technology, welding technology by close attention from all walks of life, more and more widely used in machinery, metallurgy, electric power, boiler and pressure vessel buildings, Bridges, ships, cars, electronics, aerospace, military industry and military equipment and other industrial sectors and ocean engineering, power engineering, electronics engineering. Narrow Gap Welding technology is the United States in 1963 bateer (Battelle) research institute, for the first time in 1966 using the Narrow Gap Welding (Narrow Gap Welding, abbreviated NGW) a word. Since then, in the world within the scope of the welding is widely used in the literature. Research committee of Japan's pressure vessel construction branch to narrow gap welding under such a definition: a narrow gap welding is more than 30 mm thickness steel plate, the gap is smaller than the thickness of place and open groove, relative to mechanization and automation of welding methods (thickness is less than 200 mm, the gap is smaller than 20 mm; thickness of more than 200 mm, the gap is less than 30 mm). After more than half a century of research and development, people on the welding method and welding material carried out extensive research and development work, narrow gap welding in many countries now are playing an important role in industrial production. 4 河南机电高等专科学校毕业设计论文 目录 窄间隙自动焊接技术及其应用 ........................................ 1 1绪论 ......................................................................................................................................... 5 1.1课题的背景及意义 ...................................................................................................... 5 1.2大厚钢板的焊接 .......................................................................................................... 5 1.3厚钢板向高强度化发展的趋势 .................................................................................. 5 1.4抗拉强度为570MPa级厚钢板 .................................................................................... 6 1.5厚钢板的高韧性化 ...................................................................................................... 8 1.6大厚钢板发展的前景 .................................................................................................. 9 2窄间隙自动焊接技术的分类和原理 ....................................................................................10 2.1窄间隙埋弧焊 ............................................................................................................. 11 2.1.1窄间隙埋弧焊简介 .......................................................................................... 11 2.1.2窄间隙埋弧焊的焊接特性 ..............................................................................12 2.1.3工业上成熟的NG-SAW技术 ............................................................................14 2.2窄间隙熔化极气体保护焊 .........................................................................................15 2.2.1窄间隙熔化极气体保护焊简介 ......................................................................15 2.2.2工业上成熟的NG-GMAW技术 ..........................................................................16 2.3窄间隙钨极氩弧焊 .....................................................................................................16 2.4窄间隙焊条电弧焊 .....................................................................................................17 2.5窄间隙电渣焊 .............................................................................................................17 2.6窄间隙激光焊 .............................................................................................................18 3窄间隙焊接的应用现状 ..........................................................................................18 4窄间隙焊接的发展方向及其新进展 ....................................................................................21 5钢筋窄间隙焊在黄丹、雨城工程中的应用 ........................................................................23 5.1钢筋窄间隙焊的原理和特点 .....................................................................................24 5.2实例:STPA28(9Cr1MoVNb钢)，尺寸:φ600mm×,130mm制定出一套窄间隙自 动化焊接 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . ..................................................................................................................27 5.2.1母材分析 ..........................................................................................................27 4.2.2焊接工艺 ..........................................................................................................28 结论 ...........................................................................................................................................30 致谢 ...........................................................................................................................................31 参考文献 ...................................................................................................................................33 5 河南机电高等专科学校毕业设计论文 1绪论 1.1课题的背景及意义 随着焊接结构的大型化,要求采用越来越厚的钢板和得到越来越好的焊接接头性能。传统的大厚度钢板焊接方法不仅开坡口困难、焊接速度缓慢,而且焊后板材应力变形很大,从而使生产效率十分低下。窄间隙焊接不仅可大幅度地减少坡口截面积、大大减少焊缝金属的填敷量,而且在不太大的焊接热输入下,可以实现高效焊接,因而被作为一种经济的、能够得到优良力学性能的、变形小的优质焊接接头的焊接方法,广泛应用于各种大型重要结构。 本课题要求学习一种先进的焊接技术—窄间隙焊接。要求掌握窄间隙焊接工艺方法及焊接设备;能够针对不同材料、不同厚度的焊接结构制定出窄间隙焊接工艺方案及焊接设备选型。最终具备选用先进焊接方法和焊接设备的能力，以帮助企业提高焊接自动化水平。 1.2大厚钢板的焊接 厚钢板的定义可能有各种各样, 但本文是指采用 厚板轧机生产的厚度在 4. 5, 200mm 以上钢板。厚钢板制作的焊接构件涉及船舶、桥梁，建筑、大口 径管道管、压力容器和建筑机械等许多领域。对于这些焊接构件的安全性、设计的最佳化和制作成本的最低化已提出了 许多要求, 尤其是对降低寿命周 期成本等的要求正逐年变 得严格起来，同时用于制作这些焊接构件的厚钢板的性能也有很大的提高。 对最近几年已开发应用的厚钢板和正在开发的厚钢板及技术,从强度，韧性、焊接性、耐蚀性、抗疲劳特性和形状等方面对最新的厚钢板开发状况进行了归纳。虽然主要介绍的是厚钢板的特性,但对为实现这些特性而采用的独特的异性变态反应性生产技术和生产设备的改进也进行了介绍。另外,据此对今后厚钢板开发的发展趋势进行了评述。 1.3厚钢板向高强度化发展的趋势 为提高厚钢板的强度, 采取了 以微合金化为主的成分设计和控制轧 6 河南机电高等专科学校毕业设计论文 制、 快速冷却(TMCP) 或直接淬火回火(DQ -T )法等工艺相结合的方法进行开发。结果, 能使厚钢板的成分设计做到碳当量 ( Ceq) 或焊接裂纹敏感性指数( Pcm ) 比过去更低,因而既提高了强度,又提高了韧性,同时能省略焊接时为防止低温裂纹而进行的预热或减轻低温裂纹, 并能提高焊接部的韧性。 快速冷却是TMCP技术的基础之一,于1980 年开始被采用, 但最近在冷却开始的同时实现导热系数高的核沸腾现象的水冷却技术已开始应用于实际, 实现了 高的冷却性能和良好的冷却停止性能。 图1-1 图 1 示出采用 这些技术生产的厚钢板用于桥梁，建筑和压力水管(高压输水管)时抗拉强度(TS)570,980MPa 级厚钢板的 Ceq 和防止低温裂纹的预热温度的关系。不论是其中哪种 T S 等级的厚钢板, 其焊接施工时的预热温度都比以往主要通过淬火回火生产的厚钢板降低,如果是TS570 MPa 级厚钢板还可以省略预热。 1.4抗拉强度为570MPa级厚钢板 在桥梁建造行业主要使用TS为400,490MPa级的厚钢板,为适应主桁断面由1个构件1个断面构成的合理化桥梁,根据1996年对道路桥梁设 7 河南机电高等专科学校毕业设计论文 计施工 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的修订, 可使用的钢板厚度扩大至100m m。结果，高TS( 570MPa级)且板厚度大的钢板很快就被实际使用。其代表性钢种为超低碳贝氏体钢和形变热处理贝氏体钢。表1示出这两种钢和以往钢化学组成的比较。在Pcm低于0.2%时,能生产80mm以上的超厚钢板,还能省略焊接时的预热。 表 一 化学成分 板厚 抑制裂纹 开 的预热温 发 度 的 5 C Si Mn 其它 P cm mm ?C 7 0以往的0.13 0.25 1.4Cu Ni 0.280 100 MQ-T钢 4 CrMoV 4 P a超低碳贝0.02 0.31 1.5Cu Ni 0.183 常温 级氏体钢 4 CrNb B 8 厚 钢形变热处0.08 0.20 1.4Cr Mo 0.1 100 常温 板理贝氏体6 NbTi 9 和钢 以 往 钢的比较 超低碳贝氏体钢是一种已实际应用的焊接构件用厚钢板,其特征是碳含量大约只有以往钢的1/ 10 以下,这是前所未有的超低含碳量,在此基础上通过选择微合金化元素和优化添加量,形成了控制相变温度的超低碳0贝氏体单相组织。这种钢在加热温度超过Ac3 后的冷却过程中,当冷却速度范围大时,超低碳贝氏体组织保持不变,结果0如图2 所示的那样硬度基本保持不变。在冷却速度低的区域,由于硬度比以往钢的高, 因此利用 轧制后的空冷工艺能够生产 T S570M Pa 级厚钢板。 8 河南机电高等专科学校毕业设计论文 图1-2超低贝氏体钢和以往钢在加热到 930度后硬度随冷却速度的变化 另一方面,在冷却速度高的区域,与以往钢相比,它能控制硬化能,确保小线能量焊接时不产生焊接热影响区( HAZ)的硬化和良好的抗焊接裂纹性,同时能消除因钢板内冷却速度差而产生的显微组织变化所造成的强度偏差。另外，由于贝氏体单相组织的含碳量极低,因此母材和焊接部的韧性良好,同时也有利于抑制大线能量焊接时HAZ的软化。另一方面,形变热处理贝氏体钢由于添加了Nb,因此能进一步强化以往利用对未再结晶区域进行轧制的TMCP法,通过对奥氏体区进行强压下轧制 ,会导入许多位错,并在轧制后的急冷过程中将这种位错一直保持到相变后为止,从而能提高强度。与此同时,由于贝氏体组织群的细化,也有助于提高韧性。 1.5厚钢板的高韧性化 从提高焊接构件安全性的观点来看,厚钢板的韧性是非常重要的。此时用于提高焊接部和母材韧性的异性变态反应从原理上来看是相同的,但所要求的目的不同。焊接构件发生脆性断裂的部位大部分是在焊接处,因此从防止发生脆性断裂的观点来看,对焊接处的韧性提出了要求。作为所要求的韧性,不仅要求有能够比较简单就求出夏氏韧性值, 而且在许多情况下还要求根据破坏力学求出的裂纹尖端张开位移值等。另一方面,对母材的韧性要求主要是基于使焊接处发生的脆性断裂停止向母材传播的观点。作为提高焊接部和母材韧性的异性变态反应的方法是细化晶粒和添加N i等。尤其是为细化晶粒,广泛进行了以进一步提高焊接处和母材的韧性为主的研究开发。另外,最近还根据阪神淡路大地震造成建筑物倒塌的事故分析,研究了因地震等原因造成焊接构件出现大变形或焊接构件受到动载荷时出现断裂的原因和所要求的韧性值。对于焊接处的韧性 9 河南机电高等专科学校毕业设计论文 要求大部分是指焊接构件,作为对韧性要求特别严格的例子是海洋构件用厚钢板。从防止焊接构件发生断裂的观点来看,要求焊接热影响区的CTOD值要高。另外在近年来的能源开发中 ,焊接构件的使用温度已从以往的在北海等区域的使用温度-10?左右下降到最近具有代表性的在库页岛海上工程使用温度为-40?以下的环境中,为提高在这种低温环境下的HAZ韧性,因此从减小脆化组织、细化晶粒等观点来看,进行了以 T MCP 的应用为前提来优化组成和工艺的开发,结果开发出了能在-40?以环境中使用、焊接处韧性好、 屈服强度为350MPa级和420M Pa 级的海洋构件用厚钢板。 在造船领域，即使发生脆性破坏,为使船舶的损坏降到最小程度,有时要求母材具有脆性裂纹传播停止性能( 停止性能)。表面超细粒钢板是一种采用低成本就能提高脆性裂纹传播停止性能的厚钢板,它以钢板表层部作为2 m以下的超细粒铁素体组织( 图 3) ,可以提高表层部的断裂韧性值,即使裂纹扩展,也能使表层部形成大的传播阻力停止裂纹的传播。在厚板轧制过程中,通过对厚钢板进行强制冷却使表层部暂且转变为铁素体,然后利用钢板内部的显热,在表层回流复热过程中进行再轧制, 利用 再轧制后铁素体的再结晶就能形成这种表层部的超细铁素体组织。 图1-3表面超细粒钢表层部的显微组织 1.6大厚钢板发展的前景 如上所述, 最近焊接构件用厚钢板的发展非常显著。今后这种努力仍将继续下去,但为了实现进一步的发展,以下所述的观点是很重要的。 (1)从构件的总成本和寿命周 期成本最小化的观点来看的设计、材料开发、施工技术和维护管理技术融合的重要性。前述的焊接材料及焊接 10 河南机电高等专科学校毕业设计论文 技术和厚钢板的关联开发是材料开发和施工技术融合的例子,而且从寿命周期成本最小化的观点来看,桥梁用耐候性厚钢板的开发是设计、材料开发和维护管理技术融合的例子。后者在桥梁的设计建造中由 于使用耐候性厚钢板,因而实现了桥梁钢构件无需维护的目标,如果从使用100年时间的 寿命周期成本来 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ,可以减少巨大的维修费用。 (2)对地球环境的考虑。在汽车和家电等领域,由于考虑到环保,要求减少CO 2的排放。 为提高钢的强度、减少有害物质的排放,因此无铅、无铬化的技术开发愈演愈烈,钢铁行业也正在进行考虑这些因素的材料开发。因此未来厚钢板的使用将有很大改变。 11 河南机电高等专科学校毕业设计论文 2窄间隙自动焊接技术的分类和原理 窄间隙焊接技术按其所采取的工艺来进行分类，可分为窄间隙埋弧焊(NG-SAW)，窄间隙熔化极气体保护焊(NG-GNAW),窄间隙无极氩弧焊(NG-GTAW)，窄间焊条电弧焊，窄间隙电渣焊，窄间隙激光焊，每种焊接方法都有各自的特点和适用范围。 2.1窄间隙埋弧焊 2.1.1窄间隙埋弧焊简介 窄间隙埋弧焊出现在上世纪80年代，很快应用于工业生产它的主要领域 图2-1窄间隙埋弧焊机 是低合金钢厚 壁容器及其它重型焊接结构。窄间隙埋弧焊的焊接接头具有较高的抗延迟冷裂能力，其强度性能和冲击韧性优于床头那个坡口埋弧焊接头，与传统埋弧焊相比，总效率可提高50%-80%;可节约焊丝38%-50%，焊剂56%-64.7%。窄间隙埋弧焊已有各种单丝，双丝和多丝的成套设备出现，主要用于水平或接近水平位置的焊接，并且要求焊剂具有焊接时所需的载流量和脱渣效果，从而使焊缝具有合适的力学性能。一般采用多层焊，由于坡口间隙窄，层间清渣困难，对焊剂的清渣性能要求很高，尚需发展合适的焊剂。 尽管SAW工艺具有如下优点:高的熔敷速度，低的飞溅和磁偏吹，能 12 河南机电高等专科学校毕业设计论文 获得焊道形状好，质量高的焊缝，设备简单等，但是由于在填充金属焊剂和技术方面取得最新进展，是日本，欧洲和俄罗斯等国家和地区在焊接碳钢，低合金钢和高合金钢时广泛采用NG-SAW工艺。 NG-SAW用的焊丝直径在2-5mm之间，很少使用直径小于2mm的焊丝。据报道，最佳焊丝尺寸为3mm。4mm直径焊丝推荐给厚度大于140mm的钢板使用，而5mm直径焊丝则用于厚度大于670mm的钢板。 NG-SAW焊道熔敷方案的选择与许多因素有关。 单道焊仅在使用专为窄坡口内易于脱渣而开发的自脱渣焊剂时才采用。然而，尽管使用较高的坡口填充速度，单道焊方案较之多道焊方案仍有一些不足之处。除需要使用非 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 焊剂之外，它还要求焊丝在坡口内非常准确的定位，对间隙的变化有较严格的限制。对焊接参数，特别是电压的波动以及凝固裂纹的敏感性大，限制了这一工艺的适应性。单道焊在日本使用较多。 日本以外的其他国家广泛使 焊 接工 艺用多道焊，其特点是破口填充速度相当低，但其适应性高，产生缺陷少。尽管焊接成本较高，但这一方案的最重要之处在于，允许使用标准的或略为改进的焊剂，以及普通SAW焊接工艺。 2.1.2窄间隙埋弧焊的焊接特性 窄间隙焊接是在应用已有的焊接方法和工艺的基础上，加上特殊焊丝，保护气，电极向狭窄的坡口内导入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种专门技术。埋弧焊的优势和局限性就直接遗传给窄间隙埋弧焊技术特性，经济特性，应用特性和可靠性: (1)埋弧焊时电弧的扩散角度大，焊缝形状系数大，电弧功率大，再配合适当的丝-壁间距控制，无需像熔化极气体保护焊那样，必须采取较复杂的电弧侧偏技术，即埋弧焊方法的电弧热源及其作用特性，可直接解决两侧的融合问题，这是电弧焊接方法在窄间隙技术中应用比例最高的重要原因。 (2)焊接过程中能量参数的波动对焊接几何尺寸的影响敏感程度低。 13 河南机电高等专科学校毕业设计论文 这是由于埋弧焊接方法的电弧功率高，同样的电流波动量I，在埋弧焊时所引起的波动幅度要小得多。 (3)埋弧焊过程中熔滴为渣壁过渡，熔渣罩和固态焊剂的高效“阻挡”作用，根本不会产生飞溅，这是埋弧焊在所有熔化极弧焊方法中所独有的特性，正是窄间隙焊技所追寻的。因为深窄坡口内产生较大颗粒的飞溅，无论是诉讼死的稳定性，保护的有效性还是窄间隙焊枪的相对移动可靠性都将难以保证。 (4)在多层多方式焊接时，通过单道焊缝形状系数的调节，可以有效的控制母材焊接热影响区和焊缝区中粗晶区和细晶区的比例。通常焊缝形状细说越大，热影响和焊缝区的细晶区比例越大。这是由于焊道熔敷越薄，后续焊道对先前焊道的累积热处理作用越完，通过一次，二次甚至三次固态相变，使焊缝和热影响区中的部分粗晶区转变成细晶区，这对提高窄间隙技术中的焊态接头的组织均匀性和力学性能均匀性具有极其重要的意义。 埋弧焊方法依靠电弧自身特性而无需采取特别技术即可解决极小坡口面角度(0?-7?)条件下的侧壁融合难题;焊缝集合尺寸对电弧能量参数波动不敏感;无焊接飞溅的技术特性无条件的地遗传给窄间隙焊技术，从而极大的提高了窄间隙埋弧焊时送丝，送气及焊枪在坡口内移动的可靠性，这对保证窄间隙焊接的融合质量和过程可靠性起了决定作用。然而，埋弧焊方法的局限性也原原本本地遗传给了窄间隙技术: (1)由于狭窄坡口内单道焊接时极难清渣，使得窄间隙焊接时，必须采用每层2道(或3道)的熔敷方式，这将带来NG-SAW技术中，不可能吧填充间隙缩到像NG-TIG，NG-GMAW那样小(10mm左右)，而最小间隙一般也在18mm左右，这是NG-SAW在技术和经济上难以更理想化的根本原因。 (2)埋弧焊方法的诸多技术优势起源于大电弧功率，这将使得NG-SAW时焊接热输入增大，焊接接头的焊态塑韧性难以提高，重要的NG-SAW接头常常需要焊后热处理方可满足使用性能要求。 14 河南机电高等专科学校毕业设计论文 (3)难以实施平焊以外的其他空间位置的焊接。 2.1.3工业上成熟的NG-SAW技术 埋弧焊是目前工业领域应用最为广泛的焊接方法之一，也是应用到窄间隙技术最为成熟，最为可靠，应用比例最高的焊接方法。到目前为止，在工业上比较成熟的窄间隙埋弧焊技术有以下几种: (1)NSA技术它是日本川崎制钢公司为碳钢和低碳钢压力容器，海上钻井平台和机械制造而开发的NG-SAW。采用直焊丝技术及用陶瓷喷涂的特殊的扁平导电嘴。此技术采用单焊道，并采用单焊丝或串例双丝。焊丝直径3.2mm。MgO-BaO-SiO2-Al2O3为基本成分的特殊设计的KB-120中性焊剂转变能引起热膨胀，一直具有较好的脱渣性。 (2)Subnap技术 它是由日本钢铁焊接产品工程公司为碳钢和低合金钢NG-SAW开发的。它采用直焊丝，单焊道和单焊丝或串例双丝。焊丝直径3.2mm。为获得较好的脱渣性，特殊设计了主要成分分别为TiO2-SiO2-CaF2和CaO-SiO2-Al2O3-MgOde 两种焊剂。 (3)ESAB技术 它是瑞典NG-SAW设备和焊接材料制造厂家ESAB为压力容器和大型结构件的碳钢和低合金焊接而开发的。设计采用双焊道并采用固定弯丝。 (4)Ansaldo技术 它是由意大利米兰Ansaldo TPA Bread锅炉厂NG-SAW设备制造商和用户开发的。它采用固定弯曲单焊丝，每层熔敷多道焊。 (5)MAG-GHH技术 它是由西德MAG-GHH Sterkrade为反应堆室内部件制造而开发的。它采用单焊丝双焊道。 为进一步提高NG-SAW的填充效率，在单丝在单丝窄间隙埋弧焊接的基础上又开发了双丝，多丝焊接技术。焊丝排列可以采用串列，也可以采用并列的方式，但以串列者居多，以串列双丝焊接为例，可以采用双丝各指向一个坡口侧壁的方式，这样可以每层焊缝只需焊接一道，并保证侧壁具有良好的熔合效果。同时，多丝焊接时每条焊丝的化学成分可以不同，从而可以方便的调整焊缝金属的化学成分和组织。 15 河南机电高等专科学校毕业设计论文 2.2窄间隙熔化极气体保护焊 2.2.1窄间隙熔化极气体保护焊简介 窄间隙熔化极气体保护焊是1975年后研制成功的，这一工艺师在采用特殊的焊丝弯曲结构 以使焊丝保持弯曲，从而解决坡口侧壁的熔透问题之后得以实现的。 图2-2窄间隙熔化极保护焊 窄间隙熔化极气体保护焊是利用电弧摆动来达到焊接钢板两侧的一种方法。在平焊方法中，为了使I形坡口的两边充分焊透，使电弧指向破口两侧壁，采用了各种方法: (1)在焊丝进入平口前，使焊丝弯曲的方法。 (2)使焊丝在垂直于焊接方向上摆动的方法。 (3)麻花状绞丝的方法。 (4)药芯焊丝的交流弧焊方法。 (5)采用大直径实心的交流弧焊方法。 另外，也有采用30%的Ar气和70%的CO2气体作为保护气体于直径为1.6mm实心焊丝相配合的气体保护方法，用来焊接特殊形状复杂的接头。在横焊方法中，为了防止I形坡口内熔融金属下淌，以便得到均匀焊道，提出了如下焊接方法:利用焊接电流的周期性变化，使焊丝摆动或将破口分为上下层的焊接方法，以及将2种方式组合起来的焊接方法等。在立焊窄间隙MAG焊接方法中，为了保证破口两侧焊透，研制了摆动焊丝 16 河南机电高等专科学校毕业设计论文 的焊接方法以及焊接电流与焊丝摆动同步变化的焊接方法。 2.2.2工业上成熟的NG-GMAW技术 表面张力过渡技术采用了7个国家的20余项专利，最早于1993年由美国林肯公司的高级工程师Stava发表在Welding Joumal上。表面张力过渡技术源于短路过渡技术，但又不同于传统的短路过渡技术，它主要通过表面张力对熔滴的作用实现熔滴过渡。表面张力过度理论认为，从熔滴与熔池开始接触直到缩颈小桥断裂为止的熄弧期间，熔滴上没有等离子流利，电弧推力，斑点力，金属蒸汽反作用力等作用力，此时若不考虑重力与电磁力的作用，则熔滴完全在熔滴与熔池融合界面的表面张力作用下完成了熔池的铺展，缩颈，断裂，在短路期间内，缩颈小桥形成时与存在期间输出小的焊接电流与电弧电压，极大地减少了短路液态小桥的爆炸程度，从而减小飞溅。 表面张力过渡工艺是熔化极气体保护焊方法中短路过渡工艺技术的一次巨大技术进步，它具有以下技术优势: (1)飞溅率非常，熔滴成轴向过渡。 (2)焊接烟尘量小。 (3)作业环境更舒适(地烟尘，低飞溅，低光辐射)。 (4)低热输入条件下熔合优良。 (5)具有良好的打底焊道全位置单面焊双面成形能力。 (6)操作更容易，作业效率更高。 2.3窄间隙钨极氩弧焊 此种焊接工艺基本上不产生飞溅和熔渣，由于电弧的稳定性。也很少产生明显的焊接缺陷，并且也已确定立向全位置焊接的应用。但是这一方法的缺点在于工作效率低，为了提高工作效率，对填充焊丝通电加热的同时，还应采用热电阻线焊法，这种方法的有利方面是可以个别选择焊接电流和填充焊丝的送给量。但是，如果给予填充焊丝过多的通电量，会引起钨极惰性气体保护焊的磁冲击，形成的电弧不稳定。因此，采取将电弧电流和电线电流分别脉冲花或错开其相位，或将单方面的电流交 17 河南机电高等专科学校毕业设计论文 流化等措施。 超高强钢的使用促进了TIG焊在窄间隙焊接中的应用，一般认为TIG 焊是焊接质量最可靠的焊接工艺之一。由于氩气的保护作用，TIG焊可用于焊接一氧化的非铁金属及其合金，不锈钢，高温合金，钛及钛合金以及难熔的活性金属(如钼，铌，锆)等，其接头具有良好的韧性，焊缝金属中的氢含量很低。由于钨极的载流能力低，因而熔敷速度不高，应用领域比较狭窄，一般被用于打底焊以及重要的结构中。 2.4窄间隙焊条电弧焊 由于窄间隙焊接主要向机械化及自动化生产，焊条电弧焊在窄间隙生产中应用不多，而且焊接质量不好控制。但实际生产中，窄间隙焊条电弧焊具有其他焊接方法所不能替代的优势(如使用方便，灵活，设备简单等)，因此在某些领域中，如在大把建筑中用于钢筋的窄间隙焊接，解决了由于钢筋连接造成的钢筋偏心受力问题，成本仅为绑条焊的1/11; 对直径为18-40mm的I，II，III级钢筋均适用。 与其他NG技术比较，窄间隙焊条电弧焊应用非常有限。 2.5窄间隙电渣焊 图2-3窄间隙电渣焊焊缝 窄间隙电渣焊除了可以焊接各种钢材和铸铁外，还可以焊接铝及铝合金，镁合金，钛及钛合金以及铜。它广泛用于锅炉制造，重型机械和石 18 河南机电高等专科学校毕业设计论文 油化工等行业，近年来在桥梁建造中，窄间隙电渣焊被用于焊接25-75mm的平板结构。其焊剂，焊丝和电能的消耗量均比采用埋弧焊低，并且工件厚度越大，效果越明显，焊接接头产生淬火裂纹的倾向越小，与传统电渣焊相比，焊缝与热影响区的金属性能越高，可免除或简化焊后的热处理过程。但其设备比较庞大，同时对所用渣剂的脱渣性要求较高。 2.6窄间隙激光焊 由于激光焊焊接的板厚超过6mm时被列入厚板焊接，而激光焊的坡口宽度很小，此时可以认为是窄间隙激光焊机。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器，目前可焊厚度达50mm，深宽比高达12:1.激光焊接的焊缝在焊态下硬度很高，主要含马氏体组织，应进行焊后热处理。由于激光焊要求大功率的激光器，设备要求高，因此在生产领域中的应用是 有的限。 图2-4窄间隙激光焊 19 河南机电高等专科学校毕业设计论文 3窄间隙焊接的应用现状 窄间隙焊焊缝较好的力学性能，较低的残余应力与残余变形以及窄间隙高的焊接生产率与低的生产成本，决定着该技术在钢结构焊接领域客观上存在着巨大的应用潜力和广泛的应用范围。从技术角度上看，其诸多的技术优越性决定着该技术具有极大的诱惑力。但从经济角度上看，窄间隙焊接技术的确存在着一个经济板厚范围问题，即享有其技术优越性的同时，能获得显著经济效益的板厚范围。一般来讲，板厚越大，其经济效益越大。具有明显经济优越性的最小厚板，可称为窄间隙焊的下限厚板。该下限厚板随着结构钢种，结构可靠性要求，结构尺寸及空间位置而变化，但一般为20-30mm。上限板厚只取决于所开发的窄间隙焊技术焊枪可达深度，理论上不存在上限板厚限制焊枪。已有的窄间隙焊，焊接500-600mm板厚无任何技术障碍。 目前，窄间隙焊已成功地应用到工业生产中的许多方面，其具体分布结构见表一，二: 表一NGW应用领域分布表 NGW应用领域 利用率(%) 压力容器和锅炉 52.5 产业机械 25 海洋结构和造船 12.5 20 河南机电高等专科学校毕业设计论文 压力水管 10 表二 NGW利用率分布表 NGW方法 GMAW GTAW GSAW 利用率(%) 75 5 20 在经济建设中，许多大型钢结构，桥梁，舰船以及核反应堆上都要求采用大厚度钢板连接。我国焊接此类钢结构基本上停留于焊接电弧焊水平，窄间隙焊接应用极少，这不仅很难提高劳动生产率，而且焊接质量水平不高。 当前，大厚度钢板越来越广泛地应用于生产中，我国可在传统的焊条电弧焊基础上，加快利用窄间隙焊接的步伐。我国的窄间隙焊接技术可在借鉴国外偏重于机械式的基础上，利用先进的计算机控制技术，向机械和控制相结合的方面发展，从而成为其今后发展的一个方向。 21 河南机电高等专科学校毕业设计论文 4窄间隙焊接的发展方向及其新进展 窄间隙焊具有极高的焊接生产率，更优良的焊接力学性能，更小的焊接残余应力和残余变形，更低的焊接生产成本等显著技术与经济优势，将其归为先进制造技术，当之无愧。然而，迄今为止，该技术在厚板焊接领域的推广应用仍及其有限，我国不少行业至今年在应用上没有零的突破。要是窄间隙焊接技术更纯熟化，更实用化，技术经济优势更明显化，还应主要从以下方面加快技术和技术进步: (1)开发更低热输入的胡汉技术，以满足高强钢甚至高合金钢，空间位置适应性更宽等方面的需要。 (2)开发GMAW方法的超低飞溅率控制技术(包括电源)，以满足窄间隙自动焊工艺过程稿可靠性，高稳定性的需求。 (3)开发高抗干扰能力，高可靠性，高精度的自动跟踪技术，以满足焊枪在下窄坡口内安全可靠运行，电弧在破口内空间作用位置高度准确的需要。 进十年来，关于窄间隙焊接技术的研究，世界各地似乎都放满了速度，原因可能在于超低飞溅率控制技术和高可靠性的实时跟踪控制还未产生技术上的飞跃，而绝不是窄间隙焊技术已达到尽善尽美的状态，十分可喜的是，各国焊接专家们没有心灰意冷，自上世纪90年代以来在弧焊技 22 河南机电高等专科学校毕业设计论文 术产生质的飞跃而进行的不懈研究中，取得了令人兴奋的新进展，从而为窄间隙焊技术的快速发展奠定了基础。近十年来部分进展如下: (1)采用脉冲旋转射流技术，在低飞溅率的同时增强两侧壁的熔合;采用磁场控制窄间隙坡口内的电弧摆动。 (2)低飞溅率(,3%)表面张力过渡焊机已开发成功(美国Lincoln公司)，且已商品化; (3)采用计算机辅助控制的各种光电，激光等自动跟踪系统相继开发出来(如瑞典ESAB公司，美国Jellin公司以及国内数所大学等); (4)恒流CO2焊机，模糊控制半自动CNAW焊机(如日本)等新型电源相继开发出来(有的以商品化生产); (5)高熔敷速度,低飞溅率，无需层间清渣的药芯焊丝的开发，为窄间隙药芯焊丝电弧焊的应用提供了可能性; (6)高稳定度送丝机构(如双电机，四轮驱动等)已成功应用于常规GMAW方法中。 总之，近年来在GMAW领域开发出来的诸多新工艺，新设备，新装置，新器材，以及工业技术水平的不断提高，都为窄间隙焊的技术进步提供了新思路，新途径和新技术设备。在不久的将来会有更高效，更高质量，更低成本，更实用化的窄间隙焊接技术不断涌现出来。 23 河南机电高等专科学校毕业设计论文 5钢筋窄间隙焊在黄丹、雨城工程中的应用 随着水电工程的建筑和大型结构物的日益增多，现浇钢筋 结构中的钢筋连接技术、施工速度，工程质量和降低成本已成为一项非常突出的重要课题。长期以来，国内的水电施工中常采用的是绑扎、搭接焊、电渣焊、套筒连接和气压焊等工艺，这些连接方法在施工现场中都各有不同的特点和应用范围，但是传统的焊接方式不仅耗费钢材焊条和电能，而且生产效率低，受力条件差，难以满足工程工程质量和进度的要求，现 24 河南机电高等专科学校毕业设计论文 代钢筋连接技术，如电渣焊，瞬时耗电量大，焊接中对电源要求较严，否则将影响焊接质量和发生起弧困难，而且该焊接也只能作为竖向钢筋焊接，超过一定角度的倾向(倾斜度1:4)或水平钢筋则不能焊接;套筒连接虽然速度快，质量易保证，但连接一个接头成本较高，只限用于少量工程中(我局在大桥水库厂房工程中已用过此项技术)，不具备广泛的推广价值，气压焊与绑扎搭接焊相比，受力性好，节约钢材，成本低，但对钢筋制作要求严格，如钢筋接头端面要求光亮平整，不能有锈蚀或氧化层，这对施工现场来说是非常苛刻的条件，难以被工人接受。另外使用易燃易爆的可燃性气体很不安全，加之我国生产的钢筋含硅量较高，容易产生灰斑缺陷，严重影响接头质量。上述两种方法又都需购置较昂贵的专用设备和卡具，目前生产厂家的产品质量不稳定，返修率高，也相应的增加了生产成本。 钢筋窄间隙的研制成功，对高层建筑，交通行业和水电工程施工现浇钢筋 的钢筋连接已有了一个新的突破，他以投资少，质量可靠，效率高，见效快的优点被广泛的应用和推广，并得到日本建筑中心(BCJ-89)和建设部的认可。目前该技术在太平驿、黄丹、雨城、龙潭等水电站中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益和社会效益。 5.1钢筋窄间隙焊的原理和特点 钢筋窄间隙焊是将两钢筋的链接端头脂肪与专用的模具中，留有一定的间隙后并予以固定，然后采用手工电弧焊连接焊接，使熔敷金属填充间隙而形成接头的一种熔化焊接方法。由于在焊接过程中采用了小线能量短弧连续焊，一次成型的新工艺和焊模夹具具有储热，保温作用，防止了焊接接头的过热和脆化，保证了接头的质量，该方法适用于横向、竖向、斜向和环向钢筋的焊接。 该技术该钢筋偏心受力的搭接接头为中心受力的对接接头，不仅改善了钢筋的受力条件，而且保证了钢筋的设计位置，给施工提供了方便，他以常规的几种钢筋连接方法比较，具有以下特点; (1)施焊现场不需购置专用设备，只需制作简单的模具(中2.5kg)，配备有手工电弧焊机即可进行焊接，特别是适用于抢工期的大面积粗钢筋密集工作面的施工。 25 河南机电高等专科学校毕业设计论文 (2)该技术采用了小线能量，短弧连续焊、强制成型、自动排渣，自回火，一次焊成的新工艺。焊一个接头直径22mm的钢筋水平焊只需2min耗用1.5-2根焊条;竖向焊接一个接头直径22mm的钢筋只需4min，耗用2-2.5根焊条，且功效比传统的焊接提高4-6倍。 (3)焊接时只要求钢筋端面平整，采用锯割、气割、气割或电弧吹割等均可。 (4)该焊接方法，因由铜模的依托，大大地减少了对焊工操作的难度或经验的依赖性。 (5)操作简便，对水平钢筋焊接，焊工只需培训5-10天，竖直焊接只需培训10-15天即可上岗操作，另外，该焊接弧光小，焊缝金属飞溅少，减轻了焊工的工作条件。 (6)与其他钢筋连接方法比较成本降低51-94%，工效提高1.5-6倍。见下表。 表一 九种钢筋连接方法电耗、材料消耗的比较 序 连钢材焊接电能消时间合计金工效成本 接消耗消耗耗(元) (min额(元) 提高 降低 方(kg (kg ) (%) 法 元) 元) 1 绑4.83 0.52/0 16.9 94 扎 /18..12 9 2 绑2.7/0.8/50.3/0.20-24 15.17 5-6 92 焊9.45 .6 06 条 3 搭1.350.5/30.39/016-18 8.81 4.5 88 焊/4.7.5/ .08 26 河南机电高等专科学校毕业设计论文 接 5 4 坡1.0/0.6/4/ 16-18 7.78 4.5 88 口3.5 .2 焊 5 气0.14氧乙0.5/0.5-6 4.35 1.5 78 压/3.5 炔10 焊 /3.85 6 电0.14焊剂0.5/0.4-5 2.1 51 渣/0.5 /1.5 10 焊 7 锥13.9其他 15.98 93.6 螺8 费用2 0 纹 套 管 8 横9.82 1.2 11.02 90 向 挤 压 套 管 窄/ 0.14/4 4 1.02 间0.98 隙 焊 注:1.被焊钢筋直径为28mm，人工费未计算内; 27 河南机电高等专科学校毕业设计论文 2.钢筋按3500元/t，焊条7元/kg，电按0.2元/度计; 3.表中工效提高，成本降低两次指标是窄间隙比较其他各法比较的效果。 在滑坡处理中，窄间隙焊的应用非常成功，在效果及效益方面非常显著。在工程设计、处理方法先进;施工质量完全达到设计要求，从处理效果来看，经过五年暴雨的考验，未发现重新划破的迹象。以下 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 为钢窄间隙焊接应用的统计，不仅节约了大量的资金，还带来了客观的社会效益。 表二 刚窄间隙焊接应用统计 工程项目 焊接钢筋电量(t) 节约金额(万元) 太平驿电站 50 3.24 黄丹电站 310 20.13 雨城电站 160 10.39 龙潭电站 50 3.24 合计 570 37.00 5.2 STPA28(9Cr1MoVNb钢) 窄间隙自动化焊接方案 制定出一套窄间隙自动化焊接方案: 5.2.1母材分析 尺寸:φ600mm×,130mm 母材又称T/P91钢是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力;钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果;加入钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。 28 河南机电高等专科学校毕业设计论文 应用:此钢是美国上世纪七十年代研制开发的火力发电厂锅炉蒸汽管道、集热箱、再热器、蒸汽导管等用热强钢，该钢具有高的许用应力，高的持久强度，高的蠕变抗力，高的疲劳强度，高的热导率，良好的焊接性，较好的抗蚀性。 特点:先进的热强材料应具有以下的特点;具有较高的高温蠕变强度和抗氧化腐蚀性、较低的热膨胀系数、好的导热性，适宜高温作业，是一种物理性能较好的管道用热强钢，足够的疲劳断裂强度，长期的组织结构稳定性，在运行气氛中具有足够的抗热腐蚀的能力，良好的冷加工性，可焊性，运行监控和制造过程中无损检测的可测性。 4.2.2焊接工艺 采用焊条电弧焊封底的窄间隙埋孤焊工艺。 一、焊前准备 从上图中可以看出此钢为中合金耐热钢，在热切割之前，必须将切割边缘200mm宽度内预热150?以上。切割面要采用磁粉探伤检查是否尊在裂纹。对焊接坡口进行机械加工后，坡口面上的热切割硬化层要清除干净，必要时作表面应当加以鉴别。接头坡口形式和尺寸的设计原则是尽量减少焊缝的横截面积。坡口宽度为18-22mm。 1、检查坡口尺寸，并清理坡口内及其两侧20 mm内油、锈、氧化皮等污染直至露出金属光泽; 2、清理焊丝上油锈及污染;3、封底焊条进行350-400?，2小时烘干，焊前焊剂应进行300-350/2 h烘干。 二、焊接规范;由于窄间隙焊接的坡口狭窄，若焊接规范选择不当，焊道断面形状侧成不规则形状，容易产生热裂纹。特别是母材融合比较大的破口底部，因为受母材成分的影响，往往容易产生热裂纹，所以在焊接时要充分注意。 三、焊条电弧焊封底 1、焊条电弧焊采用E9015-B9焊条。 2、焊前应预热200-250?。 29 河南机电高等专科学校毕业设计论文 3、焊接过程应保持层间温度在250-300?度范围内。 4、焊后清理焊缝。 四、窄间隙埋孤焊 1、窄间隙埋孤焊焊丝采用EB9焊丝和B9焊剂。 2、焊前应预热至150-200度。 3、焊接过程层间温度应控制在150-300范围内。 4、焊接筒体纵缝时上下相对焊缝应交错焊以防止变形。首先焊图1中上焊缝的第一层单道焊缝，第二层以上采用两道焊。焊至30-40mm厚时，工件翻身焊下焊缝。既图2中的2区约30-400mm厚。其后又焊上焊缝的第三区约30-40 mm厚，在翻身焊下焊缝4区约30-400mm后交错焊满整个坡口。 5间隙埋孤焊焊接参数如下 6、焊接过程中段或焊后应该立即预热，温度为200-300?/2h。 7、焊后应进行730-770?不少于2h的焊后热处理。 五、填充材料化学成分 六、焊后检查 1、焊工自检焊缝成形，发现咬边自行修补。 30 河南机电高等专科学校毕业设计论文 2、所有焊缝进行100,射线探伤、超声探伤，并对焊缝内外表面进行100,磁粉探伤。 3、焊工应在指定位置上打上钢印。 结论 通过对厚板窄间隙焊接的研究，获得了以下主要结论: 1、在多层多方式焊接时，通过单道焊缝形状系数的调节，可以有效的控制母材焊接热影响区和焊缝区中粗晶区和细晶区的比例。通常焊缝形状细说越大，热影响和焊缝区的细晶区比例越大。这是由于焊道熔敷越薄，后续焊道对先前焊道的累积热处理作用越完，通过一次，二次甚至三次固态相变，使焊缝和热影响区中的部分粗晶区转变成细晶区，这对提高窄间隙技术中的焊态接头的组织均匀性和力学性能均匀性具有极其重要的意义。 2、埋弧焊方法的诸多技术优势起源于大电弧功率，这将使得NG-SAW时焊接热输入增大，焊接接头的焊态塑韧性难以提高，重要的NG-SAW接头常常需要焊后热处理方可满足使用性能要求。 3、由于激光焊焊接的板厚超过6mm时被列入厚板焊接，而激光焊的坡口宽度很小，此时可以认为是窄间隙激光焊机。厚板的激光焊普遍采用高功率CO2激光器，目前可焊厚度达50mm，深宽比高达12:1.激光焊接的焊缝在焊态下硬度很高，主要含马氏体组织，应进行焊后热处理。由于激光焊要求大功率的激光器，设备要求高，因此在生产领域中的应用是有限的。 4、窄间隙焊焊缝较好的力学性能，较低的残余应力与残余变形以及窄间隙高的焊接生产率与低的生产成本，决定着该技术在钢结构焊接领域客 31 河南机电高等专科学校毕业设计论文 观上存在着巨大的应用潜力和广泛的应用范围。从技术角度上看，其诸多的技术优越性决定着该技术具有极大的诱惑力。但从经济角度上看，窄间隙焊接技术的确存在着一个经济板厚范围问题，即享有其技术优越性的同时，能获得显著经济效益的板厚范围。一般来讲，板厚越大，其经济效益越大。具有明显经济优越性的最小厚板，可称为窄间隙焊的下限厚板。该下限厚板随着结构钢种，结构可靠性要求，结构尺寸及空间位置而变化，但一般为20-30mm。上限板厚只取决于所开发的窄间隙焊技术焊枪可达深度，理论上不存在上限板厚限制焊枪。已有的窄间隙焊，焊接500-600mm板厚无任何技术障碍。 致谢 首先感谢本人的导师李兴霞老师，她对我的仔细审阅了本文的全部内容并对我的毕业设计内容提出了许多建设性建议。李兴霞老师渊博的知识，诚恳的为人，使我受益匪浅，在毕业设计的过程中，特别是遇到困难时，他给了我鼓励和帮助，在这里我向他表示真诚的感谢～ 感谢母校——河南机电高等专科学校的辛勤培育之恩～感谢材料工程系给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握了一定的操作技能。 感谢和我在一起进行课题研究的同窗刘玉齐、寇何冲同学，和他们在一起讨论、研究使我受益非浅。 32 河南机电高等专科学校毕业设计论文 最后，我非常庆幸在三年的的学习、生活中认识了很多可敬的老师和可 亲的同学，并感激师友的教诲和帮助～ 33 河南机电高等专科学校毕业设计论文 参考文献 [1] M eister R P, M artin D C. 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