淺談MIG焊接工藝研究

王 瀟

（上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院上海200240）

淺談MIG焊接工藝研究

王 瀟

（上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院上海200240）

目前，融化極惰性氣體保護(hù)（MIG）焊接技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，各種自動化的焊接設(shè)備也相繼孕育而生。寶鋼特鋼有限公司冷軋廠目前擁有三臺MIG焊機(jī)，為美國Guild公司生產(chǎn)的RCM375-54型號，分別應(yīng)用于冷軋廠拼卷、連續(xù)退火、酸洗三條產(chǎn)線，可焊接0．7 mm～7．1 mm厚、600 mm～1 300 mm寬度的不銹鋼卷。本文主要對基本焊接工藝參數(shù)進(jìn)行分析，并對焊接操作過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行歸類，以達(dá)到優(yōu)化焊接工藝、提高員工操作水平的目的。

MIG 焊接工藝 熔池

任何一種焊接都表現(xiàn)為能量的作用。電弧焊的能量源是焊接電流，在焊接中對被焊件起到熱和力的作用，是被焊件熔化并形成焊縫的前提。

一、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）焊接工藝介紹

熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG），是采用電弧作為熱源熔化連續(xù)送進(jìn)的焊絲和母材金屬，在氣體保護(hù)下形成熔池和焊縫的焊接方法。在焊接時(shí)，保護(hù)氣體從焊槍噴嘴中不斷連續(xù)的噴出，覆蓋在電弧、熔滴、熔池及焊絲組成的焊接區(qū)的外圍，形成局部氣體保護(hù)層，機(jī)械地將空氣與焊接區(qū)隔絕，從而保證焊接的穩(wěn)定性，并獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊縫。

熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）設(shè)備包括焊槍、焊接電源、保護(hù)氣供氣系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)、焊槍冷卻系統(tǒng)等部分。電源的一級接在工件上，另一段接在焊槍的導(dǎo)電嘴上。冷軋廠使用的RCM型號焊機(jī)使用直流反接法，它將焊槍和焊絲作為陽極，機(jī)架底座和支撐銅棒作為陰極。一般情況下，焊絲接陰極的熔化速度高于焊絲接陽極時(shí)的熔化速度。但是焊絲接陰極時(shí)電弧不穩(wěn)定，熔滴過渡不規(guī)則且焊縫成形不良，所以絕大部分情況下，MIG焊接要求焊絲接陽極，這時(shí)電弧穩(wěn)定，但是焊絲熔化速度較低。MIG焊接通常不用交流電，主要原因是電流過零時(shí)電弧熄滅，電弧難以再引燃且焊絲為陰極的半波電弧不穩(wěn)定。

送絲機(jī)構(gòu)將焊絲從焊絲盤中拉出并送入焊槍，在焊絲經(jīng)過焊槍時(shí)，通過與導(dǎo)電嘴的接觸而帶電，并與工件間形成電弧。用控制系統(tǒng)來供給和停止保護(hù)氣體和冷卻水、控制焊接電源的啟動和停止以及按要求控制送絲速度。

冷軋廠所使用的RCM375-54弧焊機(jī)設(shè)備主要包括以下部分：

（1）焊機(jī)機(jī)架主體：機(jī)架上包括出、入口機(jī)械側(cè)導(dǎo)，起對中帶頭帶尾的作用；一個圓盤滾剪，將帶頭帶尾切齊使之平行；一對出、如口夾鉗，將帶頭帶尾夾緊固定，為焊接做準(zhǔn)備。

（2）焊接小車：焊接小車由絲桿控制，帶動焊槍移動完成焊接過程；小車上有送絲機(jī)構(gòu)，在焊接時(shí)焊絲送入焊槍。

（3）焊接電源：該焊機(jī)采用直流恒壓電源，保證焊接過程中電壓穩(wěn)定。

（4）輔助設(shè)備：一個水冷卻設(shè)備用來冷卻焊槍；一個保護(hù)氣供氣系統(tǒng)，目前MIG焊槍采用98％Ar+2％O2的混合氣體。

一、主要焊接工藝參數(shù)

1.焊接電流和電壓。見圖1。

圖1 焊接電流和電壓示意

首先應(yīng)根據(jù)所焊材料選擇所需要的焊絲規(guī)格，一般來說，焊絲成分與母才越接近越好。若其他參數(shù)不變，焊接電流與送絲速度成遞增關(guān)系。即在給定的焊絲直徑下，增大送絲速度，焊接電流也會隨之增加。同樣的送絲速度，直徑大的焊絲將會產(chǎn)生更大的電流。焊絲直徑一定時(shí)，焊接電流（送絲速度）的選擇與熔滴過渡類型有關(guān)。電流較小時(shí)，熔滴為滴狀過渡（若電弧電壓過低，則為短路過渡），滴狀過渡時(shí)，飛濺較大，焊接過程不穩(wěn)定。而短路過渡時(shí)，電弧功率較小，一般用于薄板焊接。當(dāng)電流超過一個臨界電流時(shí)，熔滴為噴射過渡。噴射過渡是生產(chǎn)中采用最廣泛的過渡形式，要獲得穩(wěn)定的噴射過渡，焊接電流還必須小于使焊縫起皺的臨界電流，以保證穩(wěn)定的焊接過程和焊接質(zhì)量。焊接電流一定時(shí)，焊接電壓應(yīng)該與焊接電流相匹配，以避免氣孔、咬邊、飛濺等缺陷。

2．焊接速度。單道焊的焊接速度是焊槍沿接頭中心線方向的相對移動速度。在其他條件不變時(shí)，熔身隨焊速增大而增大并有一個最大值。焊速減小時(shí)，單位長度上填充金屬的熔敷量增加，熔池體積增大，由于這時(shí)電弧直接接觸的只是液態(tài)熔池金屬，固態(tài)母材金屬的熔化是靠液態(tài)金屬的導(dǎo)熱作用實(shí)現(xiàn)的，故熔深減小，熔寬增加；焊接速度過高，單位長度上電弧傳給母材的熱量顯著降低，母材的熔化速度減慢，隨著焊速的提高，熔深和熔寬均減小，焊接速度過高可能產(chǎn)生咬邊（母材和焊縫金屬交界處的凹下溝槽稱為咬邊，咬邊會因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，應(yīng)盡可能消除）。自動焊接時(shí)，隨著焊接速度的增大，從噴嘴噴出的保護(hù)氣體，因受前方靜止空氣的阻礙作用，會產(chǎn)生變形和彎曲，焊速越快，氣流變形彎曲愈嚴(yán)重，以致可能使焊絲末端、電弧以及熔池的一部分越出保護(hù)區(qū)而暴露在空氣中，從而惡化了保護(hù)效果。為此通過改善噴嘴結(jié)構(gòu)及增大流量等措施來保證高速焊接時(shí)的氣體保護(hù)作用。

3．氣體流量。通常保護(hù)氣氛為Ar+O2，在Ar中加入O2可用于碳鋼、不銹鋼等高合金和高強(qiáng)度鋼的焊接。其最大優(yōu)點(diǎn)是克服了純Ar保護(hù)焊接不銹鋼時(shí)存在的液體金屬黏度大、表面張力大而易產(chǎn)生氣孔，焊縫金屬潤濕性差易產(chǎn)生咬邊，陰極斑點(diǎn)飄移而產(chǎn)生電弧不穩(wěn)等缺點(diǎn)。焊接不銹鋼等高合金鋼以及強(qiáng)度較高的鋼時(shí)，O2的含量應(yīng)該控制在1％～5％，用于焊接碳鋼和低合金鋼時(shí)，O2得含量可達(dá)到20％。我廠MIG焊接所使用的保護(hù)氣體98％Ar+2％O2。保護(hù)氣體從噴嘴噴出有兩種情況：較厚的層流和接近于紊流的較薄層流，前者有較大的有效保護(hù)范圍和較好的保護(hù)作用，因此，為了得到層流的保護(hù)氣流，加強(qiáng)保護(hù)效果，需采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的焊槍和合適的氣體流量，氣體流量過大或者過小都會造成紊流，由于MIG焊對熔池的保護(hù)要求較高，如果保護(hù)不良，焊縫表面便會起皺紋，通常噴嘴的孔徑為20 mm左右，氣體流量為30 L/min～60 L/min。

4．焊絲選擇。熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（MIG）使用的焊絲成分，通常情況下應(yīng)與母材的成分接近，同時(shí)焊絲應(yīng)具有良好的焊接工藝性，并能保證良好的接頭性能。熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊使用的焊絲直徑一般在0.8 mm～2.5 mm。我廠焊接不銹鋼主要使用成分為309 L-Si、Φ1.2 mm的焊絲。對于厚度1 mm以下的材料，采用Φ0.9 mm的焊絲較好，但是考慮到市場原因，仍用Φ1.2 mm規(guī)格代替，目前使用的情況尚可。焊絲直徑越小，焊絲的表面積與體積的比值越大，即焊絲加工過程中進(jìn)入焊絲表面上的拔絲劑、油或者其他的雜質(zhì)相對較多，這些雜質(zhì)可能引起氣孔、裂紋等缺陷，因此，焊絲使用前必須經(jīng)過嚴(yán)格的清理。

5．間隙。間隙也是影響焊縫成形的一個重要因素。理想的焊縫形狀，應(yīng)該是母材與焊絲熔合完好，正、反面有充分的余高，且無任何缺陷。一個良好的焊縫，間隙既不能過大也不能過小。間隙過大，會造成焊縫正面塌陷，邊部未焊牢；間隙過小，會造成焊絲不能充分熔合，背面余高不夠。通常情況下，兩塊材料之間的間隙應(yīng)該與板厚以及所使用的焊絲直徑有關(guān)。冷軋廠關(guān)于間隙設(shè)定的基準(zhǔn)為板厚的25％～50％，而對于厚度為0.8 mm以下的鋼卷，可采用零間隙進(jìn)行焊接。

二、焊接注意事項(xiàng)和焊縫常見缺陷

1．焊接注意事項(xiàng)。(1)焊前要做好準(zhǔn)備工作，檢查保護(hù)氣體是否充足且流動正常；(2)檢查導(dǎo)電嘴是否完好，有無破損，如導(dǎo)電嘴損壞需及時(shí)更換；(3)更換焊絲后，需檢查送絲蒂是否順暢，一只手按動送絲按鈕，另一只手緊抓焊絲，如果手指不能阻止焊絲往下，說明送絲良好；否則，檢查送絲滾輪是否緊固；(4)焊接前，應(yīng)手動控制焊槍，檢查焊槍是否在間隙中心，如果不在間隙中心，應(yīng)調(diào)整焊槍上的螺絲，使其對中；（5）焊接時(shí)，觀察焊槍運(yùn)行應(yīng)戴好防護(hù)面罩，做好保護(hù)措施，防止被弧光燒傷。

2．常見的焊縫缺陷?？赡艹霈F(xiàn)的缺陷及處理方法。(1)未焊透。形貌：焊縫下部無余高。①產(chǎn)生原因：a.焊縫間隙偏??；b.焊槍高度過高；c.焊接參數(shù)與帶鋼規(guī)格不符；d.使用單槍，焊接過程中帶鋼受熱變形導(dǎo)致焊縫間隙偏小。②處理措施：a.焊接前測量焊縫間隙，根據(jù)實(shí)測值調(diào)整焊縫間隙設(shè)定值；b.調(diào)整焊槍高度，以噴嘴至帶鋼的距離為準(zhǔn)，不小于10 mm且不得超過12 mm；c.根據(jù)實(shí)測的帶鋼厚度，選擇焊接參數(shù)；d.根據(jù)未焊透部位，增大焊機(jī)一側(cè)焊縫間隙0.3 mm～0.5 mm。

(2)未熔合。形貌：焊縫下部存在肉眼可見邊部縫隙。①產(chǎn)生原因：a.焊槍位置偏離焊接間隙；b.焊槍導(dǎo)電嘴孔徑變大；c.焊縫間隙偏小。②處理措施：a.調(diào)整焊槍位置，對準(zhǔn)焊接間隙（400-300偏向300系列一側(cè)）；b.更換焊槍導(dǎo)電嘴；c.焊接前測量焊縫間隙，根據(jù)實(shí)測值調(diào)整焊縫間隙設(shè)定值。

(3)跳焊。形貌：焊縫上部熔寬不齊。①產(chǎn)生原因：a.帶鋼表面存在異物（如油污等）；b.送絲不暢。②處理措施：a.取出帶鋼表面異物；b.更換焊槍導(dǎo)電嘴或調(diào)整送絲盤。

三、冷軋廠幾種典型鋼種的焊接工藝

1．奧氏體不銹鋼SUS304。見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料奧氏體不銹鋼SUS304的化學(xué)成分

表2 奧氏體不銹鋼SUS304焊接參數(shù)

2．鎳基合金Incoloy800H。見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)材料鎳基合金Incoloy800H的化學(xué)成分

試樣規(guī)格：熱軋固溶態(tài)，厚度6 mm。

Inco1oy800H為典型的NI基耐蝕合金，由于其含Ni量較多，因此相對于同規(guī)格的304，焊接Inco1oy800H所需要的電流更加高些，其焊接參數(shù)如下：焊絲焊絲309L-Si，Φ1.2 mm；保護(hù)氣體：98％Ar+2％O2，見表4。

表4 Incoloy800H焊接參數(shù)

3．鈦TA1。見表5。

表5 實(shí)驗(yàn)材料鈦TA1的化學(xué)成分

試樣規(guī)格：熱軋固溶態(tài)，厚度5 mm。

焊接鈦板，采用的焊絲也必須為鈦，因?yàn)殁伒膹椥员容^大，其彈性模量只有不銹鋼的一半，因此焊接鈦時(shí)可將速度適當(dāng)放慢；焊接時(shí)，熔池表面容易吸入O、N、C、H等元素，對接頭影響很大，尤其是H，能夠使材料的沖擊韌性下降，形成氫脆，因此焊接時(shí)需要保護(hù)氣體充分。

其焊接參數(shù)如下：焊絲TA2，Φ1.2 mm；保護(hù)氣體：98％ Ar+2％O2，見表6。

表6 鈦TA1焊接參數(shù)

焊接后，焊縫呈銀白色，說明焊縫表面情況比較好，保護(hù)氣體充分。

進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，焊縫強(qiáng)度為415 MPa，超過了國家標(biāo)準(zhǔn)；觀察焊縫金相組織，發(fā)現(xiàn)焊縫中有細(xì)小的氣孔，導(dǎo)致的原因可能為焊接速度過快或者保護(hù)氣不良；由于采購的鈦焊絲為國產(chǎn)手工盤絲，因此焊接時(shí)送絲不是很直，也可能造成焊縫存在氣孔；后續(xù)將對存在的問題進(jìn)行跟蹤，對部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化焊接工藝。

四、結(jié)束語

綜上所述，通過實(shí)驗(yàn)我們可以得出以下結(jié)論：

（1）因?yàn)楹笝C(jī)為自動化焊接，因此焊接前需要保證機(jī)械性能和精度良好。

（2）焊接前需要檢查氣體、送絲等是否良好，焊接后按標(biāo)準(zhǔn)檢查焊縫外觀。

（3）不同鋼種的焊接，需采用不同的焊絲，理論上，焊絲的成分與母材越接近越好。

（4）材料間的間隙理論上為母材厚度的25％～50％。

（5）冷軋廠RCM375-54焊機(jī)良好的焊接速度應(yīng)根據(jù)厚板保持在800 mmpm～1 200 mmpm。

[1]吳志生，楊立軍，李志勇等．現(xiàn)代電弧焊接方法及設(shè)備．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．

[2]何德孚．焊接與連接工程學(xué)導(dǎo)論．上海：上海交通大學(xué)出版社．

[3]陳云祥．焊接工藝，北京：機(jī)械工業(yè)出版社．

[4]試驗(yàn)報(bào)告NO．1012L057．寶山鋼鐵股份有限公司分析測試中心．