超窄間隙MAG/MIG焊接技術

張富巨，郭嘉琳，張國棟，王宇飛

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

超窄間隙MAG/MIG焊接技術

張富巨1，2，郭嘉琳1，張國棟1，王宇飛2

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

對超窄間隙MAG/MIG焊進行學術界定，指出實現超窄間隙MAG/MIG焊必須的四大關鍵技術，即超窄間隙焊槍技術、智能跟蹤技術、氣體保護技術和熔滴過渡技術。分析了該技術的主要技術優勢是焊態焊接接頭的強韌性能更優，焊接應力更低；主要經濟優勢是焊接生產率相對已有窄間隙焊接技術大幅度提高，焊接生產成本大大降低。

超窄間隙焊接；埋弧焊；MAG/MIG焊；TIG焊

0 前言

21世紀弧焊技術主要向更高生產率、數字化自動化基礎上的更高智能化和機器人化方向進步，而窄間隙焊接技術是實現更高生產率最成熟有效的途徑。窄間隙氣體保護焊（NG-MAG/MIG Welding）在20世紀70、80年代獲得早期應用，自20世紀末，人們開始了“超窄間隙MAG/MIG焊”（UNG-MAG/MIGWelding）技術的應用研究[1－2]。窄間隙MAG/MIG焊和超窄間隙MAG/MIG焊是一種技術的兩個發展階段和兩種水平，前者是初級技術，后者是升級技術。“窄間隙”和“超窄間隙”目前尚無公認的學術界定。本研究認為，焊接坡口為基本I型，采用單層單道熔敷方式，最小組裝間隙小于8 mm為超窄間隙，大于等于8 mm的為窄間隙。該劃界的依據有兩點：一是國內外已有的研究，超窄間隙坡口組裝間隙基本為5～7 mm；二是生產上已獲得廣泛應用的窄間隙MAG/MIG焊，其最小組裝間隙一般為9～12mm。本研究給出基于生產應用的坡口尺寸設計、根部焊道和填充焊道的熔敷方式，技術特性和經濟特性及其需要的關鍵技術[3－4]。

1 超窄間隙焊接坡口尺寸

單面超窄間隙MAG/MIG焊的典型坡口尺寸設計如圖1所示。其根部最小組裝間隙一般為5～7mm，過小不利于根部鈍邊的熔透，過大易產生側壁的未熔合。當板厚t＝20～300 mm時，單面焊接時其坡口面角β很小，一般為0.4°～1°，雙面焊接時其坡口面角β降低30%～50%。

圖1 典型超窄間隙MAG/MIG焊單面焊接坡口尺寸

2 根部焊道和填充焊道的熔敷方式

對于對接接頭而言，單面焊接和雙面焊接都存在根部焊道，其成形方式通常有強迫成形和自由成形兩種。強迫成形可選擇金屬墊板（永久保留在焊件內）、水冷銅墊和陶瓷墊（含熔劑墊）。自由成形一般較難，根部的熱輸入必須與根部熔透正確適配，保證熔透的同時杜絕燒穿是關鍵，脈沖電流加電弧擺動技術是較為可靠、有效的工藝技術方案。

窄間隙MAG/MIG焊的填充焊道通常有兩種方式，即固定側偏單層雙道熔敷方式和擺動電弧單層單道熔敷方式。而超窄間隙MAG/MIG焊道只能采用無擺動電弧單層單道熔敷方式，這是因為坡口組裝間隙更窄，為無擺動的居中電弧同時加熱熔化兩側壁坡口創造了充分必要條件。

74mm板厚和100mm板厚的不同焊件，分別采用單面焊接和雙面焊接的超窄間隙MAG焊接，接頭的宏觀照片如圖2所示。

3 超窄間隙MAG/MIG焊的關鍵技術[5－8]

超窄間隙MAG/MIG焊的關鍵技術與窄間隙MAG/MIG焊相同，仍是多功能集成焊槍技術、焊縫軌跡自適應智能跟蹤技術、高溫焊接區冶金保護技術和熔滴過渡高度穩定性技術，區別在于超窄間隙條件下技術實現的難度更大、要求更高。

圖2 超窄間隙MAG焊接接頭

當板厚超過13 mm時，一般焊槍必須伸入到超窄間隙的焊接坡口內施焊。該焊槍的厚度通常不超過6 mm，且必須精心設計并集成下述五大功能和技術要求：①極小的阻力下導絲（焊絲）；②平行于電弧軸向層流態導入保護氣體至焊接高溫區；③通過循環冷卻介質高效冷卻焊槍本體；④趨零壓降下長時傳導高強度焊接電流于導電嘴；⑤與熔池表面和兩側壁焊接坡口具有可靠的、長時間的高溫絕緣性能。集成并滿足上述要求的超窄間隙MAG/MIG焊槍技術是實現超窄間隙焊接的前提條件。

焊接電弧能否可靠且高精度地居中于實時變化的焊接坡口中心，是實現超窄間隙MAG/MIG焊的另一前提條件，這必須依賴焊縫軌跡的自適應跟蹤技術來完成。超窄間隙MAG/MIG焊接的跟蹤精度在±0.1 mm為佳。基于可靠性更高、跟蹤成本更低的要求，采用基于接觸傳感、焊槍設計成浮動狀態、依靠彈性壓力平衡原理的自適應跟蹤技術，往往更適用于超窄間隙MAG/MIG條件下的智能實時跟蹤要求。

采用后置式氣體分流器、加長導氣流道等技術，是實現平行電弧軸線層流態導氣、可靠冶金保護和防止氣孔產生的適用技術。

熔滴過渡的高度穩定性主要體現在焊接過程中完全杜絕顆粒直徑大于0.2 mm的焊接飛濺，極細顆粒的焊接飛濺率最好在0.2%以下。能實現上述熔滴過渡高度穩定性的弧焊電源，方能滿足超窄間隙MAG/MIG焊的技術要求。

4 超窄間隙MAG/MIG焊的技術特性

焊接坡口的填充面積直接決定弧焊工藝技術的先進性，超窄間隙決定該技術下的焊接坡口填充面積比窄間隙更小。超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術焊接坡口填充面積的比較如圖3所示，在板厚t=20～200 mm時，相同板厚和相同單面對接條件下，超窄間隙MAG/MIG焊的坡口填充面積比窄間隙MAG/MIG焊低34%～39%，比窄間隙SAW低46%～59%，比窄間隙TIG焊低21%～30%。

圖3 超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術焊接坡口填充面積的比較

焊接坡口填充面積的大幅度降低將帶來以下技術優勢：

（1）更低的熔敷體積使焊接熱輸入較大幅度降低，較單層單道熔敷方式的窄間隙MAG/MIG焊可降低30%～40%。

（2）焊接熱輸入的較大幅度降低，將使焊縫區和焊接熱影響區的過熱程度和高溫區間的持續時間降低，從而導致焊縫區和熱影響區的晶粒長大程度降低，即可獲得細小晶粒比例更大的接頭組織，這有利于增加焊態焊接接頭的強度，提高塑性和韌性，進而提高承載能力。

（3）對于調質高強鋼，熱輸入的降低會產生很窄的熱影響區和很低的焊接熱影響區性能損傷，不完全重結晶區的強度弱化幾乎可以忽略，過熱區的硬化脆化程度大幅度降低，較容易達到規程接受的技術狀態。這一獨特的技術優勢是目前很多弧焊技術在焊態難以達到的。

（4）焊接熱輸入的較大幅度降低，將大大降低焊接殘余應力和殘余變形，這有利于進一步提高焊接接頭接頭的承載能力，同時大幅度提高焊接產品的形位尺寸精度。

綜上所述，采用超窄間隙MAG/MIG焊接技術，焊態焊接接頭的力學性能將更加優異，通常無需焊后熱處理來調整組織和降低應力，為簡化生產工藝流程和進一步降低生產成本提供了可能性。

5 超窄間隙MAG/MIG焊接的經濟特性

超窄間隙MAG/MIG焊接工藝技術的經濟特性主要用焊接生產率和直接焊接生產成本來描述。中厚板、厚板、超厚板三種典型板厚下平焊位置單面對接焊的焊接生產率比較如圖4所示。可以看出，在中厚板（t=20 mm）對接時，超窄間隙MAG焊的生產率較窄間隙MAG焊、窄間隙SAW和窄間隙TIG焊分別提高了59.8%、66.7%和3.33倍；厚板（t=80 mm）對接時，分別提高了51%、47%和3.24倍；超厚板（t=200 mm）對接時，分別提高了45.8%、29.6%和2.89倍。更高的焊接生產率將為縮短焊接生產周期作出巨大貢獻。

超窄間隙MAG/MIG焊的焊接坡口填充面積的大幅度降低，直接決定了焊接生產成本的焊材消耗、電能消耗和工時消耗的大幅度降低。三種典型板厚下每米對接焊縫的直接焊接生產成本比較如圖5所示。

圖4 超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術的焊接生產率比較

圖5 超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術的直接生產成本比較

由圖5可知，板厚t=20～200 mm時，焊接生產直接成本較窄間隙埋弧焊降低60%～71%；較窄間隙鎢極氬弧焊降低59%～65%；較窄間隙MAG降低32%～39%。

6 結論

（1）采用單層單道熔敷方式、焊接坡口最小組裝間隙小于8 mm、焊接坡口面角β＜1°的超窄間隙MAG/MIG焊接技術，是窄間隙MAG/MIG焊接技術的升級，是21世紀填充式弧焊技術的高端技術。

（2）超窄間隙MAG/MIG焊接技術應用的前提條件是：多功能集成超窄間隙MAG/MIG焊槍技術、焊縫軌跡自適應智能跟蹤技術、高溫焊接區的高效氣體保護技術和熔滴過渡高度穩定性技術，這四大關鍵技術必須同時攻克且穩定可靠。

（3）超窄間隙MAG/MIG的主要技術優勢是：焊態焊接接頭的強韌性能更好。焊接調質高強鋼時焊接HAZ中的硬化脆性和軟化程度大幅度減輕，焊接殘余應力更低。主要經濟優勢是焊接生產率極大提高，大幅度降低了焊接生產成本。

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Ultra-narrow gap MAG/MIG welding technology

ZHANG Fuju1，2，GUO Jialin1，ZHANG Guodong1，WANG Yufei2
（1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Narrowgap Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan430223，China）

In this paper，we defined at first ultra-narrow gap welding process，and proposed four key technologies for realizing UNGW: ultra-narrow gap welding torch technology，welding seam tracking technology，gas shielded arc technology and metal transfer technology. Then we concluded that the technical advantages are higher strength/toughness welded joint，lower welding stress，and that the economic advantages are substantial improvement in welding productivity and revolutionary reduction in welding cost.

ultra-narrow gap welding；SAW；MAG/MIG welding；TIG welding

TG444+.72

A

1001－2303（2017）08－0024-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.05

2017-07-13

張富巨（1951—），男，教授，博士生導師，主要從事高效率弧焊技術與設備的開發研究工作。E-mail：871215648@qq.com。

本文參考文獻引用格式：張富巨，郭嘉琳，張國棟，等.超窄間隙氣體MAG/MIG焊接技術[J].電焊機，2017，47（08）：25-29.