窄間隙GMA焊接技術（簡體書）

隨著製造業的日益發展，厚板在船舶、核電、海洋平臺建設等眾多領域中得到了廣泛的應用。傳統開大角度坡口的焊接方法存在填充材料消耗多、焊接道次多、生產率低、焊後變形嚴重等問題。20世紀60年代，美國巴特爾（Battelle）研究所開發了窄間隙焊接方法，採用窄而深的坡口代替大角度坡口，進而達到提高焊接效率的目的，引發了世界各國的關注。

目前，常用的窄間隙焊接方法可以分為窄間隙TIG焊、窄間隙GMA焊以及窄間隙埋弧焊等。窄間隙GMA焊相比窄間隙TIG焊具有焊接效率高的優點；相比窄間隙埋弧焊具有焊接熱輸入低、適用於全位置焊接、焊接接頭性能優良等優點，在當前的厚板結構焊接中已經體現出了很好的技術優勢，也在焊接行業陸續得到了越來越多的應用。

針對窄間隙GMA焊，國內多個高校開展了相關的科研工作，包括武漢大學、江蘇科技大學、蘭州理工大學及哈爾濱工業大學等。本書作者所在的研究團隊自2006年起，在國家自然科學基金（51275109、51775139、51905128）等項目的支持下，先後開發了旋轉電弧窄間隙GMA焊、擺動電弧窄間隙GMA焊和雙絲窄間隙GMA焊技術，在設備研製和工藝開發等方面進行了較為系統而深入的研究。

本書以團隊多年積累的科研成果和項目實踐為主要內容，總結了多位元已經畢業的博士生和碩士生的研究工作成果。書中重點介紹了旋轉電弧窄間隙GMA焊、擺動電弧窄間隙GMA焊、雙絲窄間隙GMA焊及多元保護氣體窄間隙GMA焊的設備、原理、特點與應用，從基礎理論的角度著重總結了每種方法的電弧特性、熔滴過渡、熔池行為以及焊縫成形規律等科學問題，並結合海洋工程材料介紹了相應的焊接工藝開發及組織性能分析等項目實踐案例。

本書參考了課題組趙博、郭甯、徐望輝的博士學位論文和張良鋒、張亞奇、高超、張霖、徐望輝、玉昆、張威、汪瓊、王瑤偉、鞏金昊、季相儒、劉準、倪志達等的碩士學位論文，以及國內外同行的研究成果，本書的出版也得到了先進焊接與連接國家重點實驗室的支援，在此一併致謝。

焊接技術發展迅速，在未來的歲月中會有更多關於窄間隙GMA焊技術的理論研究與技術進展，作者所在研究團隊也會繼續潛心研究，成果會在本書的後續再版中更新。

由於作者的知識水準有限，書中難免存在疏漏與不足之處，懇請廣大讀者批評指正。

前言

第1章 窄間隙焊概述1

1.1 窄間隙焊的原理與特點1

1.1.1 窄間隙焊的定義1

1.1.2 窄間隙焊的優點2

1.1.3 窄間隙焊的不足3

1.2 窄間隙焊的分類與各自特點3

1.2.1 窄間隙焊的分類3

1.2.2 窄間隙TIG焊的特點5

1.2.3 窄間隙GMA焊的特點5

1.2.4 窄間隙SAW的特點6

1.3 窄間隙焊的坡口形式6

1.4 窄間隙焊中的保護氣體8

1.5 窄間隙焊中的常見問題與解決措施9

1.6 常用窄間隙GMA焊方法及其應用12

1.6.1 旋轉電弧窄間隙GMA焊13

1.6.2 擺動電弧窄間隙GMA焊14

1.6.3 雙絲窄間隙GMA焊15

1.6.4 其他窄間隙GMA焊形式16

第2章 旋轉電弧窄間隙GMA焊19

2.1 旋轉電弧窄間隙GMA焊槍設計與實現19

2.1.1 電弧旋轉方案設計19

2.1.2 焊槍主體設計20

2.1.3 噴嘴設計21

2.1.4 噴嘴的保護效果驗證22

2.1.5 導電嘴設計23

2.1.6 焊槍性能及特點24

2.2 旋轉電弧窄間隙GMA平焊的電弧行為與熔滴過渡25

2.2.1 旋轉電弧窄間隙GMA焊電弧行為25

2.2.2 旋轉電弧窄間隙GMA焊熔滴過渡28

2.3 旋轉電弧窄間隙GMA橫焊的熔滴過渡33

2.3.1 旋轉電弧橫焊熔滴過渡的特點33

2.3.2 旋轉頻率對橫焊熔滴過渡的影響36

2.3.3 電弧電壓對橫焊熔滴過渡的影響41

2.3.4 送絲速度對橫焊熔滴過渡的影響43

2.3.5 保護氣成分對橫焊熔滴過渡的影響44

2.4 旋轉電弧窄間隙GMA平焊的焊縫成形45

2.4.1 焊接參數對焊縫成形的影響規律45

2.4.2 旋轉電弧對平焊焊縫成形的影響機理51

2.5 旋轉電弧焊接溫度場的數值模擬53

2.5.1 旋轉電弧焊接溫度場的建立53

2.5.2 旋轉電弧焊接溫度場特徵56

2.5.3 旋轉頻率對焊接溫度場的影響60

2.5.4 旋轉半徑對溫度場的影響64

2.5.5 計算結果的驗證66

2.6 旋轉電弧窄間隙GMA橫焊熔池行為與焊縫成形67

2.6.1 橫焊熔池流動行為68

2.6.2 橫焊的焊縫成形69

2.6.3 橫焊成形特點與熔池控制74

第3章 擺動電弧窄間隙GMA焊78

3.1 擺動電弧窄間隙GMA焊槍設計與實現78

3.1.1 電弧擺動方案設計78

3.1.2 噴嘴設計80

3.1.3 焊槍主體設計84

3.1.4 保護效果驗證86

3.1.5 焊槍性能及評價86

3.2 擺動電弧窄間隙GMA焊電弧特性與熔滴過渡89

3.2.1 擺動電弧窄間隙GMA焊電弧特性89

3.2.2 擺動電弧窄間隙GMA焊熔滴過渡89

3.2.3 焊接參數對熔滴過渡的影響94

3.2.4 空間位置下的熔滴過渡100

3.3 擺動電弧窄間隙GMA焊熔池行為102

3.3.1 熔池行為數值模型建立103

3.3.2 數值類比流程及實驗驗證110

3.3.3 擺動電弧焊接溫度場特徵112

3.3.4 典型位置下的熔池行為115

3.3.5 熔池形狀分析122

3.4 擺動電弧對熔池的控制作用125

3.4.1 降低能量輸入126

3.4.2 提高散熱能力127

3.5 擺動電弧窄間隙GMA全位置焊129

3.5.1 焊縫成形特點129

3.5.2 宏觀缺陷分析及優化目標確定130

3.5.3 焊縫成形數學模型的建立132

3.5.4 焊接參數對焊縫成形的影響141

3.5.5 焊接參數優化144

第4章 雙絲窄間隙GMA焊148

4.1 雙絲窄間隙GMA焊槍設計與實現149

4.1.1 焊絲彎曲方案選擇150

4.1.2 插入式焊槍設計150

4.1.3 外置式焊槍設計152

4.2 雙絲窄間隙GMA焊的電弧特性與熔滴過渡154

4.2.1 雙絲窄間隙GMA焊電弧特性154

4.2.2 雙絲窄間隙GMA焊熔滴過渡155

4.3 雙絲窄間隙GMA平焊的焊縫成形159

4.3.1 焊接參數對焊縫成形的影響規律159

4.3.2 單道多層雙絲窄間隙GMA焊工藝168

4.3.3 雙絲窄間隙GMA焊特點分析169

4.4 雙絲窄間隙共熔池GMA立焊工藝169

4.4.1 向下立焊共熔池行為170

4.4.2 立焊焊接規範區間確定171

4.4.3 共熔池向下立焊單道多層焊175

4.5 雙絲窄間隙非共熔池GMA立焊工藝177

4.5.1 焊接參數對焊縫成形的影響規律178

4.5.2 非共熔池向下立焊多層焊180

第5章 多元保護氣體窄間隙GMA焊182

5.1 優化焊接保護氣體的必要性182

5.2 三元保護氣體窄間隙GMA焊電弧特性183

5.2.1 三元保護氣體窄間隙GMA焊電弧形態183

5.2.2 三元保護氣體窄間隙脈衝GMA焊電弧行為185

5.3 三元保護氣體窄間隙GMA焊熔滴過渡規律187

5.3.1 單絲焊的熔滴過渡187

5.3.2 雙絲焊的熔滴過渡190

5.4 三元保護氣體窄間隙GMA焊的焊縫成形197

5.4.1 單絲焊焊縫成形特點198

5.4.2 雙絲焊焊縫成形特點200

第6章 窄間隙GMA焊工程應用203

6.1 10CrNi3MoV高強度鋼旋轉電弧窄間隙GMA焊203

6.1.1 焊接工藝及焊縫成形203

6.1.2 焊接接頭組織特徵205

6.1.3 焊接接頭力學性能205

6.2 12Ni3CrMoV高強度鋼旋轉電弧窄間隙GMA橫焊208

6.2.1 焊接工藝及焊縫成形208

6.2.2 焊接接頭組織特徵210

6.2.3 焊接接頭力學性能211

6.3 10CrNi3MoV高強度鋼擺動電弧窄間隙GMA焊215

6.3.1 焊接工藝及焊縫成形215

6.3.2 焊接接頭組織特徵217

6.3.3 焊接接頭力學性能217

6.4 厚壁管道全位置擺動電弧窄間隙GMA焊220

6.4.1 焊接工藝及焊縫成形220

6.4.2 管道接頭組織特徵221

6.4.3 管道接頭力學性能227

6.5 2219鋁合金擺動電弧窄間隙GMA立焊230

6.5.1 焊接工藝及焊縫成形230

6.5.2 焊接接頭組織特徵231

6.5.3 接頭抗拉強度232

6.6 10CrNi3MoV鋼雙絲窄間隙GMA焊233

6.6.1 焊接工藝及焊縫成形233

6.6.2 焊接接頭組織特徵234

6.6.3 焊接接頭力學性能236

參考文獻238