MIG短路過渡立焊技術研究及應用

都 東，王 鵬，鄒怡蓉，張 驊，王 力

(清華大學機械工程系先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084)

0 前言

在熔化極氣體保護焊（GMAW）過程中，焊絲端部熔滴向熔池的過渡可能呈現短路過渡、大滴狀過渡、噴射過渡等多種形態。其中，短路過渡形式一般出現在細絲小電流活性氣體保護焊（CO2/MAG）的工業應用中，而熔化極惰性氣體保護焊（MIG）大多采用噴射過渡以達到穩定電弧和深熔焊接的工藝效果。但在某些特定場合，如本研究提及的大型水輪機轉輪體葉面的立焊修復作業，MIG焊接熔滴短路過渡也有用武之地。

1 MIG焊接熔滴短路過渡的形態[1]

熔化極氣體保護焊的熔滴過渡形式，與被焊金屬和焊絲種類、焊絲直徑和干伸長、保護氣體成分、焊接電流和電弧電壓等因素相關[1]。為觀察MIG焊接過程的熔滴過渡現象，專門采用機器人焊接系統進行了焊接實驗研究。實驗中采用馬氏體不銹鋼母材及相應配套焊絲，通過調節弧焊電源輸出和送絲速度等參數，分別實現了焊接熔滴的短路過渡、大滴過渡和噴射過渡，其平均電弧電壓和焊接電流值范圍如圖1所示。由圖1可知，其中短路過渡的電弧電壓和焊接電流值都明顯低于噴射過渡。在實驗中，還特別采用高速攝像系統觀測了MIG向下立焊過程的熔滴過渡形態，穩定的熔滴短路過渡過程如圖2所示，其相應的電弧電壓和焊接電流的瞬態變化如圖3所示。

通過實驗，可以歸納出短路過渡MIG焊接工藝的特點：（1）采用惰性保護氣體，滿足高合金鋼或有色金屬的焊接要求；（2）采用熔化極，熔敷效率較高；（3）采用短路過渡形式，有利于適應全位置焊接成形需求。

圖1 馬氏體不銹鋼MIG不同形式熔滴過渡的焊接參數范圍

圖2 實驗觀測MIG向下立焊過程中的熔滴短路過渡

圖3 短路過渡MIG向下立焊過程電弧電壓和焊接電流的變化

圖4 大型電站水輪機葉片表面磨蝕情況

2 短路過渡MIG焊接工藝的應用[2-3]

在大型電站水輪機組的長期運行中，其轉輪體葉片會出現局部磨損和空蝕[2]，如圖4所示。為縮短電站停機維修工期，發展基于機器人自動化作業的葉輪原位維修技術具有重要意義[3]。研究提出的維修作業流程：采用電弧氣刨工藝對葉片受損局部進行清底→采用熔化極氣體保護焊接工藝對清底后的葉片局部進行補焊→對局部補焊表面進行修形以滿足葉片形貌流線的要求。其中，原位自動補焊是關鍵工序。

大型電站水輪機轉輪體葉片材料為馬氏體不銹鋼（0Cr13Ni5Mo），此類材料的弧焊過程應采用惰性保護氣體。對于（如三峽電站）混流式轉輪體，其原位焊接作業空間近乎立焊位置，還考慮補焊強調的是熔敷效率而非深熔成形，因此提出選擇基于短路過渡而非脈沖噴射過渡的MIG焊接工藝方案。

為給實際工業應用提供依據，在實驗室內針對葉片局部試件進行補焊實驗研究。向下立焊，氬氣保護，焊絲直徑1.2 mm，干伸長12 mm，反極性焊接，電流平均值140 A，電弧電壓平均值19 V，焊絲擺動頻率0.5 Hz，焊接速度80 mm/min。補焊試件焊縫表面和截面如圖5所示。針對預置多種凹坑的立焊試板表面，先以機器人等離子弧氣刨工藝進行自動清底，再以機器人MIG工藝進行自動補焊。實驗結果表明，MIG短路過渡立焊成形良好，可以滿足葉片維修質量要求，為將來的工業實際應用提供了基礎。

圖5 葉片局部試件MIG短路過渡向下立焊焊縫表面和成形截面

3 結論

實驗表明，通過調節焊接規范參數可以實現穩定的MIG短路過渡過程。基于該工藝可在立焊位置進行自動補焊作業，熔接可靠，熔敷效率高，焊縫成形良好，為將來實際應用于大型電站水輪機轉輪體馬氏體不銹鋼葉片受損局部的自動修復提供了基礎，為解決類似的高合金鋼或有色金屬全位置自動補焊技術提供了參考。

[1]殷樹言.熔化極氣體保護電弧焊，焊接手冊（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2008：201-254

[2]P Kumar，R P Saini.Study of cavitation in hydro turbines：A review[A].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：374-383.

[3]D Frunzaverde，C Campian，V Cojocaru.Influence of welded layers thickness on the cavitation erosion resistance[R].Selected Topics in Energy，Environment，Sustainable Development and Landscaping，2010：316-320.