超窄間隙MAG/MIG焊接技術(shù)

張富巨，郭嘉琳，張國棟，王宇飛

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.武漢納瑞格智能設(shè)備有限公司，湖北武漢430223）

超窄間隙MAG/MIG焊接技術(shù)

張富巨1，2，郭嘉琳1，張國棟1，王宇飛2

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072；2.武漢納瑞格智能設(shè)備有限公司，湖北武漢430223）

對超窄間隙MAG/MIG焊進行學術(shù)界定，指出實現(xiàn)超窄間隙MAG/MIG焊必須的四大關(guān)鍵技術(shù)，即超窄間隙焊槍技術(shù)、智能跟蹤技術(shù)、氣體保護技術(shù)和熔滴過渡技術(shù)。分析了該技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢是焊態(tài)焊接接頭的強韌性能更優(yōu)，焊接應(yīng)力更低；主要經(jīng)濟優(yōu)勢是焊接生產(chǎn)率相對已有窄間隙焊接技術(shù)大幅度提高，焊接生產(chǎn)成本大大降低。

超窄間隙焊接；埋弧焊；MAG/MIG焊；TIG焊

0 前言

21世紀弧焊技術(shù)主要向更高生產(chǎn)率、數(shù)字化自動化基礎(chǔ)上的更高智能化和機器人化方向進步，而窄間隙焊接技術(shù)是實現(xiàn)更高生產(chǎn)率最成熟有效的途徑。窄間隙氣體保護焊（NG-MAG/MIG Welding）在20世紀70、80年代獲得早期應(yīng)用，自20世紀末，人們開始了“超窄間隙MAG/MIG焊”（UNG-MAG/MIGWelding）技術(shù)的應(yīng)用研究[1－2]。窄間隙MAG/MIG焊和超窄間隙MAG/MIG焊是一種技術(shù)的兩個發(fā)展階段和兩種水平，前者是初級技術(shù)，后者是升級技術(shù)。“窄間隙”和“超窄間隙”目前尚無公認的學術(shù)界定。本研究認為，焊接坡口為基本I型，采用單層單道熔敷方式，最小組裝間隙小于8 mm為超窄間隙，大于等于8 mm的為窄間隙。該劃界的依據(jù)有兩點：一是國內(nèi)外已有的研究，超窄間隙坡口組裝間隙基本為5～7 mm；二是生產(chǎn)上已獲得廣泛應(yīng)用的窄間隙MAG/MIG焊，其最小組裝間隙一般為9～12mm。本研究給出基于生產(chǎn)應(yīng)用的坡口尺寸設(shè)計、根部焊道和填充焊道的熔敷方式，技術(shù)特性和經(jīng)濟特性及其需要的關(guān)鍵技術(shù)[3－4]。

1 超窄間隙焊接坡口尺寸

單面超窄間隙MAG/MIG焊的典型坡口尺寸設(shè)計如圖1所示。其根部最小組裝間隙一般為5～7mm，過小不利于根部鈍邊的熔透，過大易產(chǎn)生側(cè)壁的未熔合。當板厚t＝20～300 mm時，單面焊接時其坡口面角β很小，一般為0.4°～1°，雙面焊接時其坡口面角β降低30%～50%。

圖1 典型超窄間隙MAG/MIG焊單面焊接坡口尺寸

2 根部焊道和填充焊道的熔敷方式

對于對接接頭而言，單面焊接和雙面焊接都存在根部焊道，其成形方式通常有強迫成形和自由成形兩種。強迫成形可選擇金屬墊板（永久保留在焊件內(nèi)）、水冷銅墊和陶瓷墊（含熔劑墊）。自由成形一般較難，根部的熱輸入必須與根部熔透正確適配，保證熔透的同時杜絕燒穿是關(guān)鍵，脈沖電流加電弧擺動技術(shù)是較為可靠、有效的工藝技術(shù)方案。

窄間隙MAG/MIG焊的填充焊道通常有兩種方式，即固定側(cè)偏單層雙道熔敷方式和擺動電弧單層單道熔敷方式。而超窄間隙MAG/MIG焊道只能采用無擺動電弧單層單道熔敷方式，這是因為坡口組裝間隙更窄，為無擺動的居中電弧同時加熱熔化兩側(cè)壁坡口創(chuàng)造了充分必要條件。

74mm板厚和100mm板厚的不同焊件，分別采用單面焊接和雙面焊接的超窄間隙MAG焊接，接頭的宏觀照片如圖2所示。

3 超窄間隙MAG/MIG焊的關(guān)鍵技術(shù)[5－8]

超窄間隙MAG/MIG焊的關(guān)鍵技術(shù)與窄間隙MAG/MIG焊相同，仍是多功能集成焊槍技術(shù)、焊縫軌跡自適應(yīng)智能跟蹤技術(shù)、高溫焊接區(qū)冶金保護技術(shù)和熔滴過渡高度穩(wěn)定性技術(shù)，區(qū)別在于超窄間隙條件下技術(shù)實現(xiàn)的難度更大、要求更高。

圖2 超窄間隙MAG焊接接頭

當板厚超過13 mm時，一般焊槍必須伸入到超窄間隙的焊接坡口內(nèi)施焊。該焊槍的厚度通常不超過6 mm，且必須精心設(shè)計并集成下述五大功能和技術(shù)要求：①極小的阻力下導絲（焊絲）；②平行于電弧軸向?qū)恿鲬B(tài)導入保護氣體至焊接高溫區(qū)；③通過循環(huán)冷卻介質(zhì)高效冷卻焊槍本體；④趨零壓降下長時傳導高強度焊接電流于導電嘴；⑤與熔池表面和兩側(cè)壁焊接坡口具有可靠的、長時間的高溫絕緣性能。集成并滿足上述要求的超窄間隙MAG/MIG焊槍技術(shù)是實現(xiàn)超窄間隙焊接的前提條件。

焊接電弧能否可靠且高精度地居中于實時變化的焊接坡口中心，是實現(xiàn)超窄間隙MAG/MIG焊的另一前提條件，這必須依賴焊縫軌跡的自適應(yīng)跟蹤技術(shù)來完成。超窄間隙MAG/MIG焊接的跟蹤精度在±0.1 mm為佳。基于可靠性更高、跟蹤成本更低的要求，采用基于接觸傳感、焊槍設(shè)計成浮動狀態(tài)、依靠彈性壓力平衡原理的自適應(yīng)跟蹤技術(shù)，往往更適用于超窄間隙MAG/MIG條件下的智能實時跟蹤要求。

采用后置式氣體分流器、加長導氣流道等技術(shù)，是實現(xiàn)平行電弧軸線層流態(tài)導氣、可靠冶金保護和防止氣孔產(chǎn)生的適用技術(shù)。

熔滴過渡的高度穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在焊接過程中完全杜絕顆粒直徑大于0.2 mm的焊接飛濺，極細顆粒的焊接飛濺率最好在0.2%以下。能實現(xiàn)上述熔滴過渡高度穩(wěn)定性的弧焊電源，方能滿足超窄間隙MAG/MIG焊的技術(shù)要求。

4 超窄間隙MAG/MIG焊的技術(shù)特性

焊接坡口的填充面積直接決定弧焊工藝技術(shù)的先進性，超窄間隙決定該技術(shù)下的焊接坡口填充面積比窄間隙更小。超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術(shù)焊接坡口填充面積的比較如圖3所示，在板厚t=20～200 mm時，相同板厚和相同單面對接條件下，超窄間隙MAG/MIG焊的坡口填充面積比窄間隙MAG/MIG焊低34%～39%，比窄間隙SAW低46%～59%，比窄間隙TIG焊低21%～30%。

圖3 超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術(shù)焊接坡口填充面積的比較

焊接坡口填充面積的大幅度降低將帶來以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）更低的熔敷體積使焊接熱輸入較大幅度降低，較單層單道熔敷方式的窄間隙MAG/MIG焊可降低30%～40%。

（2）焊接熱輸入的較大幅度降低，將使焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)的過熱程度和高溫區(qū)間的持續(xù)時間降低，從而導致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒長大程度降低，即可獲得細小晶粒比例更大的接頭組織，這有利于增加焊態(tài)焊接接頭的強度，提高塑性和韌性，進而提高承載能力。

（3）對于調(diào)質(zhì)高強鋼，熱輸入的降低會產(chǎn)生很窄的熱影響區(qū)和很低的焊接熱影響區(qū)性能損傷，不完全重結(jié)晶區(qū)的強度弱化幾乎可以忽略，過熱區(qū)的硬化脆化程度大幅度降低，較容易達到規(guī)程接受的技術(shù)狀態(tài)。這一獨特的技術(shù)優(yōu)勢是目前很多弧焊技術(shù)在焊態(tài)難以達到的。

（4）焊接熱輸入的較大幅度降低，將大大降低焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，這有利于進一步提高焊接接頭接頭的承載能力，同時大幅度提高焊接產(chǎn)品的形位尺寸精度。

綜上所述，采用超窄間隙MAG/MIG焊接技術(shù)，焊態(tài)焊接接頭的力學性能將更加優(yōu)異，通常無需焊后熱處理來調(diào)整組織和降低應(yīng)力，為簡化生產(chǎn)工藝流程和進一步降低生產(chǎn)成本提供了可能性。

5 超窄間隙MAG/MIG焊接的經(jīng)濟特性

超窄間隙MAG/MIG焊接工藝技術(shù)的經(jīng)濟特性主要用焊接生產(chǎn)率和直接焊接生產(chǎn)成本來描述。中厚板、厚板、超厚板三種典型板厚下平焊位置單面對接焊的焊接生產(chǎn)率比較如圖4所示。可以看出，在中厚板（t=20 mm）對接時，超窄間隙MAG焊的生產(chǎn)率較窄間隙MAG焊、窄間隙SAW和窄間隙TIG焊分別提高了59.8%、66.7%和3.33倍；厚板（t=80 mm）對接時，分別提高了51%、47%和3.24倍；超厚板（t=200 mm）對接時，分別提高了45.8%、29.6%和2.89倍。更高的焊接生產(chǎn)率將為縮短焊接生產(chǎn)周期作出巨大貢獻。

超窄間隙MAG/MIG焊的焊接坡口填充面積的大幅度降低，直接決定了焊接生產(chǎn)成本的焊材消耗、電能消耗和工時消耗的大幅度降低。三種典型板厚下每米對接焊縫的直接焊接生產(chǎn)成本比較如圖5所示。

圖4 超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術(shù)的焊接生產(chǎn)率比較

圖5 超窄間隙MAG/MIG焊與其他窄間隙焊接技術(shù)的直接生產(chǎn)成本比較

由圖5可知，板厚t=20～200 mm時，焊接生產(chǎn)直接成本較窄間隙埋弧焊降低60%～71%；較窄間隙鎢極氬弧焊降低59%～65%；較窄間隙MAG降低32%～39%。

6 結(jié)論

（1）采用單層單道熔敷方式、焊接坡口最小組裝間隙小于8 mm、焊接坡口面角β＜1°的超窄間隙MAG/MIG焊接技術(shù)，是窄間隙MAG/MIG焊接技術(shù)的升級，是21世紀填充式弧焊技術(shù)的高端技術(shù)。

（2）超窄間隙MAG/MIG焊接技術(shù)應(yīng)用的前提條件是：多功能集成超窄間隙MAG/MIG焊槍技術(shù)、焊縫軌跡自適應(yīng)智能跟蹤技術(shù)、高溫焊接區(qū)的高效氣體保護技術(shù)和熔滴過渡高度穩(wěn)定性技術(shù)，這四大關(guān)鍵技術(shù)必須同時攻克且穩(wěn)定可靠。

（3）超窄間隙MAG/MIG的主要技術(shù)優(yōu)勢是：焊態(tài)焊接接頭的強韌性能更好。焊接調(diào)質(zhì)高強鋼時焊接HAZ中的硬化脆性和軟化程度大幅度減輕，焊接殘余應(yīng)力更低。主要經(jīng)濟優(yōu)勢是焊接生產(chǎn)率極大提高，大幅度降低了焊接生產(chǎn)成本。

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Ultra-narrow gap MAG/MIG welding technology

ZHANG Fuju1，2，GUO Jialin1，ZHANG Guodong1，WANG Yufei2
（1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Narrowgap Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan430223，China）

In this paper，we defined at first ultra-narrow gap welding process，and proposed four key technologies for realizing UNGW: ultra-narrow gap welding torch technology，welding seam tracking technology，gas shielded arc technology and metal transfer technology. Then we concluded that the technical advantages are higher strength/toughness welded joint，lower welding stress，and that the economic advantages are substantial improvement in welding productivity and revolutionary reduction in welding cost.

ultra-narrow gap welding；SAW；MAG/MIG welding；TIG welding

TG444+.72

A

1001－2303（2017）08－0024-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.05

2017-07-13

張富巨（1951—），男，教授，博士生導師，主要從事高效率弧焊技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)研究工作。E-mail：871215648@qq.com。

本文參考文獻引用格式：張富巨，郭嘉琳，張國棟，等.超窄間隙氣體MAG/MIG焊接技術(shù)[J].電焊機，2017，47（08）：25-29.