奧氏體不銹鋼脈沖MIG焊工藝研究

萬春鋒 ,代新雷

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，陜西 西安 710302；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710018))

奧氏體不銹鋼脈沖MIG焊工藝研究

萬春鋒1,代新雷2

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，陜西 西安 710302；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710018))

分析了奧氏體不銹鋼脈MIG沖焊的原理、工藝參數(shù)的選擇方法和應(yīng)用。指出用該種工藝不但可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫，同時(shí)為機(jī)器人焊接的推廣提供技術(shù)支持。

奧氏體不銹鋼 ;脈沖MIG焊 ; 工藝

不銹鋼習(xí)慣上是指在無污染的大氣環(huán)境中能夠不生銹的鋼與能耐酸腐蝕的耐酸不銹鋼的統(tǒng)稱。按用途分為不銹鋼、抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼；按空冷后室溫組織分為奧氏體鋼、鐵素體鋼、馬氏體鋼、沉淀硬化鋼和鐵素體-奧氏體雙相鋼。其中奧氏體鋼是應(yīng)用最廣的一類, 廣泛用于石油、化工、宇航及核工程等重要焊接結(jié)構(gòu)。目前奧氏體不銹鋼焊接存在的主要問題是：含鎳較高的單相奧氏體鋼接頭熱裂問題，工藝上的解決方式是保證焊接過程中較低的熱輸入量。脈沖焊接由于效率高、熱輸入較小、可在較寬范圍內(nèi)控制線能量、多參數(shù)變換與優(yōu)化匹配等優(yōu)點(diǎn)，成為解決不銹鋼焊接問題的有效途徑。

1 脈沖MIG焊的原理

利用脈沖電流進(jìn)行的熔化極氣體保護(hù)電弧焊稱熔化極脈沖氣體保護(hù)焊(即脈沖MIG焊)。這種焊接方法的焊接電流特征是在較低的基值電流上周期性地疊加高峰值的脈沖電流。而脈沖電流的波形及其基本參數(shù)可以在較寬范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。而且熔化極脈沖氣體保護(hù)焊則采用脈沖噴射過渡方式。這種噴射過渡既具有普通熔化極氣體保護(hù)焊的短路過渡和噴射過渡的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了它們的不足，所以熔化極脈沖氣體保護(hù)焊是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，在重要的焊接結(jié)構(gòu)或?qū)附淤|(zhì)量要求很高的場合下采用，近年發(fā)展很快。

熔化極脈沖氣體保護(hù)焊采用的脈沖電流波形有正弦波、矩形波、以及躍變電流波等。目前國內(nèi)多用正弦波。圖1是正弦脈沖電流的波形以及在這種波形的電流作用下熔滴過渡和電弧形態(tài)的變化過程示意圖。圖中脈沖電流 的作用是使熔滴成為過渡，其峰值高于脈沖噴射過渡臨界電流值；基值電流 又叫維弧電流，其值較低，它的主要作用是在脈沖電流停歇期間維持焊絲與熔池之間的電離狀態(tài)，保證電弧燃燒穩(wěn)定。同時(shí)對(duì)母材和焊絲有有預(yù)熔作用(但不形成熔滴)，為脈沖期間熔滴過渡做準(zhǔn)備[1]。

脈沖噴射過渡的特征隨所選用的脈沖能量參數(shù)不同導(dǎo)致對(duì)焊絲金屬加熱和受力作用強(qiáng)弱不一致，因而存在著三種不同的熔滴過渡形式：第一種是一個(gè)脈沖周期中過渡幾個(gè)熔滴，這時(shí)熔滴的過渡頻率大于脈沖頻率。當(dāng)脈沖電流較大或脈沖時(shí)間較長時(shí)就發(fā)生這種熔滴過渡形式。其特點(diǎn)是過渡有力、軸向性強(qiáng)、無飛濺、過程穩(wěn)定；第二種是一個(gè)脈沖周期中僅過渡一個(gè)尺寸等于或小于焊絲直徑的熔滴，熔滴的過渡頻率等于脈沖頻率。當(dāng)脈沖電流或脈沖時(shí)間比第一種形式小時(shí)產(chǎn)生這種過渡形式。特點(diǎn)是熔滴過渡較慢，但也很有力，軸向性好，脈沖與熔滴過渡同步，很有規(guī)律性，無飛濺且過程穩(wěn)定，被認(rèn)為是可控噴射過渡，是最佳的過渡形式。第三種是幾個(gè)脈沖周期內(nèi)才過渡一個(gè)等于或大于焊絲直徑的熔滴，熔滴的過渡頻率小于脈沖頻率。當(dāng)脈沖電流很小，或脈沖時(shí)間很短時(shí)發(fā)生這種過渡形式。特點(diǎn)是熔滴過渡無規(guī)律，過渡無力，仰焊時(shí)熔滴送不上去，電弧穩(wěn)定性差。故在生產(chǎn)中很少采用這種過渡形式。

圖1 正弦脈沖電流的波形及在其作用

在脈沖噴射過渡過程中，雖然脈沖峰值電流超過某一臨界值，但因其導(dǎo)電時(shí)間很短，而且基值電流也較低，故焊接的平均電流要比連續(xù)噴射過渡的臨界電流低很多，見表1。所以熔化極脈沖氣體保護(hù)焊是一種在較低的焊接電流下，獲得噴射過渡和低熱輸入的焊接方法。此外，脈沖電弧的電能特性可以通過電流的波形、脈沖能量參數(shù)在較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)和控制，因而具有相當(dāng)好的工藝適應(yīng)性。這對(duì)于薄板焊接，全位置焊接和熱敏感金屬材料的焊接非常有利。

表1 不銹鋼脈沖噴射過渡的最小電流值(總電流平均值)

焊絲材料焊絲直徑/mm?1.2?1.6?2.0?2.51Cr18Ni9Ti60～7080～90100～110120～130

2 奧氏體不銹鋼脈沖MIG焊工藝參數(shù)

熔化極脈沖氣體保護(hù)焊的工藝參數(shù)主要有：基值電流、脈沖峰值電流、脈沖電流持續(xù)時(shí)間，脈沖間隙時(shí)間、脈沖周期和脈沖頻率以及脈寬比等。其他焊接工藝參數(shù)，如電弧電壓、焊接速度、焊絲直徑、焊絲伸出長度、焊絲位置、氣體流量等，對(duì)焊接質(zhì)量的影響，以及它們的選擇原則與方法，與普通熔化極氣體保護(hù)焊相同。表2～表4分別列出了部分不銹鋼角焊縫、對(duì)接焊縫以及單面焊雙面成形的脈沖MIG焊接工藝參數(shù)。

2．1 基值電流 Ib

基值電流起維持電弧燃燒、預(yù)熱焊絲與母材的作用，是調(diào)節(jié)總焊接電流和母材熱輸入的重要參數(shù)?；惦娏鞑荒苋〉眠^大，否則脈沖焊的特點(diǎn)不明顯，甚至在脈沖停歇期間亦有熔滴過渡、使熔滴過渡失去控制；而且平均電流被大大地提高了，給全位置焊接帶來困難。通常Ib=50～80A比較合適，平焊位置焊接時(shí)可取高些，其他位置焊接時(shí)則取低些。

表2 不銹鋼脈沖MIG焊角接焊縫工藝參數(shù)

注：脈沖頻率為50HZ，焊絲為0Cr18Ni9Ti

表3 不銹鋼脈沖MIG焊對(duì)接焊縫工藝參數(shù)

表3(續(xù))

2.2 脈沖峰值電流IP

脈沖峰值電流IP是決定脈沖能量的重要參數(shù)。它影響著熔滴的尺寸、過渡力和母材的熔深。為了使熔滴呈噴射過渡，脈沖峰值電流必須大于脈沖臨界電流值。但脈沖臨界電流值不是固定值而且大于連續(xù)噴射過渡的臨界電流值，它隨脈沖持續(xù)時(shí)間及基值電流的增加而降低，反之，隨著這兩個(gè)參數(shù)的減小而增大。當(dāng)總平均電流(即送絲速度)不變的條件下，熔深隨脈沖峰值電流的增加而增加。反之則減小。因此，可根據(jù)工藝需要，通過調(diào)節(jié)脈沖電流幅值來調(diào)節(jié)熔深的大小。

2.3 脈寬比K=tp/T

脈寬比的大小反映脈沖焊特點(diǎn)的強(qiáng)弱。若脈寬比過大，則說明脈沖電流持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，已經(jīng)接近連續(xù)噴射過渡，失去了采用脈沖焊的意義，即脈沖特點(diǎn)弱；若脈寬比過小，為了保證一定的熔化效率，在保持平均電流不變情況下，勢(shì)必造成較高的峰值電流，電弧將顯得十分暴躁，否則，不能產(chǎn)生所希望的噴射過渡，所以脈寬比過低或過高都不好。一般選在25%～50%為宜，對(duì)非平焊位置的焊縫，由于須選用較小的焊接電流，但又要保證噴射過渡，這時(shí)脈寬比宜選偏小一些。

2.4 脈沖頻率(或脈沖周期)

脈沖頻率也是決定脈沖能量的重要參數(shù)之一。它的大小，一般由焊接電流確定，若要求焊接電流(或送絲速度)較大，則需選擇較高的脈沖頻率；要求焊接電流較小時(shí)，脈沖頻率應(yīng)選得低些；對(duì)于一定的送絲速度，脈沖頻率與熔滴尺寸成反比，而與母材熔深成正比，因此較高的脈沖頻率適合焊接厚板，較低的脈沖頻率適合焊接薄板。一般可以在35～100Hz范圍內(nèi)進(jìn)行合理選擇。

表4 脈沖焊單面焊雙面成形的焊接工藝參數(shù)

3 奧氏體不銹鋼脈沖MIG焊的應(yīng)用

脈沖MIG焊由于具有焊接電流調(diào)節(jié)范圍較寬，既能焊接厚板，也能焊接薄板，焊接薄板時(shí)變形小、熔透性好、焊接效率高，熔滴過渡過程容易控制、適用于全位置焊接等特點(diǎn)，因此在化工、車輛、建筑和航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；ど蠎?yīng)用的反應(yīng)器、換熱器和塔器等應(yīng)用奧氏體不銹鋼比較多，采用脈沖MIG焊可以實(shí)現(xiàn)在低熱輸入(焊接電流I≥80A)的射流過渡，對(duì)于厚板打底焊采用單面焊雙面成形, 免去背面清根工藝, 降低成本, 提高了經(jīng)濟(jì)效益[2]。在大型發(fā)電機(jī)組上采用奧氏體不銹鋼可以滿足高效、低碳和環(huán)保的需要，針對(duì)該材料研發(fā)的脈沖脈沖MIG由于脈沖電流對(duì)熔池的攪拌作用，使得焊縫組織均勻細(xì)密，各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)均達(dá)到滿意的結(jié)果[3]。在鋼質(zhì)車輛焊接時(shí)采用該焊接工藝，可以提高焊接效率、增大熔深、降低焊接變形，同時(shí)由于脈沖焊接可調(diào)參數(shù)多，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，為機(jī)器人在鋼質(zhì)車輛制造上的應(yīng)用提供了技術(shù)支持[4]。

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 劉 兵，王玉松.奧氏體不銹鋼儲(chǔ)罐熔化極氣體保護(hù)焊[J].化工建設(shè)工程，2003,25(2)：19-27.

[3] 王志軍.Super304鋼脈沖弧焊焊接工藝及性能試驗(yàn)[J].電力建設(shè)，2013,34(6)：109-112.

[4] 鄭國禹．機(jī)器人焊接技術(shù)在薄壁鋼質(zhì)特種車輛上的應(yīng)用研究[D]．重慶:重慶大學(xué)，2008.

(本文文獻(xiàn)格式：萬春鋒 ,代新雷.奧氏體不銹鋼脈沖MIG焊工藝研究 [J].山東化工，2016，45(04)：73-75，78.)

Study on the Technology of Pulse MIG Welding of Austenitic Stainless Steel

Wan Chunfeng1，Dai Xinlei2

(1.Shaanxi Institute of Technology，Xi′an 710300，China;2. Shaanxi College o f Communication Technology , Xi′an 710021, China)

In this paper, the principle of austenitic stainless steel pulse MIG welding, the selection method and application of process parameters are analyzed. It is pointed out that using this kind of technology can not only get high quality welding seam, but also provide technical support for the welding of robot.

austenitic stainless steel;pulse MIG welding; technology

2016-01-18

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度科研計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)Gfy 14-11

萬春鋒(1976—)，女，陜西戶縣人，講師，碩士，主要從事焊接、材料學(xué)方面的教學(xué)及科研工作。

TG444.72

A

1008-021X(2016)04-0073-03