不銹鋼氬-氦混合氣MAG自動焊工藝

（上海航天設(shè)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(qū)保護簡單、便于觀察、熔深較大、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點[1-2]，適合于中厚板金屬材料的焊接。當(dāng)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(dǎo)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(yīng)用[5-7]。

對于不銹鋼焊接來說，目前常規(guī)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(dǎo)饋線系統(tǒng)的主要部件，其主體結(jié)構(gòu)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(cè)板、一塊底板、一塊頂板焊接而成，所有焊縫質(zhì)量滿足ISO5817-2003 B級標(biāo)準(zhǔn)要求。若采用常規(guī)MAG焊接該產(chǎn)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(shù)研究，以期獲得滿足產(chǎn)品要求的焊縫質(zhì)量，為厚板不銹鋼的高效焊接提供借鑒。

1 試驗設(shè)備及方法

試驗板材為304L不銹鋼，規(guī)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(xué)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(shù)及焊接工藝參數(shù)如圖2和表2所示。

表1 母材及焊絲材料的化學(xué)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(shù)示意Fig.2 Schematic of welding layer

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

為了能保證產(chǎn)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(tǒng)進行焊接，如圖3所示。福尼斯TPS-5000型焊機為完全數(shù)字化、微電腦控制的逆變電源焊機，可實時監(jiān)測實際參數(shù)值；FDV-80型自動行走小車通過4輪驅(qū)動實現(xiàn)焊機的拖動，通過FRC-40遠程控制單元實現(xiàn)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(jié)果及討論

試板焊縫X射線探傷結(jié)果如圖4所示，在焊縫中部及焊縫外圍出現(xiàn)了較多氣孔。鋼材料焊接時產(chǎn)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(jié)晶水等在焊接時分解成氫，在高溫下氫能大量溶解于液態(tài)金屬中，而冷卻時氫在金屬中的溶解度急劇下降，導(dǎo)致在熔池中析出氫氣孔；CO氣孔的產(chǎn)生是因為焊接時發(fā)生冶金反應(yīng)：[C]+[O]=CO、[FeO]+[C]=CO+[Fe]。304L不銹鋼含碳量低，發(fā)生上述冶金反應(yīng)較少，一般不會產(chǎn)生CO氣孔[8]，故氣孔應(yīng)為氫氣孔。

圖3 焊接系統(tǒng)Fig.3 Welding system

焊絲及試板焊接前均經(jīng)過嚴(yán)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?qū)е職錃饪住９释茰y氣孔產(chǎn)生的原因可能是周圍空氣中存在的水氣在焊接時產(chǎn)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(wěn)定，在短路過程結(jié)束時可能造成電弧紊亂，使周圍氣體卷入電弧而產(chǎn)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(jié)果如圖5所示，焊接參數(shù)如表3所示。當(dāng)焊接電流增加到270 A時，熔滴過渡形式從短路過渡轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鬟^渡，熔滴呈噴射狀態(tài)過渡至熔池。此時電弧穩(wěn)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(xiàn)部分咬邊現(xiàn)象，咬邊將減少母材的有效截面積，在咬邊處還可能引起應(yīng)力集中，故焊縫質(zhì)量無法滿足產(chǎn)品要求。

圖4 焊縫X射線探傷結(jié)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(jié)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(shù)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(jié)果如圖6所示，焊接參數(shù)如表4所示。當(dāng)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(chǎn)生穩(wěn)定的射流過渡電弧，實現(xiàn)低平均電流下達到穩(wěn)定的射流過渡狀態(tài)。一方面，低平均電流使得焊接周期內(nèi)熱輸入量有所減小，避免焊縫出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象；另一方面，高峰值電流在焊接過程中產(chǎn)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(jié)果可知，焊縫質(zhì)量滿足ISO 5817-2003 B級標(biāo)準(zhǔn)要求，整個焊接過程中基本無飛濺，焊接勞動條件良好。

3 結(jié)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(wěn)定，飛濺較大，容易產(chǎn)生氣孔缺欠，氣孔種類應(yīng)為氫氣孔。

圖6 焊縫X射線探傷結(jié)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(shù)Table 4 Welding parameters

（2）當(dāng)采用射流過渡形式焊接304L不銹鋼時電弧較穩(wěn)定，無氣孔。但由于氦氣的加入導(dǎo)致出現(xiàn)咬邊現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)要求的焊縫質(zhì)量。