窄间隙气体保护焊接工艺发展与应用

秦国梁

山东大学焊接研究所 山东济南 250061

1 序言

随着经济的发展，石油石化与海洋工程等领域的重大装备日趋大型化、高参数化，高性能材质厚板、超厚板金属结构（以下统称厚壁结构）的应用也越来越广泛。厚壁结构的大拘束度及传统焊接工艺的大填充量带来诸多问题，如生产效率低、焊接热输入大，使焊接接头存在较大的残余应力和残余变形，从而对接头塑性、韧性带来较大损伤，导致焊接接头力学性能变差等。窄间隙焊接技术（Narrow Gap Welding，NG-W）在保留传统焊接方法优点的同时，较理想地克服了上述局限性。与传统焊接技术相比，由于NG-W采用窄而深的焊接坡口，因此大幅度减少了焊缝横截面积，节约了填充焊接材料，降低了接头总的焊接热输入，在提高焊接生产率的同时降低了焊接生产成本。特别地，由于焊接材料填充量少、总的热输入低，不但使接头残余应力和残余变形小、焊缝组织细化，也会大大减小接头塑韧性损伤，容易获得高精度、高性能的接头，因此窄间隙焊接技术已成为石油石化、海洋工程等领域重型装备厚壁结构的重要焊接成形制造技术。

本文从高端装备厚壁结构焊接成形制造对窄间隙焊接技术的要求出发，简明扼要地介绍了窄间隙气体保护焊接（Narrow Gap Gas Shielded Arc Welding）的技术优势，以及存在的焊接过程稳定性、侧壁熔合、焊缝跟踪等问题，并基于熔敷效率和热输入平衡，提出了激光+电弧复合热源超窄间隙焊接技术，其具有实现热敏感材质厚壁金属结构的高效、低热输入、低损伤焊接的技术优势。

2 窄间隙气体保护焊接工艺方法及特点

窄间隙焊接技术自1963年8月由美国Battelle研究所开发成功以来，在20世纪70～80年代进入研发高峰，并在80年代末进入了工程应用阶段。在早期的窄间隙焊接研发和工程应用中，主要是以窄间隙埋弧焊（NG-SAW）为主。但近年来，随着对热输入比较敏感的高性能材料在厚壁结构中的应用越来越多，NG-ASW热输入大的问题逐渐暴露出来，而热输入较低的以窄间隙熔化极气体保护焊（Narrow Gap Gas Metal Arc Welding，NG-GMAW）和窄间隙钨极氩弧焊（Narrow Gap Gas Tungsten Arc Welding，NG-GTAW）为代表的窄间隙气体保护焊接技术受到了重视，并进行了广泛地研发。

窄间隙焊接作为厚壁结构首选的焊接工艺，相比传统的多层多道大坡口焊接，具有诸多技术与经济的优越性。

1）节能、省材、高效率：由于坡口间隙大幅减小，填充焊缝金属减少，能量输入降低，在大幅度提高焊接生产率的同时，也降低了生产成本。数据表明，NG-GMAW焊材消耗量比普通SAW减少50%以上，比NG-SAW减少了近14%（不包括焊剂消耗量和保护气体的消耗量）[1]。

2）低的焊接热输入、应力变形、热损伤：低的热输入使得接头具有较低的焊接残余应力和变形，热影响区小，对母材的热损伤也小。

3）焊缝质量高：焊缝组织性能均匀性提高，力学性能特别是塑韧性指标得到改善。

4）在厚板焊接领域具有显著的经济优势：随着板厚的增加，窄间隙焊的材料费和人工费节约比例越来越大，一般来讲，比传统焊接方法生产成本至少节约40%以上。

由于窄间隙焊接具有显著的技术优势和成本优势，其研发一直是国内外焊接领域的研究热点之一，各种各样的窄间隙焊接技术纷纷被开发出来。窄间隙气体保护焊主要包括NG-GMAW和NGGTAW等窄间隙焊接工艺方法。

2.1 窄间隙熔化极保护焊技术

NG-GMAW是1975年后研制成功的，采用特殊的焊丝弯曲机构使焊丝保持弯曲，以保证坡口侧壁熔合。焊丝作为电极可采用大电流焊接，焊接熔敷效率高，同时适用于各种位置焊接，焊后不需要清渣，且明弧焊接便于监视和控制，非常适合自动化焊接[2,3]。

保护气体通常使用Ar或CO2，在实际工程应用中多用CO2+Ar混合气。窄间隙CO2气体保护焊兼顾了CO2气体保护和窄间隙焊二者的长处，但飞溅率高是其最大的问题，人们一直在寻找降低CO2气体保护焊飞溅率的方法。表面张力过渡（Surface Tension Transfer，STT）技术极大地降低了气体保护焊的飞溅率，使纯CO2气体保护焊在NG-W中的应用成为可能[3,4]。另外，药芯焊丝的使用极大地抑制了CO2气体保护焊接过程中的飞溅。药芯焊丝电弧焊（Flux-Cored Arc Welding，FCAW）在纯CO2保护下，电弧和熔滴过渡稳定、熔敷效率高、焊缝成形良好，用于NG-W具有侧壁熔合良好、单道焊无摆动即可实现窄间隙焊接的优势。

但基于FCAW的窄间隙焊技术，继承了SAW和GMAW的优点，但也遗传了其缺点。一方面是脱渣问题，用较小间隙（如≤12 mm）单道焊接时，清渣十分困难，因而只能采用较大间隙（一般≥18mm），削弱了NG-GMAW的技术优势；另一方面就是飞溅，主要是大焊接电流使其在热敏感钢和平焊除外的空间位置应用时受到了限制，而中小参数焊接时，FCAW极易产生大颗粒以及大颗粒与短路混合过渡，难以避免随机产生的大颗粒飞溅，直接威胁到焊枪运行和送丝过程的可靠性。这些缺点成为NG-FCAW实际工程应用推广的障碍。

NG-GMAW过程中，总存在着明弧条件下的熔滴过渡，因而不可避免地存在着飞溅。在常规GMAW工艺中，由于焊接坡口较宽大，飞溅对焊接过程可靠性的影响可很容易地控制到最小。然而在NG-W时，插入式焊枪离侧壁的距离很小，随机产生的大颗粒飞溅若焊合到侧壁上，则可能导致焊枪移动卡死或短路的危险；导电嘴末端的飞溅聚集有可能导致送丝中断，并破坏气保护效果。尽管通过保护气氛和焊接参数的合理选择，可使飞溅降到较低水平（如3%左右），但对可靠性要求极高的窄间隙焊接而言，现有技术水平还不能完全排除飞溅对焊接可靠性的影响，这也许是NG-GMAW技术投入开发、研究最多，而商品化推广应用却较少的根本原因之一[5-7]。

2.2 窄间隙钨极氩弧焊技术

NG-GTAW最早应用是在20世纪70年代初，超高强度钢等热敏感材料的应用促进了NG-GTAW的研发。但由于钨极载流能力低，熔敷效率不高，应用领域较窄，因此一般被用于打底焊及重要结构焊接中。

在实际生产中，为了提高熔敷效率，多采用热丝GTAW。与NG-SAW相比主要有以下特性。

1）非熔化电极、无焊接飞溅、焊接过程稳定，易实现焊接热输入精确控制以及全位置焊接。

2）焊接热输入低和无氧气氛有利于获得高质量焊接接头，非常适用于高强钢、高合金钢、不锈钢及钛合金等材料焊接。

在现有的各种N G-W技术中，若进行综合评价，则NG-GMAW是相对更优越的技术：从焊接生产率上看，NG-GMAW具有与NG-SAW接近的较高熔敷率，且成倍地高于NG-GTAW；从空间位置上看，NG-GMAW可以全位置焊接；另外，NGGMAW热输入范围宽且很低，使其特别适用于低合金高强钢、超高强钢等对热输入比较敏感材料的焊接，可降低HAZ损伤。

窄间隙气体保护焊接工艺技术特点见表1。

表1 窄间隙气体保护焊接工艺技术特点

目前，随着电弧物理和弧焊控制技术的进步，NG-GMAW飞溅控制技术必将向更理想的目标发展，随着研究的不断深入，出现了诸如STT、CMT Cold Metal Transfer，CMT）等无飞溅的焊接工艺。

2.3 窄间隙激光焊接技术

激光焊接技术由于具有能量密度集中、热影响区窄、焊后变形小等特征，被广泛应用于工业制造中。特别近年来，随着激光功率的不断增大和成本的降低，大功率激光焊接技术获得了越来越多的工程应用，并应用于厚壁结构窄间隙焊接[8-11]。为了最大限度地减小坡口尺寸，充分利用激光束能量密度高的优势，大钝边窄间隙激光焊接工艺（Narrow Gap Laser Welding，NG-LW）结合了窄间隙焊接技术与激光焊接技术的优势，可以实现超窄间隙、低热输入焊接[12-15]。

为了克服传统窄间隙激光焊接过程中侧壁未熔合的问题，光束摆动技术被引入到NG-LW中，即激光束按照一定路径在坡口内摆动，增加热源作用范围，并有效加热坡口侧壁，实现侧壁熔合，同时能够实现多层单道焊接，提高了生产效率和接头性能，窄间隙摆动激光焊接技术具有很好的应用前景。但激光焊对厚壁件装配的高要求和熔敷效率低等问题限制了NG-LW的工程应用。

摆动激光焊接技术自实现以来，激光摆动设备逐渐由机械摆动发展为振镜系统。

1）机械摆动机构：使用CNC数控机床控制激光摆动，研究光束摆动对气孔的抑制作用[16]。虽然机械装置控制激光束摆动的研究取得了一定的成果，但存在摆动频率低、稳定性差等缺点。

2）电动动楔形镜片摆动机构：借助光束透过楔形镜片发生折射的现象，通过电动机带动镜片的旋转实现激光束的摆动，如IPG公司生产的D30/D50激光摆动焊接镜头，具有光束摆动精度、摆动频率高的特点，促进了摆动激光焊接的发展，但摆动模式较为单一，限制了在工业上的应用[17]。

3）振镜摆动机构：通过两个伺服电动机控制镜片摆动，进而控制入射激光的摆动，使激光光路发生偏转，之后经聚焦镜组聚焦，使其聚焦到设定的位置，从而实现激光束摆动路径的加载，如Trumpf公司生产的可编程聚焦镜组，摆动速度可达1000mm/s，且可以进行激光束的快速定位和切换，实现激光摆动的高质量焊接[18,19]。

NG-LW过程中，通过设置幅度、频率、速度或模式等摆动参数可扩大间隙适应性，调控熔池金属的流动状态，抑制气孔产生，改变焊接熔池形貌和尺寸，抑制凝固裂纹，改变晶粒生长行为，实现可靠侧壁熔合，获得高质量接头[20-22]。尽管NG-LW可以获得高质量接头，但其与NG-GTAW一样，存在熔敷效率低的问题。

3 窄间隙气体保护焊接关键技术

与工程应用已经非常成熟的NG-SAW相同，侧壁熔合、焊缝跟踪也是窄间隙气体保护焊接的关键技术难点。除此之外，焊接过程稳定性和过程监控也是决定实现高质量、高可靠性窄间隙焊接的重要技术因素。

3.1 低飞溅、低热输入焊接工艺

窄间隙气体保护焊接过程中是明弧焊接，而在深而窄的坡口内明弧焊时，焊接飞溅对工艺可靠性影响极大。当飞溅聚集到喷嘴端口和导电嘴出口处时，会影响气体保护的效果和送丝的稳定性；若黏合或焊合在侧壁上，将直接导致焊枪在坡口内移行困难甚至短路，从而造成焊接缺陷甚至焊接失败。另外，对一些热输入敏感的高性能材料焊接时，采用低热输入焊接工艺以降低其对母材的热损伤，是保证接头性能的重要措施。因此，低飞溅、低热输入的焊接工艺是优质高效窄间隙气体保护焊接的工艺基础。

以前，国内外研究人员从控制熔滴过渡方面对抑制焊接飞溅做了很多有益的工作，结合焊接过程控制技术开发了一些先进的焊接技术，如STT、CMT等低飞溅与低热输入焊接工艺；另外，通过调控保护气氛获得稳定的熔滴过渡模式，如在富Ar气氛（Ar+10%～20%CO2）全射流过渡或射流/短路混合过渡。

焊接低热输入往往会造成熔敷效率低的问题，因此对于窄间隙熔化极气体保护焊接工艺，在保证不增加焊接损伤的条件下，如何提高熔敷效率也是亟待解决的问题之一。

3.2 窄间隙气体保护焊接侧壁熔深控制

在NG-W条件下，电弧轴线基本与坡口侧壁平行，电弧也难以直接加热熔化侧壁，从而造成侧壁熔合可靠性差的问题，并且热输入越低，侧壁未熔合的问题越突出，是目前窄间隙气体保护焊接技术中最大的技术难点[23]。

电弧偏转方法如下。

（1）电弧偏转 为了实现电弧直接加热熔化侧壁，达到可靠熔合，各种实现电弧偏转的焊丝摆动、焊枪摆动等技术措施被开发出来[24]。主要有以下几种方法：

1）采用双丝分别偏向两侧壁（见图1a）。

2）焊枪在坡口内偏摆（见图1b）。

3）焊丝端部弯曲并轴向旋转（见图1c）。

4）采用波浪焊丝（见图1d）[1,25]。

5）采用麻花焊丝（见图1e）。

图1 部分电弧偏摆方法

6）采用螺旋送进焊丝。

7）偏心旋转。

8）在交流波形上叠加脉冲。

9）旋转射流过渡。

对NG-GMAW来说，主要是利用电弧摆动使电弧直接加热熔合侧壁。在平焊中，为了使I形坡口的两侧壁充分熔合，多采用焊丝弯曲、焊丝垂直焊接方向摆动、麻花状焊丝以及交流弧焊等方法，使电弧偏转直接加热熔化坡口侧壁，取得了不错的效果。在横焊中，为了防止I形坡口内液态金属下淌，一般利用焊接电流周期性变化，使焊丝摆动或将坡口分成上下层焊接，以及将各种方式组合起来的焊接方法，从而得到均匀的焊道。

在立焊中，为了保证坡口两侧焊透，一般采用摆动焊丝焊接以及焊接电流与焊丝摆动同步变化的焊接方法来保证焊缝成形良好。

而NG-GTAW不仅克服了普通TIG焊接效率低的缺点，而且具备了熔化极气体保护焊接工艺方法所不具备的特征。NG-GTAW不仅可以实现薄板焊接、压力管道全位置焊接，而且焊缝成形好、焊接质量高。NG-GTAW中，有在送进焊丝中通入直流电产生偏向焊接方向的磁场焊接，也有采用热丝低频脉冲电流NG-GTAW立焊或横焊焊接。此外，为了防止因向填丝中通电而引起磁偏吹，一般采用周期性增减焊接电流，并在焊接电流降低瞬间填丝通电的焊接方法来克服磁偏吹的不利影响。

（2）电弧旋转 除了是电弧偏转外，旋转电弧是窄间隙焊接工艺中一种常用的用来解决侧壁熔合的方法。如江苏科技大学王加友等[26]采用偏心导电嘴实现了窄间隙焊接过程中电弧的高速旋转，如图2所示。研究结果表明，电弧旋转明显地改善了焊缝侧壁熔深，避免了指状熔深的出现，从而有效地防止了未熔透、裂纹和气孔等一般窄间隙焊常见缺陷的出现；多层焊时层与层之间熔合良好，侧壁熔深足够，并没有出现未焊透等焊接缺陷，焊缝表面成形美观（见图2c）。

图2 高速旋转电弧窄间隙焊接工艺原理和焊缝成形

旋转电弧法是通过一种驱动装置将电弧强制旋转起来的方法，对坡口精度和焊接参数要求严格，导致导电嘴磨损以及焊丝盘卷本身的翘曲弯折造成焊丝不规则摆动等问题，但由于焊枪自动对中控制是一个极为重要的条件，需要精准的焊缝跟踪。

（3）非均匀压缩电弧 电弧是一种可压缩的“弹性导体”，因此可以通过如热压缩、电磁调控等各种措施对电弧形态进行调控，以实现对侧壁的可靠熔合。

在窄间隙气体保护焊接时，坡口本身对焊接电弧有一定的机械压缩，保护气体对电弧进行强制冷却压缩，使电弧的能量密度大大增加，同时狭窄坡口内电弧向空气辐射的热损失较小，电弧的热效率增加，电弧区的温度显著提高；进一步对焊接电弧进行合理的非均匀压缩，得到需要的电弧形状及在坡口内的加热面积，可以使两侧壁获得充分加热，从而实现均匀熔合。

张富巨等[27,28]设计非均匀压缩扁平形喷嘴以实现电弧的非均匀压缩，如图3所示。两种型号喷嘴与圆柱形喷嘴对焊缝熔宽影响比较见表2。

图3 非均匀压缩扁平形喷嘴

表2 喷嘴对焊缝熔宽的影响

研究结果表明，非均匀气流对电弧的压缩作用很明显，在扁平形喷嘴平行于焊接方向时熔宽增长较大，而在垂直于焊接方向时熔宽减小，并且喷嘴两侧喷气通道对电弧压缩作用具有一定的影响，喷出气流的挺度越大，对电弧的压缩作用越强，电弧对侧壁的加热力度更大。

（4）磁控电弧偏转 在焊接电弧上外加磁场，从而使电弧在电磁力作用下，在磁力线的法平面内偏转磁场，能够使电弧偏转为窄间隙气体保护焊中坡口侧壁熔合控制提供了一个新的思路。以前采用波浪形和麻花形送丝等强制弯丝，以及机械强制旋转电弧等都是从送丝方面强制电弧偏转，而韩国NA等[29]在平行焊接方向上将一个纵向磁场施加在电弧基于电磁效应实现了NG-W过程中电弧柔性偏转，如图4所示。电弧振荡有振荡频率和振荡宽度两个参数。振荡宽度依赖于施加电磁场的磁通密度、焊接电流和弧长，磁通密度越大，电弧偏转角度越大，如对于宽度为10mm的坡口，在25Gs（1Gs＝10-4T）的磁通密度下，电弧振荡效果不明显，在75Gs却出现咬边，而在50Gs下，电弧振荡到坡口的角落里，获得可靠侧壁熔合，如图5a、c所示；坡口宽度越窄，相同磁通密度下越容易出现振荡电弧的侧壁黏连，如图5b所示。

图4 基于电磁电弧振荡的窄间隙焊接

图5 窄间隙焊接过程中弧柱旋转图像

3.3 工艺参数对侧壁熔合的影响

除了采用电弧偏转直接加热熔化侧壁、保证窄间隙焊接侧壁熔合质量之外，如焊接热输入、熔滴过渡模式及焊接参数等工艺条件对侧壁熔合质量也具有重要影响。

（1）焊接热输入 一般在低热输入参数下电弧作用区域变窄，对侧壁加热作用减弱，因此在一定的低热输入范围内，热输入越高，侧壁熔合越好，出现侧壁未熔合缺陷的概率也越小。随着电弧高能区变窄，只有保持相对稳定的电弧作用位置，才能使电弧对侧壁进行充分加热。因此，侧壁熔合情况会随着热输入减小而对电弧作用位置变得更加敏感。

（2）熔滴过渡 有关研究表明，连续旋转喷射过渡可有效地增大焊缝熔宽，提高焊接熔敷速度，改善角焊缝与窄间隙焊的焊缝成形以及对焊件装配间隙不敏感等优点，因此旋转喷射过渡可以用于窄间隙焊接改善侧壁熔合。西北工业大学研究人员通过对比脉冲轴向喷射过渡与脉冲旋转喷射过渡窄间隙焊接电弧形态和焊缝成形，发现在脉冲轴向喷射过渡时，钟罩形电弧弧柱烁亮区内、在焊丝末端尖液锥下沿焊丝轴线有一条由细小熔滴过渡所造成的淡黑线熔滴过渡轨迹；而在脉冲旋转喷射过渡时，焊丝末端细长液锥的旋转喷射过渡和电弧发生偏转，使弧柱的烁亮区成为角锥形，如图6所示。采用脉冲旋转喷射过渡焊接时，电弧过程稳定，可保证获得良好的焊缝成形，焊缝侧壁熔深明显大于轴向喷射过渡的焊缝，且未发现气孔、裂纹等缺陷[30]。

图6 窄间隙焊接电弧熔滴过渡形态示意

3.4 窄间隙气体保护焊接焊缝跟踪

焊缝自动跟踪技术作为窄间隙焊接的关键技术之一，很大程度上决定着窄间隙焊接的质量。焊缝跟踪就是以电弧相对于坡口中心（或坡口两侧壁）的位置偏差作为被调节量，焊枪位移量作为操作量，使焊枪始终沿着焊缝运动的闭环系统。当偏差发生时，能自动检测这一偏差，然后经放大、执行机构调整焊枪位置。

（1）窄间隙气体保护焊接焊缝横向跟踪 在焊接过程中，焊缝跟踪系统有效获得坡口中心轨迹的相对变化后，快速准确地调节焊枪与坡口中心对正，是关系到窄间隙焊接质量的一个关键问题，也是焊接自动化技术发展中的一个研究热点。电弧（或焊枪）相对焊接坡口的精确位置控制是确保窄间隙焊接质量的关键环节，而目前由于在窄间隙焊接中电弧与侧壁的距离是保证侧壁熔合质量的重要因素，因而电弧对坡口侧壁的跟踪就变为焊枪对坡口距离的跟踪。

焊接跟踪控制的难点在于电弧位置的精确检测。由于焊接工艺、接头形式、坡口加工与装配精度等工艺条件千差万别，焊接过程中又有强弧光辐射、强电磁场、高温及飞溅等干扰，使得电弧位置的检测极其困难。目前，已提出的检测方法有电弧式、接触式、电磁式、光电式等，其中视觉传感是研究得最多且极具应用潜力的电弧跟踪传感方 法[31-34]。

视觉传感采用的CCD、CMOS摄像机光谱响应范围很宽（380～1100nm），图像点阵精度高，且失真小、灵敏度高，在光电检测方面具有其独特优势。在弧焊自动跟踪过程中，视觉传感的跟踪对象可以是辅助图像、电弧及熔池热场，具有信息丰富的特点[35-39]。尽管视觉传感焊缝跟踪具有非接触、响应速度快等特点，但是弧光对检测信号的干扰是视觉传感最大的问题，并且很难克服，一般通过选用合适的背景滤光等弧光抑制措施，以削弱辐射极强的弧光影响。

机械式焊缝跟踪则可以有效克服焊接过程中弧光的干扰，也是NG-SAW焊缝宽度检测应用最成熟的方法。如常用的旋转电位器作角位移传感器的接触式焊缝宽度检测传感器，根据电压差符号判断偏转方向，并根据电压差大小与预先设定的窗口阈值比较，来判断是否要调节焊枪位置[40,41]。

除此之外，基于弧长变化的电弧传感系统也是焊缝宽度检测的方法之一。如韩国NA等[29]则在电磁振荡电弧窄间隙焊接过程中分析并根据弧长的特征实现了基于电弧的焊缝跟踪。而天津工业大学李亮玉等[42]则针对脉冲NG-GMAW，从经过均值滤波后采集的电流信号中提取每一个脉冲周期的峰值电流（见图7），计算焊枪在左右极限位置远离侧壁时的峰值电流变化率，得到焊枪偏差量，将其发送给焊枪摆动纠偏控制系统，控制焊枪纠偏，实现焊缝跟踪控制，有效提高了脉冲NG-GMAW过程中电弧传感的灵敏度。

图7 NG-W过程中电弧传感跟踪电流波形

窄间隙视觉传感焊缝跟踪在超厚结构窄间隙焊接过程仍需要进一步研究解决弧光抑制、提高跟踪可靠性等问题。而接触式焊缝宽度跟踪一直是窄间隙焊接焊缝跟踪应用的主要跟踪方法，但在超窄间隙焊接过程中仍然面临跟踪接触头超小型化、耐磨等问题。

（2）窄间隙气体保护焊焊枪高度跟踪 对焊枪高度进行监控以保证电弧弧长的稳定性，也是保证窄间隙焊接质量的重要方面。在焊接过程中，高度跟踪主要是基于对电弧监测而进行的。电弧传感器具有非接触、实时、稳定、价格低廉、可达性好等优点，已在弧焊跟踪领域引起广泛重视，不少应用研究已从试验室转向工业应用。电弧传感器可分为焊接电流传感、电弧电压传感两种方式，其中电流传感方式应用较多。

采用STT焊接电源及其配套的送丝机构、在相同焊接条件下焊枪高度与焊接电流和电弧电压平均值之间的关系，如图8所示[43-47]。电压信号平均值反映焊枪高度具有正相关、单调上升的对应关系，且信号再现性好、灵敏度高，随着焊枪高度的增大，电压信号对高度变化的灵敏度稍有降低。而电流信号反映高度变化的规律不很明显，信号分散，再现性差，电流信号与高度呈负相关关系，依此建立的系统稳定性差。

图8 焊枪高度与焊接电流、电弧电压平均值的关系

以电弧电压平均值为电弧传感器的检测信号，采用经典PID控制策略建立的焊枪高度实时调控系统对典型阶跃、斜坡输入信号具有稳定可靠的响应，如图9所示[43，48]。对平直和斜坡信号，系统调节精度较高；在台阶处，系统响应速度相对较慢，存在一定超调；但对±5 mm以内的台阶及＜±0.2mm/mm以内的斜坡形焊道，跟踪精度和灵敏度基本上都能够满足实际工程的需要。

图9 焊缝跟踪系统对典型阶跃、斜坡输入信号的响应

采用电弧电压平均值表征焊枪高度，在一定程度上可以起到抑制采样区间内熔滴过渡频率的正常波动对跟踪稳定性的影响。但当送丝速度发生异常波动时，电弧电压平均值也将出现异常波动，导致跟踪系统失控。因而采用电弧电压平均值作为焊枪高度跟踪检测信号仍然存在一定的异常干扰风险。

在焊接过程中，异常干扰主要表现为：飞溅聚集且堵塞在导电嘴端部引起的送丝不稳定、焊丝黏连以及导电嘴堵塞等问题，都会造成熔滴过渡（如短路过渡）异常，使得电弧电压信号不能真实地反映焊枪的高度。在短路过渡模式下，短路频率是电弧稳定与否的一个重要指标，系统依靠电弧的自调节作用来消除轻微干扰的影响。只有存在上述异常干扰时，系统不能靠自身调节作用消除其影响，短路频率才会大幅度地降低，且低于正常短路频率值，此时应避免对跟踪系统进行调节，否则系统容易失控。因此，采用短路频率统计的方法可以防止异常干扰引起的系统失控，提高焊缝跟踪系统的抗干扰性能。

（3）窄间隙气体保护焊接焊缝跟踪精度 准确可靠地实现焊缝跟踪是一切跟踪系统追求的目标之一，然而一切跟踪系统都必然存在各种类型的误差，因此怎样减少跟踪误差、实现高精度窄间隙焊缝跟踪也是焊接自动化技术研究方向之一。

窄间隙焊缝跟踪的误差主要包括执行机构调节误差、传感导前误差、弧光干扰误差等[49，50]。

1）执行机构调节误差：驱动电动机与螺杆等机构之间的配合往往存在一定的间隙，从而带来一定的调节误差。目前，降低执行机构调节误差的主要措施如下。

第一，步进电动机输出转轴与丝杆之间连接不发生相对角位移。

第二，丝杆与螺母之间配合间隙足够小，以保证焊枪由某方向反向调节时产生的误差在可以忽略的范围内。一般可以在丝杆与移动螺母间加设一个预紧弹簧来减小配合间隙。

第三，采用更精确的滚珠丝杆传动、加设数码器等措施改进执行机构等。

第四，软件上，可在跟踪控制程序中通过定义一函数，在计算输出调节量时把反向调节时耦合间隙量叠加进调节量中。

2）传感导前误差：传感导前误差的大小与导前距离及中心轨迹的变化情况有关，如坡口中心轨迹为直线时，则不存在导前误差；但当坡口中心线由直线向曲线以及不同曲率的曲线过渡时，亦即只要传感器和焊枪两点不同时处于同一曲率的中心轨迹上，则均存在着导前误差，且二者的曲率半径相差越大，导前误差也越大[51]。

为减小传感导前误差，应采取使焊接坡口棱边的直线度精度尽可能高、控制焊接残余变形尽可能小等措施。当然，也可通过软件来消除导前误差，即导前检测、滞后调节。

3）弧光干扰：在焊接过程中，强烈的弧光对视觉传感跟踪精度具有很大影响。强烈弧光干扰会使视觉传感器发生饱和现象和使坡口棱边内外的灰度差减小，图像二极性特征减弱，坡口边缘识别变得困难。有研究表明，在接收光路中采用峰值波长为0.6～0.7μm的干涉滤光片，加上防热玻璃，可有效地抑制弧光干扰，如在CCD镜头前方加上一组组合镜片（见图10），还可加偏振片进一步削弱弧光从工件表面反射产生的干扰[52]。

图10 复合滤光系统结构

除上述因素外，凡是影响到坡口中心轨迹检测精度和输出调节精度的因素都将影响跟踪精度，因而同样视为误差因素。例如：始焊位置给定的焊枪几何中心与坡口中心重合偏差，是一种系统误差，一旦焊前存在，焊接过程中将不能自动消除。

4 窄间隙气体保护焊存在的问题及其解决措施

4.1 高质量和高效率的平衡

近些年，随着高合金钢、高强度钢等对焊接热输入敏感的材质厚壁结构在海洋工程、船舶、重型压力容器等行业应用的越来越多，高质量（低热损伤、低应力变形、可靠侧壁熔合、无层间未熔合及夹渣等缺陷）、高效率（高焊接速度、高熔敷效率）一直是这类高性能材质厚壁及超厚结构窄间隙焊接技术研发努力的方向，二者却又很难兼顾。如高熔敷效率的NG-SAW由于热输入大而对厚壁构件具有较大的热损伤、较高的残余应力；高质量的NG-GTAW及NG-LW因热输入低而容易获得低热损伤、低应力变形接头，但由于钨极载流能力有限或加热区域小而造成熔敷效率较低，降低了焊接效率。为了稳定GMAW过程，利用激光对GMA（Gas Metal Arc，GMA）的稳定作用，将激光+GMA复合热源应用于NG-W，具有一定效果，但仍有进一步减小坡口宽度、降低焊接热量输入和焊缝金属填充量的空间。目前，寻求高效率和高质量良好平衡的优质高效NG -W工艺是国内外焊接科研人员一直努力的目标。

4.2 激光及激光+电弧复合热源窄间隙焊接

能够获得高质量接头的摆动激光窄间隙焊接与NG-GTAW相同，存在熔敷效率较低的问题。而激光+电弧复合热源焊接以激光焊与电弧焊优势互补、过程稳定等特点，一直是近年来国内外焊接技术研发的热点之一，并且在厚板焊接中具有很大发展潜力。将激光+GMA复合热源焊接引入窄间隙焊接领域，发挥两者的技术优势、开发激光+电弧复合窄间隙焊接新工艺，可以有效地弥补NG-LW的不足，提高焊接熔敷效率，能够提升大厚度结构焊接成形制造水平。如20mm厚的AISI304L不锈钢板窄间隙焊接，激光+电弧复合热源焊接仅需4层填满，而填丝激光焊接则需要5层，复合热源焊接显示出更高的生产效率[53-57]。

国内外研究表明，激光+GMA复合热源窄间隙焊接技术继承了NG-LW和NG-GMAW的优点，但又由于激光与电弧间相互稳定作用而弥补了彼此的缺点，可以在低热输入条件下大幅度提高熔敷效率，很好地实现了窄间隙焊接高质量与高效率的平衡，在厚壁及超厚构件高效、低热输入、低应力变形、低热损伤和高熔敷效率焊接方面表现出了很好的技术优势和巨大的工程应用潜力。

5 窄间隙焊接技术应用现状

作为一种高质量、高生产效率、低生产成本成形制造技术，NG-W在技术上对厚壁结构焊接有极大优势；从经济效益上，板厚越大，NG-W技术的低成本优势越显著，经济效益也就越明显，目前我国工程焊接最大厚度已达660mm，也是世界上焊接最大厚度。各种窄间隙焊接技术应用的最大厚度如图11所示。

图11 窄间隙焊的应用板厚范围

到目前为止，NG-W技术在厚板焊接领域的推广应用主要在重型工业领域进行的，其具体分布状态见表3。

表3 窄间隙焊接方法在行业中应用状况

（1）压力容器和锅炉 NG-W技术在压力容器和锅炉行业应用最广，约占半数，其中70%为熔化极气体保护焊，其余30%为埋弧焊。在压力容器中，NG-W多用于筒体纵缝和环缝、封头的对接、接管与入孔圈的嵌入焊接接头等。在锅炉中，NG-W可用于焊接大直径支管接头。另外，对于要求严格的核电反应堆锅炉压力容器，其主要接头几乎全部采用窄间隙焊接方法。

（2）重型机械 在重型机械行业，大量采用100～200mm板厚甚至更厚的金属结构，如8万t水压机主压力缸筒厚度达660mm，所采用的焊接成形制造工艺几乎都是NG-SAW或NG-GMAW。特别是，NG-GAW以其相对较低的热输入，更适合对热输入敏感材质的厚壁结构焊接。

（3）海洋结构和船舶 近几年，世界各国在近海的石油、天然气开采中，广泛地使用大型海洋结构。在大型海洋结构制造中（采油平台），使用超过100mm的厚钢板越来越多，而且焊接质量要求很高。因此，高质量、高效率的窄间隙焊接成为海洋工程和船舶领域很有前途的焊接成形制造方法。

（4）压力管道及石油石化装备 随着压力管道的大型化，大量采用大直径、大厚度高强度钢管。过去手工焊接的压力水管倾斜部分或垂直部分的环焊缝（全位置焊或平焊），现在已采用U形坡口的气体保护窄间隙焊接。

钻铤是石油钻井作业中最重要的钻具组合之一，属于小直径厚壁管，低热输入的窄间隙焊接技术是钻铤重要的修复技术[58]。此外，石油石化装备中厚壁结构也大量采用NG-W技术制造。

随着控制技术、信息技术的进步，在GMAW领域开发出来的许多新工艺、新设备、新装置、新器材以及工业技术水平的不断提高，都为窄间隙焊接的技术进步提供了新思路、新途径和新技术储备。相信不久的将来，更高效率、更高质量、更低成本、更可靠、更实用化的窄间隙焊接技术还会不断涌现出来，将加快NG-W技术在装备制造厚壁结构焊接成形制造中的推广应用。

6 结束语

1）随着对热输入敏感的高性能材质的厚壁窄结构越来越多，窄间隙气体保护焊接技术在降低焊接热输入、实现低热损伤焊接成形制造方面具有明显的技术优势。

2）低热输入、无飞溅稳定可靠的熔化极气体保护焊接工艺（包括复合热源焊接工艺）是窄间隙气体保护焊接技术应用推广的工艺基础，也是未来窄间隙焊接技术研发的方向之一。

3）准确焊缝跟踪和可靠侧壁熔合是窄间隙气体保护焊接技术质量的保证，也是窄间隙焊接过程控制必须解决的两个问题。

4）激光+GMAW复合热源窄间隙焊接技术不仅具有NG-LW的低热输入和NG-GMAW的高熔敷效率的优势，还由于激光与电弧的相互作用而稳定GMAW过程、有效抑制其飞溅的发生，是解决窄间隙焊接高质量与高效率平衡的有效工艺，极具工程应用潜力。