窄間隙焊要求

1、1 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接逐步成為制造業(yè)，尤其是裝備制造業(yè)中的重要加工手段。由于焊接結(jié)構(gòu)具有制造周期短、效率高、成本低、質(zhì)量好等優(yōu)點，焊接技術(shù)在制造業(yè)中占有重要地位。尤其是在石油、化工、電力設(shè)備制造和汽車制造、航空制造等技術(shù)中，焊接都扮演者重要角色。在改革開放以來的20多年里焊接技術(shù)得到了快速發(fā)展和提高，先進的設(shè)備和工藝都已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，例如電子束、激光束、等離子束、焊接機器人工作站、焊接柔性生產(chǎn)系統(tǒng)、窄間隙焊接技術(shù)、磁控寬帶極堆焊技術(shù)、雙絲高效氣體保護焊技術(shù)、全數(shù)字化焊接電源、熔滴過渡與熔透控制技術(shù)、攪拌摩擦焊技術(shù)等等。對于大口徑管線環(huán)焊縫的焊接，無論從內(nèi)壁還是外壁焊接，技術(shù)、設(shè)備和

2、焊接工藝都已非常成熟，但是對于小口徑，管內(nèi)徑小于100mm的管線，從內(nèi)壁焊接環(huán)焊縫，存在一定難度，主是焊接方法，用手工電焊條焊接，焊縫離管口近時，勉強可以焊接，但效率低；采用其它方法，由于管徑小，操作受到限制，必須采用專用的設(shè)備才可進行焊接。溫州地區(qū)是我國的泵閥之鄉(xiāng)，有很多的泵、閥生產(chǎn)企業(yè)，部分企業(yè)在生產(chǎn)中經(jīng)常碰到小口徑閥體的內(nèi)壁環(huán)焊縫的焊接，由于企業(yè)技術(shù)人員和高級技術(shù)工人不足，要解決小口徑管內(nèi)壁環(huán)焊縫焊接工藝問題，有一定的難度。圖一為某閥門廠小口徑高壓閥體，其內(nèi)壁的A處要求焊接，由于口徑小，操作受到限制。溫州地區(qū)小口徑閥體內(nèi)環(huán)縫的焊接數(shù)量較多，焊縫距管口較遠，都在100mm以上，現(xiàn)大多采用手

3、工電弧焊，有的情況下要將焊條彎曲才能焊接，焊接效率低，且在預(yù)熱焊接時，焊接環(huán)境艱苦，很難保證焊接質(zhì)量。本研究的目的是研制一套專用的焊接設(shè)備，同時利用蘭州理工大學(xué)現(xiàn)有的活性焊劑氬弧焊技術(shù)(A-TIG焊)，解決閥門廠小口徑閥體內(nèi)管壁環(huán)焊縫焊接技術(shù)。 閥體內(nèi)環(huán)縫的焊接方法，與管材內(nèi)環(huán)縫的焊接是相同的。大口徑管材的焊接，無論從內(nèi)壁還是外壁焊接，工藝、技術(shù)都非常成熟。大都采用自動焊工藝，如埋弧焊、CO2氣體保護焊等；且自動化程度很高，如全自動管焊機。小口徑的管材對接的環(huán)焊縫，大都從外壁焊接，采用單面焊雙面成型技術(shù)，只有外部無法焊接的特殊工件?；钚院竸寤『福ê喎QA-TIG焊），最早由烏克蘭巴頓焊接研究所

4、在2O世紀(jì)6O年代研制，并應(yīng)用于能源、化工和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。20世紀(jì)末期，英國TwI和美國EWI對ATIG進行了研究，并轉(zhuǎn)入實際應(yīng)用，其中EWI的活性劑FSS-7已經(jīng)用于海軍艦艇的制造中。2l世紀(jì)初，巴頓焊接研究所(PWI)已將ATIG技術(shù)應(yīng)用于焊接核反應(yīng)堆管子部件、汽車胎環(huán)、氧氣鋼瓶、汽車壓縮空氣鋼瓶、高壓罐等工業(yè)領(lǐng)域。我國國內(nèi)的研究起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室的劉鳳堯等人和甘肅工業(yè)大學(xué)的樊丁等人都對其進行了研究。在相同的焊接規(guī)范下，同常規(guī)的TIG焊相比，ATIG焊可以大幅度提高焊接熔深，而不增加正面焊縫寬度。目前ATIG焊可以用于焊接不銹鋼、碳鋼、鎳基合金和鈦合金

5、等材料。同傳統(tǒng)的TIG焊相比，ATIG焊可以提高生產(chǎn)率2. 6倍 ，降低生產(chǎn)成本，同時還可以減小焊接變形，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。A-TIG焊是在原有TIG焊的條件下，焊接前在母材表面涂上一薄層活性焊劑(厚度約0.1mm )，此焊劑為無機物粉末和揮發(fā)性液體介質(zhì)(如丙酮等)的混合物，揮發(fā)性液體介質(zhì)揮發(fā)后，留下活性焊劑。焊接時在電弧作用下，焊劑蒸發(fā)，其中的活性組分直接轉(zhuǎn)移至等離子區(qū)，與電弧發(fā)生相互作用，使電弧中的電子數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，電弧導(dǎo)電性能減弱，結(jié)果造成電弧自動產(chǎn)生壓縮，熱量集中、電弧力集中，電弧的壓縮可增強陽極焊縫根部的電流密度(1.52倍)和電弧強度(1.52.5倍)，從而使焊接熔深增加。

6、烏克蘭巴頓電焊所的薩維茨基博士已成功的將A-TIG焊應(yīng)用于碳鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼和珠光體鋼管道的全位置焊接接頭。A-TIG焊由于高效、省電、使用方便，將會廣泛應(yīng)用。本文研究的主要內(nèi)容為以下幾點：1）直角氣體保護焊槍的設(shè)計與制造 小直徑管內(nèi)焊接，由于受到空間的限制， 焊槍要求體積小，只能采用90°直角槍，直角槍彎曲半徑小，焊絲的送進受到較大的阻力，焊槍的設(shè)計與制造是能否進行焊接的關(guān)鍵。2） 焊縫的跟蹤控制 閥體口徑小，焊槍要放入閥體內(nèi)，要保證焊槍準(zhǔn)確的對準(zhǔn)焊縫，還要放入焊槍的跟蹤、定位、監(jiān)控等設(shè)施。焊接過程中的跟蹤是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。3） 小體積大電流氬弧焊槍的研制ATIG焊焊接

7、時，要將10mm左右的焊縫一次熔透，要求焊接電流在250A左右，要將焊槍放入閥體內(nèi)部，焊槍體積要求小，且要通水冷卻，成功的關(guān)鍵在于焊槍的設(shè)計。4） 焊槍的擺動系統(tǒng) 高溫高壓閥體閥內(nèi)壁比較厚，需要多層多道焊接才能填滿焊縫，擺動可提高焊接效率，擺動的頻率、幅度、形式對焊接效率、質(zhì)量有很大影響，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。2機構(gòu)部分 2.1示意圖一 焊接設(shè)備示意圖: 2.2焊槍一 焊槍的設(shè)計管內(nèi)堆焊時， 焊絲和管壁軸線方向的夾角可以不是90°；而焊接內(nèi)壁環(huán)焊縫時，由于有坡口，焊絲和管壁軸線方向的夾角必須在90°左右。氣體保護焊焊槍的夾角一般在120°100°，管徑大時，

8、可以抬高焊槍的尾部，獲得焊絲和管壁軸線方向的夾角在90°左右。從管內(nèi)壁焊接小口徑管材，由于管徑小，焊槍在管內(nèi)受到限制，要求焊槍的夾角為90°，焊絲的送進、焊接過程的跟蹤、監(jiān)控等很難實現(xiàn)。尤其是直徑小于100mm的管材。 上圖表示管內(nèi)堆焊和對接時焊槍夾角的區(qū)別二 焊槍示意圖: 第一部分 緒論一、立項的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接逐步成為制造業(yè)，尤其是裝備制造業(yè)中的重要加工手段。由于焊接結(jié)構(gòu)具有制造周期短、效率高、成本低、質(zhì)量好等優(yōu)點，焊接技術(shù)在制造業(yè)中占有重要地位。尤其是在石油、化工、電力設(shè)備制造和汽車制造、航空制造等技術(shù)中，焊接都扮演者重要角色。在改革開放以來的20

9、多年里焊接技術(shù)得到了快速發(fā)展和提高，先進的設(shè)備和工藝都已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，例如電子束、激光束、等離子束、焊接機器人工作站、焊接柔性生產(chǎn)系統(tǒng)、窄間隙焊接技術(shù)、磁控寬帶極堆焊技術(shù)、雙絲高效氣體保護焊技術(shù)、全數(shù)字化焊接電源、熔滴過渡與熔透控制技術(shù)、攪拌摩擦焊技術(shù)等等。對于大口徑管線環(huán)焊縫的焊接，無論從內(nèi)壁還是外壁焊接，技術(shù)、設(shè)備和焊接工藝都已非常成熟，但是對于小口徑，管內(nèi)徑小于100mm的管線，從內(nèi)壁焊接環(huán)焊縫，存在一定難度，主是焊接方法，用手工電焊條焊接，焊縫離管口近時，勉強可以焊接，但效率低；采用其它方法，由于管徑小，操作受到限制，必須采用專用的設(shè)備才可進行焊接。溫州地區(qū)是我國的泵閥之鄉(xiāng)，有很多的

10、泵、閥生產(chǎn)企業(yè)，部分企業(yè)在生產(chǎn)中經(jīng)常碰到小口徑閥體的內(nèi)壁環(huán)焊縫的焊接，由于企業(yè)技術(shù)人員和高級技術(shù)工人不足，要解決小口徑管內(nèi)壁環(huán)焊縫焊接工藝問題，有一定的難度。圖一為某閥門廠小口徑高壓閥體，其內(nèi)壁的A處要求焊接，由于口徑小，操作受到限制。溫州地區(qū)小口徑閥體內(nèi)環(huán)縫的焊接數(shù)量較多，焊縫距管口較遠，都在100mm以上，現(xiàn)大多采用手工電弧焊，有的情況下要將焊條彎曲才能焊接，焊接效率低，且在預(yù)熱焊接時，焊接環(huán)境艱苦，很難保證焊接質(zhì)量。本研究的目的是研制一套專用的焊接設(shè)備，同時利用蘭州理工大學(xué)現(xiàn)有的活性焊劑氬弧焊技術(shù)(A-TIG焊)，解決閥門廠小口徑閥體內(nèi)管壁環(huán)焊縫焊接技術(shù)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢閥體

11、內(nèi)環(huán)縫的焊接方法，與管材內(nèi)環(huán)縫的焊接是相同的。大口徑管材的焊接，無論從內(nèi)壁還是外壁焊接，工藝、技術(shù)都非常成熟。大都采用自動焊工藝，如埋弧焊、CO2氣體保護焊等；且自動化程度很高，如全自動管焊機。小口徑的管材對接的環(huán)焊縫，大都從外壁焊接，采用單面焊雙面成型技術(shù)，只有外部無法焊接的特殊工 圖一 閥體內(nèi)壁焊接位置，A處為要求焊接的環(huán)焊縫，L隨口徑變化件，如上述的閥體內(nèi)壁的環(huán)焊縫，從內(nèi)壁焊接。哈爾濱鍋爐廠用氣體保護焊，為內(nèi)徑約為150mm的管材，從內(nèi)壁進行堆焊。管內(nèi)堆焊和管內(nèi)環(huán)焊縫的焊接有差別，如圖二所示。管內(nèi)堆焊時， 焊絲和管壁軸線方向的夾角可以不是90°；而焊接內(nèi)壁環(huán)焊縫時，由于有坡口，

12、焊絲和管壁軸線方向的夾角必須在90°左右。氣體保護焊焊槍的夾角一般在120°100°，管徑大時，可以抬高焊槍的尾部，獲得焊絲和管壁軸線方向的夾角在90°左右。從管內(nèi)壁焊接小口徑管材，由于管徑小，焊槍在管內(nèi)受到限制，要求焊槍的夾角為90°，焊絲的送進、焊接過程的跟蹤、監(jiān)控等很難實現(xiàn)。尤其是直徑小于100mm的管材。 圖二 管內(nèi)堆焊和對接時焊槍夾角的區(qū)別活性焊劑氬弧焊（簡稱A-TIG焊），最早由烏克蘭巴頓焊接研究所在2O世紀(jì)6O年代研制，并應(yīng)用于能源、化工和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。20世紀(jì)末期，英國TwI和美國EWI對ATIG進行了研究，并轉(zhuǎn)入實際應(yīng)用

13、，其中EWI的活性劑FSS-7已經(jīng)用于海軍艦艇的制造中。2l世紀(jì)初，巴頓焊接研究所(PWI)已將ATIG技術(shù)應(yīng)用于焊接核反應(yīng)堆管子部件、汽車胎環(huán)、氧氣鋼瓶、汽車壓縮空氣鋼瓶、高壓罐等工業(yè)領(lǐng)域。我國國內(nèi)的研究起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室的劉鳳堯等人和甘肅工業(yè)大學(xué)的樊丁等人都對其進行了研究。在相同的焊接規(guī)范下，同常規(guī)的TIG焊相比，ATIG焊可以大幅度提高焊接熔深，而不增加正面焊縫寬度。目前ATIG焊可以用于焊接不銹鋼、碳鋼、鎳基合金和鈦合金等材料。同傳統(tǒng)的TIG焊相比，ATIG焊可以提高生產(chǎn)率2. 6倍 ，降低生產(chǎn)成本，同時還可以減小焊接變形，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。A-T

14、IG焊是在原有TIG焊的條件下，焊接前在母材表面涂上一薄層活性焊劑(厚度約0.1mm )，此焊劑為無機物粉末和揮發(fā)性液體介質(zhì)(如丙酮等)的混合物，揮發(fā)性液體介質(zhì)揮發(fā)后，留下活性焊劑。焊接時在電弧作用下，焊劑蒸發(fā)，其中的活性組分直接轉(zhuǎn)移至等離子區(qū)，與電弧發(fā)生相互作用，使電弧中的電子數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，電弧導(dǎo)電性能減弱，結(jié)果造成電弧自動產(chǎn)生壓縮，熱量集中、電弧力集中，電弧的壓縮可增強陽極焊縫根部的電流密度(1.52倍)和電弧強度(1.52.5倍)，從而使焊接熔深增加。烏克蘭巴頓電焊所的薩維茨基博士已成功的將A-TIG焊應(yīng)用于碳鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼和珠光體鋼管道的全位置焊接接頭。三、 研究開發(fā)內(nèi)容和

15、技術(shù)關(guān)鍵1、研究內(nèi)容經(jīng)調(diào)研，高溫高壓閥體需要從內(nèi)壁焊接的內(nèi)徑最小為42mm，大的很大，但到340mm以上時，由于空間較大，易于焊接。所以本研究從最小內(nèi)經(jīng)42mm開始，分為42100mm、100340mm兩段進行研發(fā)。1） 研制內(nèi)徑為42100mm高溫高壓閥體內(nèi)壁環(huán)縫焊接的專用設(shè)備以及焊接工藝；2） 研制內(nèi)徑為100340mm高溫高壓閥體內(nèi)壁環(huán)縫焊接的專用設(shè)備以及焊接工藝；3） 研制內(nèi)徑為42100mm高溫高壓閥體內(nèi)環(huán)縫的ATIG焊焊接專用設(shè)備以及焊接工藝；4） 研制小管徑內(nèi)焊槍的自動跟蹤系統(tǒng)及研制跟蹤裝置；5） 制作焊接轉(zhuǎn)臺：6） 閥門材料焊接工藝研究，探討ATIG焊在閥門材料中的應(yīng)用范圍。優(yōu)

16、選出10種以上閥門材料的焊接工藝，通過焊接工藝評定：2、關(guān)鍵技術(shù)1）直角氣體保護焊槍的設(shè)計與制造 小直徑管內(nèi)焊接，由于受到空間的限制， 焊槍要求體積小，只能采用90°直角槍，直角槍彎曲半徑小，焊絲的送進受到較大的阻力，焊槍的設(shè)計與制造是能否進行焊接的關(guān)鍵。5） 焊縫的跟蹤控制 閥體口徑小，焊槍要放入閥體內(nèi)，要保證焊槍準(zhǔn)確的對準(zhǔn)焊縫，還要放入焊槍的跟蹤、定位、監(jiān)控等設(shè)施。焊接過程中的跟蹤是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。6） 小體積大電流氬弧焊槍的研制ATIG焊焊接時，要將10mm左右的焊縫一次熔透，要求焊接電流在250A左右，要將焊槍放入閥體內(nèi)部，焊槍體積要求小，且要通水冷卻，成功的關(guān)鍵在于焊槍

17、的設(shè)計。7） 焊槍的擺動系統(tǒng) 高溫高壓閥體閥內(nèi)壁比較厚，需要多層多道焊接才能填滿焊縫，擺動可提高焊接效率，擺動的頻率、幅度、形式對焊接效率、質(zhì)量有很大影響，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。8） 閥門材料焊接工藝研究及ATIG焊在閥門材料中的應(yīng)用 高溫高壓閥門多用在石油化工、電力行業(yè)，對所用材料本身和材料的焊接要求非常嚴(yán)格，基本上為耐熱鋼和高溫合金。這些合金的合金系統(tǒng)復(fù)雜，為鐵基Cr、Ni含量較高的低、中、高合金或Ni、Co基合金。合金的組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以是鐵素體、珠光體、馬氏體或奧氏體，可以是單相組織，也可以是多相復(fù)合組織，也有可能是異種金屬的焊接，這些因素給焊接帶來許多問題，要獲得可靠的焊接接頭，要選擇合

18、適的焊接材料、焊接方式和合理的焊接工藝，包括焊后熱處理等。四、預(yù)期目標(biāo)（知識產(chǎn)權(quán)申請情況、應(yīng)用前景）1、 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)1） 研制內(nèi)徑為42100mm高溫高壓閥體內(nèi)壁環(huán)焊縫的專用焊接設(shè)備一套以及焊接工藝；主要技術(shù)參數(shù)：焊接方法：氣體保護焊，(MIG/MAG)；焊接最大電流：250A；可用焊絲直徑：0.6mm、0.8mm、1.0mm；焊接最小內(nèi)經(jīng)：42mm；焊縫距管口距離：200mm；焊槍上下移動范圍：0100mm；焊槍左右移動范圍：050mm；焊槍前后移動范圍：0200mm；焊槍跟蹤誤差：±0.5mm；焊槍擺動范圍：010mm；焊槍角度：90°；2） 研制內(nèi)徑為10034

19、0mm高溫高壓閥體內(nèi)壁環(huán)焊縫的專用焊接設(shè)備一套以及焊接工藝；主要技術(shù)參數(shù)：焊接方法：氣體保護焊，(MIG/MAG)；焊接最大電流：500A；可用焊絲直徑：1.0mm、1.2、1.6mmmm；焊接最小內(nèi)經(jīng)：100mm；焊縫距管口距離：400mm；焊槍上下移動范圍：0800mm；焊槍左右移動范圍：0100mm；焊槍前后移動范圍：0400mm；焊槍跟蹤誤差：±0.5mm；焊槍擺動范圍：030mm；焊槍角度：90°、100120°兩種；3） 研制內(nèi)徑為42110mm高溫高壓閥體內(nèi)壁環(huán)焊縫的ATIG焊焊接專用一套設(shè)備以及焊接工藝；主要技術(shù)參數(shù)：焊接最小內(nèi)經(jīng)：42mm；焊縫距

20、管口距離：200mm；焊槍上下移動范圍：0100mm；焊槍前后移動范圍：0200mm；焊槍跟蹤誤差：±0.5mm；焊槍角度：90°；最大電流300A；4） 研制小管徑內(nèi)焊槍自動跟蹤系統(tǒng)及研制跟蹤裝置一套；主要技術(shù)參數(shù)： 跟蹤誤差：±0.5mm；5） 確定ATIG焊在閥門材料中的應(yīng)用范圍，優(yōu)選出10種以上閥門材料的焊接工藝，通過焊接工藝評定，協(xié)助企業(yè)制定ATIG焊接標(biāo)準(zhǔn)。6） 制作焊接轉(zhuǎn)臺一套：主要技術(shù)參數(shù)：轉(zhuǎn)動速度：03轉(zhuǎn)/分鐘；最大夾持直徑：400mm；7） ATIG焊省電，屬于節(jié)能作業(yè)，每年可節(jié)約2050萬元成本；8） 設(shè)備、技術(shù)可作為商品出售，但主要為社會效

21、益。五、研究方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解1、研究方案及技術(shù)路線 本研究分為六大部分，第一部分為研制兩套分別適和焊接內(nèi)經(jīng)為42100mm和100340mm高溫高壓閥體內(nèi)壁環(huán)焊縫的專用氣體保護焊設(shè)備；第二部分為研制一套適和焊接內(nèi)經(jīng)為42100mm高溫高壓閥門內(nèi)壁環(huán)焊縫的A-TIG專用設(shè)備；第三部分焊槍的定位、跟蹤裝置和控制系統(tǒng)的研制；第四部分制造一套焊接轉(zhuǎn)臺；第五部分為常用閥門材料焊接工藝調(diào)試；第六部分為ATIG焊在閥門材料中的應(yīng)用和協(xié)助企業(yè)制定ATIG焊接標(biāo)準(zhǔn)。圖三 MIG/MAG焊設(shè)備總體方案1） 內(nèi)壁環(huán)焊縫的氣體保護焊設(shè)備 MIG/MAG焊總體方案見圖三所示，設(shè)備由焊接轉(zhuǎn)臺、焊接機座、焊槍升降機構(gòu)，焊槍前后、左右調(diào)節(jié)機構(gòu)，焊槍擺動機構(gòu)，焊槍，焊接電源等組成，并配有定