不銹鋼氬-氦混合氣MAG自動焊工藝

（上海航天設備制造總廠，上海 200245）

0 前言

活性氣體保護電弧焊（MAG）具有焊接區保護簡單、便于觀察、熔深較大、生產效率高等優點[1-2]，適合于中厚板金屬材料的焊接。當使用富氬混合氣體[φ（Ar）80%Ar+φ（CO2）20%]時，不僅具有氬氣良好的保護性，同時具有氧化性，可以避免純CO2氣體保護焊的大飛濺，有效改善焊接勞動條件[3-4]。

氦氣與氬氣相比其熱導率較大，在相同的焊接電流和電弧強度下電壓高，電弧溫度高，因此母材輸入熱量大、弧柱細而集中，焊縫有較大的熔透率。在厚板金屬焊接中有較多的應用[5-7]。

對于不銹鋼焊接來說，目前常規MAG焊的保護氣體多為φ（Ar）98%+φ（CO2）2%或φ（Ar）98%+φ（O2）2%，大型厚板不銹鋼焊接時會有效率低、熔深不足等缺點。CTB外盒體為超導饋線系統的主要部件，其主體結構為8 m×1.9 m×1.5 m矩形箱體，材料為40 mm厚度的304L不銹鋼，由兩塊側板、一塊底板、一塊頂板焊接而成，所有焊縫質量滿足ISO5817-2003 B級標準要求。若采用常規MAG焊接該產品，焊接效率低，焊接量較大。

采用 φ（Ar）78%+φ（He）20%+φ（CO2）2%混合保護氣體，以16mm厚的304L不銹鋼為試板，對MAG自動焊進行工藝參數研究，以期獲得滿足產品要求的焊縫質量，為厚板不銹鋼的高效焊接提供借鑒。

1 試驗設備及方法

試驗板材為304L不銹鋼，規格400mm×200mm×16 mm，V型坡口對接形式，單面焊雙面成形，如圖1所示。焊絲采用ER308L，直徑φ1.2 mm，母材及焊絲的化學成分如表1所示。保護氣體采用φ（Ar）78%+φ（He）20%+φ（CO2）2%混合氣體，焊接層數及焊接工藝參數如圖2和表2所示。

表1 母材及焊絲材料的化學成分Table 1 Chemical composition of the parent metal and welding material%

圖1 焊接坡口示意Fig.1 Schematic of welding groove

圖2 焊接層數示意Fig.2 Schematic of welding layer

表2 焊接工藝參數Table 2 Welding parameters

為了能保證產品焊接效率，采用福尼斯TPS-5000型焊機及FDV-80型自動行走小車搭建的焊接系統進行焊接，如圖3所示。福尼斯TPS-5000型焊機為完全數字化、微電腦控制的逆變電源焊機，可實時監測實際參數值；FDV-80型自動行走小車通過4輪驅動實現焊機的拖動，通過FRC-40遠程控制單元實現焊接過程中遠程遙控。焊接完成后對試板進行X射線探傷。

2 試驗結果及討論

試板焊縫X射線探傷結果如圖4所示，在焊縫中部及焊縫外圍出現了較多氣孔。鋼材料焊接時產生的氣孔多為氫氣孔和CO氣孔。氫氣孔是周圍空氣中的水氣、母材或焊材上的油污、鐵銹中結晶水等在焊接時分解成氫，在高溫下氫能大量溶解于液態金屬中，而冷卻時氫在金屬中的溶解度急劇下降，導致在熔池中析出氫氣孔；CO氣孔的產生是因為焊接時發生冶金反應：[C]+[O]=CO、[FeO]+[C]=CO+[Fe]。304L不銹鋼含碳量低，發生上述冶金反應較少，一般不會產生CO氣孔[8]，故氣孔應為氫氣孔。

圖3 焊接系統Fig.3 Welding system

焊絲及試板焊接前均經過嚴格的清洗工序，因此可以排除母材或焊材上存有的油污等不潔原因導致氫氣孔。故推測氣孔產生的原因可能是周圍空氣中存在的水氣在焊接時產生氫，在熔池凝固過程中，氫氣來不及逸出而殘留在焊縫中，成為氣孔。另一方面，焊接電流190 A時熔滴的過渡形式為短路過渡，電弧不穩定，在短路過程結束時可能造成電弧紊亂，使周圍氣體卷入電弧而產生氣孔，并且此時焊接過程中有較大的飛濺，焊接條件較差。

焊接電流270 A時試板焊縫X射線探傷結果如圖5所示，焊接參數如表3所示。當焊接電流增加到270 A時，熔滴過渡形式從短路過渡轉變為射流過渡，熔滴呈噴射狀態過渡至熔池。此時電弧穩定，基本無飛濺；同時由于增大了焊接電流，增加了熱輸入量，延長了熔池存在的時間，有利于氣體逸出，因此焊縫中無氣孔。但是氦氣的加入使得電弧溫度提高，熱輸入量進一步加大，故焊縫出現部分咬邊現象，咬邊將減少母材的有效截面積，在咬邊處還可能引起應力集中，故焊縫質量無法滿足產品要求。

圖4 焊縫X射線探傷結果（電流190 A）Fig.4 Result of X-ray inspection（The current is 190 A）

圖5 焊縫X射線探傷結果（電流270 A）Fig.5 Result of X-ray inspection（The current is 270 A）

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding parameters

平均電流240 A（脈沖電流）時試板焊縫X射線探傷結果如圖6所示，焊接參數如表4所示。當焊接電流加入脈沖后，可以降低射流過渡的臨界電流。即在平均電流為240 A時能產生穩定的射流過渡電弧，實現低平均電流下達到穩定的射流過渡狀態。一方面，低平均電流使得焊接周期內熱輸入量有所減小，避免焊縫出現咬邊現象；另一方面，高峰值電流在焊接過程中產生的熱量保證熔池有足夠的時間逸出氣體，保證焊縫中沒有氣孔。從X射線探傷結果可知，焊縫質量滿足ISO 5817-2003 B級標準要求，整個焊接過程中基本無飛濺，焊接勞動條件良好。

3 結論

（1）采用氬-氦混合氣體以短路過渡形式焊接304L不銹鋼時，電弧不穩定，飛濺較大，容易產生氣孔缺欠，氣孔種類應為氫氣孔。

圖6 焊縫X射線探傷結果（平均電流240 A）Fig.6 Result of X-ray inspection(The average current of 240 A)

表4 焊接工藝參數Table 4 Welding parameters

（2）當采用射流過渡形式焊接304L不銹鋼時電弧較穩定，無氣孔。但由于氦氣的加入導致出現咬邊現象。

（3）以 φ（Ar）78%+φ（He）20%+φ（CO2）2%混合氣體為保護氣體，采用平均電流240 A的脈沖電流焊接304L不銹鋼可以獲得滿足ISO 5817-2003 B級標準要求的焊縫質量。