常用金屬焊接技術(shù)研究與分析

孫明楊

引言：本文主要對常用金屬焊接技術(shù)進(jìn)行研究，對焊接技術(shù)的基層原理進(jìn)行分析和推廣。

一、氬弧焊技術(shù)

氬弧焊按照電極的不同分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊兩種。

（一）非熔化極氬弧焊的工作原理及特點(diǎn)

非熔化極氬弧焊是電弧在非熔化極（通常是鎢極）和工件之間燃燒，在焊接電弧周圍流過一種不和金屬起化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體（常常用氬氣），形成一個保護(hù)氣罩，使鎢極端頭，電弧和熔池及已處于高溫的金屬不與空氣接觸，能防止氧化和吸收有害氣體。從而形成致密的焊接接頭，其力學(xué)性能非常好。

（二）熔化極氬弧焊的工作原理及特點(diǎn)焊絲通過絲輪送進(jìn)，導(dǎo)電嘴導(dǎo)電，在母材與焊絲之間產(chǎn)生電弧，使焊絲和母材熔化，并用惰性氣體氬氣保護(hù)電弧和熔融金屬來進(jìn)行焊接的。它和鎢極氬弧焊的區(qū)別：一個是焊絲作電極，并被不斷熔化填入熔池，冷凝后形成焊縫；另一個是保護(hù)氣體，隨著熔化極氬弧焊的技術(shù)應(yīng)用，保護(hù)氣體已由單一的氬氣發(fā)展出多種混合氣體的廣泛應(yīng)用，如Ar80%+CO220%的富氬保護(hù)氣。通常前者稱為MIG，后者稱為MAG。從其操作方式看，目前應(yīng)用最廣的是半自動熔化極氬弧焊和富氬混合氣保護(hù)焊，其次是自動熔化極氬弧焊。熔化極氬弧焊與鎢極氬弧焊相比，有如下特點(diǎn)。（1）效率高因?yàn)樗娏髅芏却?，熱量集中，熔敷率高，焊接速度快。另外，容易引弧。?）需加強(qiáng)防護(hù)因弧光強(qiáng)烈，煙氣大，所以要加強(qiáng)防護(hù)。

（三）保護(hù)氣體（1）最常用的惰性氣體是氬氣。它是一種五色無味的氣體，在空氣的含量為0.935%（按體積計(jì)算），氬的沸點(diǎn)為-186℃，介于氧和氦的沸點(diǎn)之間。氬是氧氣廠分餾液態(tài)空氣制取氧氣時的副產(chǎn)品。我國均采用瓶裝氬氣用于焊接，在室溫時，其充裝壓力為15MPa。鋼瓶涂灰色漆，并標(biāo)有“氬氣”字樣。氬氣是一種比較理想的保護(hù)氣體，比空氣密度大25%，在平焊時有利于對焊接電弧進(jìn)行保護(hù)，降低了保護(hù)氣體的消耗。氬氣的缺點(diǎn)是電離勢較高。當(dāng)電弧空間充滿氬氣時，電弧的引燃較為困難，但電弧一旦引燃后就非常穩(wěn)定。

（四）氬弧焊的缺點(diǎn)：由于熱影響區(qū)域大，工件在修補(bǔ)后常常會造成變形、硬度降低、砂眼、局部退火、開裂、針孔、磨損、劃傷、咬邊、或者是結(jié)合力不夠及內(nèi)應(yīng)力損傷等缺點(diǎn)。尤其在精密鑄造件細(xì)小缺陷的修補(bǔ)過程在表面突出。在精密鑄件缺陷的修補(bǔ)領(lǐng)域可以使用冷焊機(jī)來替代氬弧焊，由于冷焊機(jī)放熱量小，較好的克服了氬弧焊的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了精密鑄件修復(fù)難題。

熔化氬弧焊采用直流反接，有利于電弧穩(wěn)定，并能充分發(fā)揮“陰極破碎”作用。焊接電流應(yīng)大于獲得噴射過渡的最小臨界電流值，以獲得噴射過渡形成；電弧電壓稍低些，以保證噴射過渡的穩(wěn)定性。熔化極氬弧焊的焊接電流較大。電弧功率與熔池體積也比鎢極氬弧焊大，對熔池和電弧區(qū)的保護(hù)要求較高，因此氬氣流量及噴嘴孔徑相應(yīng)增大。通常氬氣流量約為30～60L/min，噴嘴孔徑為20mm左右。

二、MIG自動焊在鋁鎂合金焊接中的應(yīng)用

GIS是一種氣體絕緣全封閉開關(guān)設(shè)備，將各組成元件裝入密封的金屬接地罐體內(nèi)，并在此罐體內(nèi)充入作為絕緣及滅弧介質(zhì)的SF6氣體，是電力輸送的關(guān)鍵設(shè)備。公司于1998年開始進(jìn)行126GIS新產(chǎn)品的研制。為減少渦流及減輕重量，金屬接地罐體材質(zhì)選用鋁鎂合金板材和鑄件。參考國外同行焊接工藝，日本東芝利用焊接機(jī)器人采用雙絲MIG焊。日本三菱采用混合氣保護(hù)的MIG自動焊。瑞士ABB 采用等離子弧焊接。都取得了良好的焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高效率化。公司開始采用的是手工氬弧焊（TIG），為滿足GIS產(chǎn)品產(chǎn)量的迅速增加，保證罐體類部件的供給，必須采用一種高效、高質(zhì)量的焊接工藝。經(jīng)調(diào)研分析，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際現(xiàn)狀，將方案定為MIG自動焊接成套設(shè)備（簡稱MIG自動焊）。于2002年7月開始MIG自動焊工藝的研究與應(yīng)用。

（一）鋁合金焊接特點(diǎn)

材質(zhì)選用5A02，其成分見表1。屬于變形鋁合金，不能熱處理強(qiáng)化。鋁鎂合金化學(xué)性活潑，表面極易生成難熔的氧化鋁薄膜，熔點(diǎn)2050℃。這層氧化膜不溶于金屬且妨礙被熔融填充金屬潤濕，焊前要清理這層氧化膜。鋁合金導(dǎo)熱性是鋼的5倍，焊接熱輸入大，焊接變形難控制。焊接過程中熔體易吸氫，焊后冷卻凝固過程中來不及析出便在焊縫中形成氣孔。板材厚度在6～50mm，從熔焊深度角度考慮， TIG適于焊板厚小于3mm，MIG單面熔深可達(dá)6mm，選用熔深大的MIG焊，可提高效率。

（二）焊前清理

清理是除去焊口及附近的氧化鋁、油、水分等，減少焊縫中的氫氣孔。采用鋼絲輪打磨及丙酮清洗的方式使其露出金屬光澤。清理完成至焊接不超過2h。TIG焊時，大于10mm的厚板采取預(yù)熱，對MIG焊，不進(jìn)行預(yù)熱處理，減少對其抗應(yīng)力腐蝕開裂性能的影響。

（三）焊接工藝

（1）對接焊縫選用6mm板材，采用V形鈍邊坡口，坡口角度70°，鈍邊1～2mm，單面雙層焊。角接焊縫選用6mm+25mm不等厚板材，內(nèi)焊縫V形鈍邊坡口，坡口角度70°，鈍邊1～2mm，外焊縫不開坡口，雙面焊。

（2）焊接電源采用法國SAF480加送絲機(jī)構(gòu)，配變位機(jī)等專用輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動化。

（3）焊絲選用SAF 產(chǎn)ER5356 ，規(guī)格為<1.2mm和<1.6mm的盤狀焊絲。

（4）采用純度≥99. 99 %的高純氬作為保護(hù)氣體。

（5）焊接方式采用射流過渡打底，采用脈沖過渡蓋面，保證內(nèi)在及表面焊接質(zhì)量。

（6）焊接參數(shù)見表2。

（四）焊接檢驗(yàn)

對接焊接試板按照J(rèn)B4730—94規(guī)定進(jìn)行X射線探傷，焊縫評定為Ⅰ級或Ⅱ級，滿足設(shè)計(jì)要求。按照GB/T228—2002、GB232—98、JB/T9071—99規(guī)定進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到185～198MPa。彎曲180°拉伸面無裂紋，彎曲直徑24mm。工藝評定試驗(yàn)合格。根據(jù)工藝驗(yàn)證報告編制焊接工藝，指導(dǎo)批量焊接罐體，焊縫探傷、水壓、氣壓、密封性SF6氣體檢漏等試驗(yàn)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。半年多生產(chǎn)近1000件合格產(chǎn)品，證明了這項(xiàng)MIG自動焊工藝的穩(wěn)定性。

三、結(jié)論

氬弧焊及MIG自動焊作為兩種比較典型的焊接技術(shù)，工藝質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。必須保持焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。通過采用自動焊的方式，能夠有效降低焊接質(zhì)量對焊工技能的依賴。

（作者單位：遼河石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院13級焊接1班）