關于GMAW和SAW在筒體焊接中的應用

曲直 柴洋

摘 要：文章介紹了GMAW和SAW在筒體焊接中的設計原理，從工藝的合理性和產生的經濟效益上對比了新舊兩種工藝。同時介紹了實驗的過程和試驗的結果。

關鍵詞：GMAW；SAW；新工藝

前言

筒體焊接是一個比較困難的焊接，舊的焊接方式不管從生產效率還是經濟效益等方面都已不再適應，文章介紹一種筒體內側坡口采用熔化極氣體保護焊（英文簡稱GMAW）而外側采用埋弧焊（英文簡稱SAW）的新工藝，此種工藝能夠提高30%的焊接效率和降低35%的生產耗費，是一種經濟實用的焊接方式。

1 熔化極氣體保護焊簡介

熔化極氣體保護焊（以下簡稱GMAW）采用可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲與母材金屬，并向焊接區輸送保護氣體，使電弧、熔化的焊絲、熔池及附近的母材金屬免受周圍空氣的有害作用。連續送進的焊絲金屬不斷熔化并過度到熔池，與熔化的母材金屬融合形成焊縫金屬，從而使工件相互連接起來。熔化極氣體保護焊根據保護氣體的種類不同可分為：熔化極惰性氣體保護焊（英文簡稱MIG）、熔化極氧化性混合氣體保護焊（英文簡稱MAG）和CO2氣體保護電弧焊三種。

熔化極氧化性混合氣體保護焊（MAG）：保護氣體由惰性氣體和少量氧化性氣體混合而成。由于保護氣體具有氧化性，常用于黑色金屬的焊接。在惰性氣體中混入少量氧化性氣體的目的是在基本不改變惰性氣體電弧特性的條件下，進一步提高電弧的穩定性，改善焊縫成型，降低電弧輻射強度。

2 埋弧焊簡介

埋弧焊是通過預先把顆粒狀焊劑散步在焊接的部位，焊絲通過送絲裝置，自動連續地向焊劑中送進，在焊絲前端與構件間引燃電弧，電弧熱使構件、焊絲和焊劑熔化，以致部分焊劑蒸發，熔化的金屬和焊劑蒸發的氣體形成了氣泡，電弧在氣泡中燃燒。氣泡上部被一層熔化的焊劑-熔渣所覆蓋，不僅隔絕了空氣與電弧和熔池的接觸，同時具有穩弧和冶金的作用。

3 焊接的原理和工藝

3.1 設計原理

由于GMAW使用的熱輸入較小，背面成形能夠得到控制，且易實現背面成形，針對GMAW和SAW的特點設計出了在內側采用GMAW而在外側此采用SAW的新工藝。這種新工藝需要解決根部的未焊透的缺陷，使焊縫兩側的熔合情況良好進而保證焊接的可靠，要解決根部未焊透這一困難需要選用適合的坡口形式。

坡口設計時要保證焊接易于操作，成形方便，不能產生焊接無法焊透的情況，又要保證在焊透的基礎上不會焊穿，這就需要從焊縫的間隙和坡口的角度方面去考慮怎樣選取合適的間隙和坡口角度。這就需要我們在熟悉原理的基礎上進行大量的試驗來得到最優的數據。在外側由于采用埋弧焊的焊接方法，而根據以上的要求，經過大量的研究分析，最終得出了如圖1所示的坡口，這種設計可以很好的解決了GMAW關于根部不易焊透的缺陷又兼顧解決了埋弧焊焊接時產生焊穿、焊瘤的缺陷。

3.2 保護氣體選擇

保護氣體的成分對短路過渡的熔滴尺寸及過渡頻率有較大的影響，同時影響電弧特性和熔深。CO2與惰性氣體相比產生較大的飛濺，但熔深較大。在焊接碳鋼和低合金鋼時常常采用CO2和Ar的混合氣體來降低飛濺和取得較大的熔深。在焊接有色金屬時為了提高熔深在Ar氣中常加入He氣。短路過渡形成的熔池小，冷卻速度快，適于薄板的全位置以及根部間隙較大的焊縫的焊接。

在試驗中我們采用了在惰性氣體中加入一定量的氧化性氣體（活性氣體）配成了CO2和Ar的保護氣的MAG焊接法，MAG可采用短路過渡、噴射過渡和脈沖噴射過渡進行焊接，可用于點焊、立焊、橫焊和仰焊以及全位置焊等。尤其適用于碳鋼、合金鋼和不銹鋼等黑色金屬材料的焊接。

用純氬來焊接不銹鋼、碳鋼等金屬時，電弧陰極班點不穩定，產生所謂陰極飄移現象，加入O2或CO2后陰極飄移現象可被消除。用純Ar焊接不銹鋼、低碳鋼及低合金鋼時，液體金屬的粘度及表面張力較大，易產生氣孔。焊縫金屬潤濕性差，焊縫兩側容易形成咬肉等缺陷。由于阻極飄移現象，電弧根部不穩定，會引起焊縫熔深及焊縫成形不規則。另外，純Ar做保護氣體時，焊縫形狀為蘑菇形（亦稱指形），這種熔深的根部往往容易產生氣孔，對接焊時還容造成焊縫根部熔透不足的缺陷，采用氧化性氣體，上述問題都能得到解決。在氬氣中加入了CO2后，加劇了電弧區的氧化反應，氧化反應放出的這部分熱量，可以使母材這部分熔深增加，焊絲的溶化系數提高。CO2氣體在電弧中心分解對電弧有冷卻作用，使電弧放電溫度提高。另外在弧柱高溫區分解時吸收了一定的熱量在電弧的斑點附近時又重新釋放出來。這種物理化學過程，對焊接熔池和焊絲起著一種增大輸入熱量的作用。因而提高了電弧的熱功率，從而增加了母材的熔深和焊絲的熔化速度。經過試驗檢測氬氣和二氧化碳的最佳比例為92%的氬氣和8%的二氧化碳。

3.3 焊接參數

要實現熔化極自動氣體保護焊穩定的射流過渡，不但要有合理的氣體配比，而且焊接電流必須超過其臨界電流。參數的選擇要保證熔化極氣體保護自動焊首層的焊透、操作便利、良好的背面成形。

4 試驗記錄

4.1 構件的材質及規格，使用直徑為1000mm厚度為14mm，長度為300mm的鋼筒。

對于埋弧焊因板材厚度大于12mm，要用雙Y型，焊縫不能超過1mm，采用交流電源，500-2000A。

4.2 焊接方法筒體內側自動熔化極自動氣體保護焊焊接兩層，外側埋弧自動焊。

4.3 焊接保護氣氣體配比92%Ar+8%CO2，流量為18.5～22.5L/min。

4.4 坡口形式如圖1所示但要對加工的角度有一定的要求，角度過大的話會產生根部未焊透，角度過小的話則容易產生塌邊。

4.5 焊接工藝參數表

焊接工藝如表1所示：

4.6 焊絲直徑

埋弧焊焊絲直徑及使用電流范圍（表2）

氣體保護焊不同直徑焊絲的短路過渡時參數如表：

焊絲直徑（mm）0.81.21.6

電弧電壓（V）181920

焊接電流（A）100-110120-135140-180

5 焊接后結果檢測

焊接后使用GB3323標準檢驗，符合標準，Ⅱ級合格。

力學性能試驗：按《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》檢驗合格，其結果見表3。

6 結束語

文章從熔化極氣體保護焊埋弧焊的開始，介紹了熔化極氣體保護焊和埋弧焊的概念、分類和適用情況，將他們通過優勢互補，應用于筒體焊接中，并做了具體的實驗，經過模擬實驗數據表明，這種新的工藝對于焊接的質量的合格率能夠達到很高的水平。創造性的解決了單獨使用埋弧焊或熔化極氣體保護焊埋弧焊所產生的不足，彌補了單獨應用的缺陷，使生產效率大大提高，成本降低了30%，此種新工藝還具有很大的發展空間，可以更好的解決焊接中遇到的一些問題。

參考文獻

[1]姜煥忠.焊接方法及設備[M].機械工業出版社，1991年.

[2]中國機械工程學會焊接學會[M].焊接手冊.機械工業出版社，2008年.