《Journal of Materials Research and Technology》：Arc characteristics and metal transfer behavior on the weld quality in the rotating arc ultra-narrow gap GTAW of thick plates
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制造工业在采用窄间隙焊接连接厚板时面临侧壁未熔合、电弧爬升等问题。本研究提出了一种创新方法，即采用旋转电弧超窄间隙（5 mm）钨极氩弧焊（GTAW）来解决上述问题。该方法利用非对称钨极端部的无限旋转，使电弧周期性旋转并在坡口底部和侧壁均匀燃烧，从而获得可靠的侧
制造工业在采用窄间隙焊接连接厚板时面临侧壁未熔合、电弧爬升等问题。本研究提出了一种创新方法，即采用旋转电弧超窄间隙（5 mm）钨极氩弧焊（GTAW）来解决上述问题。该方法利用非对称钨极端部的无限旋转，使电弧周期性旋转并在坡口底部和侧壁均匀燃烧，从而获得可靠的侧壁熔透和良好的焊缝成形。研究人员对16 mm厚板的超窄间隙（5 mm）和窄间隙（8 mm）焊接进行了电弧动态行为、熔滴过渡特性和焊缝横截面成形的详细对比分析。此外，还分析了焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明，由于侧壁的约束作用，超窄间隙焊接时出现了更小的稳定椭圆电弧。此外，钨极的旋转速度与旋转电弧一致。超窄间隙焊接过程中观察到更稳定的熔滴过渡。焊缝横截面成形显示，由于旋转电弧的强烈搅拌作用，侧壁熔深增加，热影响区（HAZ）减小。此外，超窄间隙焊接时降低热输入改善了焊缝质量。超窄间隙焊接接头的最大抗拉强度为531 MPa，超过母材，同时具有改善的塑性和优异的冲击韧性。硬度测量表明，焊缝区硬度（200–300 HV）相比母材（160–180 HV）有所提高，这归因于旋转电弧工艺引起的显微组织细化。本研究为利用旋转电弧窄间隙焊接改善高性能构件厚板接头性能提供了思路。
**论文解读：旋转电弧超窄间隙GTAW对厚板焊接质量的影响**
**研究背景与问题**
厚板连接在石化、海洋工程、核电等关键制造领域需求广泛，传统窄间隙焊接（NGW）虽已提升效率，但仍存在侧壁未熔合、电弧爬升等缺陷。为进一步扩大优势，超窄间隙焊接（UNGW）将坡口宽度降至6 mm以下，但加剧了电弧约束与加热不均匀问题，导致侧壁熔透不足。现有超窄间隙方法如气体保护金属极电弧焊（GMAW）、激光焊接（LW）虽有一定效果，但存在设备昂贵、操作复杂、接头力学性能受损等局限性。因此，亟需一种简单、可靠且高效的新型焊接工艺来解决厚板超窄间隙焊接的瓶颈。
**研究内容与结论**
山东大学研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表论文，提出旋转电弧超窄间隙钨极氩弧焊（GTAW）方法，以16 mm厚Q345b低合金钢为对象，系统对比了超窄间隙（5 mm）与窄间隙（8 mm）焊接的电弧行为、熔滴过渡、焊缝成形、显微组织及力学性能。主要结论：超窄间隙焊接时侧壁对电弧的约束增强，形成更小的稳定椭圆电弧，热效率显著提高；熔滴过渡更稳定，焊丝在电弧旋转半周期内保持与熔池接触，每周期发生两次过渡，过程平稳；侧壁熔深可达窄间隙焊接的2~4倍，热输入降低至9.59~12.10 kJ/cm，焊接质量与效率同步提升；旋转电弧的强烈搅拌作用细化晶粒，接头显微组织由珠光体和多种形态铁素体组成，比母材更细密；接头抗拉强度达531 MPa，超过母材，塑性优良，室温冲击韧性158 J/cm2，弯曲角度达160°，焊缝区硬度（200~300 HV）高于母材（160~180 HV）。研究表明该工艺为高性能厚板构件连接提供了有效方案。
**主要技术方法**
研究人员主要采用以下关键技术：1）旋转电弧GTAW系统：基于可编程逻辑控制器（PLC）控制，使用非对称钨极端部（直径3 mm，45°平台），通过步进电机实现0~500 rpm无极调速，驱动钨极在坡口内无限旋转；2）高速摄像系统：以1000帧/秒（fps）采集电弧形状与熔滴过渡动态图像，结合808 nm滤波片和紫外镜；3）光学显微镜（OM）与扫描电子显微镜（SEM）分析显微组织及断口形貌；4）力学性能测试：包括室温拉伸试验（非标准10×10 mm试样）、弯曲试验（标准160°）、夏比冲击试验（55×10×5 mm试样）以及维氏硬度测试（横向及纵向布点）。样本为16 mm厚Q345b钢板，加工成U型坡口（根部钝边2 mm，圆角1 mm），填充焊丝为JQMG70S-6（直径1.2 mm）。
**研究结果**
**3.1 物理过程分析**
**3.1.1 电弧形状**
通过高速摄像对比超窄间隙（5 mm）和窄间隙（8 mm）在不同电流（160~260 A）下的电弧形态。超窄间隙中，由于侧壁约束更显著，电弧呈椭圆状，尺寸小于窄间隙的钟形或梨形电弧。随着电流增大，电弧逐渐饱满，加热面积扩大，有利于侧壁融合。钨极旋转速度与电弧旋转一致，确保侧壁和根部均匀受热。
**3.1.2 熔滴过渡**
在窄间隙（8 mm）中，每旋转周期发生一次熔滴过渡，焊丝端部形成大直径液滴，受气流和电弧摆动后落入熔池。超窄间隙（5 mm）中，熔滴过渡更稳定，焊丝在前半周期与熔池保持接触，后半周期发生两次过渡（接触-颈缩-分离-延伸-再接触），无大液滴形成，飞溅少。旋转电弧的搅拌作用在熔池中产生高速湍流，促进热量与质量传输，并形成侧壁涡流，增强熔深并细化晶粒。
**3.2 焊接参数研究**
**3.2.1 不同坡口宽度下焊缝成形对比**
对超窄间隙（5 mm）和窄间隙（8 mm）进行根部焊道试验，电流160~260 A。超窄间隙根部焊道横截面呈水滴状，侧壁熔深1.5~2 mm，而窄间隙最大仅0.8 mm。在200 A以上电流时，超窄间隙侧壁熔深可达窄间隙的2~4倍，且热影响区（HAZ）宽度控制在合理范围。200 A以下时，窄间隙易出现侧壁熔深不均；超窄间隙因电弧效率高，无此问题。推荐根部焊道电流220~240 A。
**3.2.2 工艺参数确定**
通过填充焊道对比实验（200~230 A，送丝速度1000 mm/min），确认填充层与盖面层参数。最终工艺：根部焊道220 A/13.5 V/15.8 cm/min，填充层250 A/15 V/15.8 cm/min（送丝1250 mm/min），盖面层230 A/14 V/15.8 cm/min（送丝1250 mm/min），热输入分别9.59、12.10、10.39 kJ/cm。保护气流量从30 L/min递减至15 L/min。焊接6层（1层根部+4层填充+1层盖面），与窄间隙相比，电流降低30 A，速度提高50%，送丝速度提高80%，热输入仅为窄间隙的30%~50%，焊道数减少。
**4.1 宏观与显微组织分析**
**4.1.1 宏观形貌**
超窄间隙接头横截面显示侧壁与层间熔合良好，无未熔合缺陷。填充焊道侧壁熔深1.6~2 mm，盖面层达2.5 mm，均优于窄间隙（0.5~1.45 mm）。盖面层弧约束减弱，旋转电弧直接加热侧壁并冲刷熔池，进一步增大熔深。
**4.1.2 微观组织分析**
母材为珠光体与铁素体层状分布。焊缝组织为均匀分布的珠光体和铁素体，由于旋转电弧搅拌作用，比母材更细密。层间区域受多次热循环影响，奥氏体晶粒粗化，出现针状铁素体沿原奥氏体晶界析出。不同焊道组织差异：盖面层热输入小，组织最致密；填充层与根部焊道组织略粗但仍优于母材。热影响区（HAZ）分为过热区（出现魏氏组织）、相变重结晶区（细小块状铁素体+多边形铁素体+珠光体）、不完全重结晶区及再结晶区，各区域组织不均匀，其中过热区对塑性韧性有一定损害。
**4.2 力学性能**
**4.2.1 拉伸试验**
超窄间隙接头拉伸试样均断裂于母材区，呈现明显颈缩和大量韧窝（典型韧性断裂）。抗拉强度最大值531 MPa，超过母材，断后伸长率和断面收缩率良好，表明接头综合拉伸性能优异。
**4.2.2 弯曲试验**
正弯和背弯试验中弯曲角度达160°，无裂纹等缺陷。根部焊道区成分与组织均匀，塑性表现良好。
**4.2.3 冲击试验**
室温冲击试验（20°C）显示，接头冲击吸收功在54.5~90.8 J之间，冲击韧性约121~228 J/cm2，虽低于母材但满足Q345b要求（≥34 J）。断口呈纤维状，布满大而深的韧窝，为韧性断裂特征。
**4.2.4 硬度试验**
横向硬度分布：焊缝区维氏硬度（HV）最高（200~300 HV），热影响区次之（180~200 HV），母材最低（160~180 HV）。纵向硬度：盖面层最高（约318 HV），填充层200~250 HV，根部焊道约150 HV（接近母材）。盖面层细晶强化导致硬度升高，根部焊道晶粒较粗硬度和较低。
**总结讨论与结论**
研究人员对比了旋转电弧超窄间隙与窄间隙GTAW工艺，揭示了超窄间隙下电弧形状、熔滴过渡及熔池流动行为的独特机制，证实了旋转电弧的强烈搅拌效应能显著提高侧壁熔深、细化显微组织并改善接头力学性能。基于16 mm厚Q345b钢板的实验，得出以下结论：
(1) 旋转电弧超窄间隙焊接时，侧壁对电弧的约束增强，电弧呈椭圆形且尺寸更小，可同时加热侧壁与熔池，进一步提高了热效率。
(2) 电弧旋转过程中，焊丝端部在半周期内与熔池保持接触，另半周期内发生两次过渡，每次过渡经历接触-颈缩-分离-延伸-再接触过程，熔滴过渡相对稳定。
(3) 旋转电弧超窄间隙GTAW的侧壁熔深可达旋转电弧窄间隙GTAW的2~4倍，根部焊道、填充焊道和盖面层的热输入分别控制在9.59 kJ/cm、12.10 kJ/cm和10.39 kJ/cm，有效提高了焊接质量和效率。
(4) Q345b超窄间隙焊接接头的显微组织为珠光体和多种形式铁素体的混合组织，由于旋转电弧的搅拌作用，焊缝组织比母材更细小。焊接接头强度高于母材，断裂发生在母材区；正弯和背弯试验可达160°，室温冲击韧性为158 J/cm2，表明接头具有良好的塑性、韧性和综合力学性能。
