搖動電弧窄間隙立向上MAG焊接技術

韓偉， 李飛， 王沖， 潘林峰

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫214000）

0 引言

搖動電弧窄間隙立向上MAG焊接是一種以活性氣體保護的大厚板熔化極電弧焊接技術，常常采用I型坡口，焊縫截面積小，熔敷金屬量少，焊接效率高。

在窄間隙立向上MAG焊接的實際應用過程中，亟待解決的難題是如何獲得良好的焊縫成形及足夠的側壁熔深。為了解決此問題，已經提出諸如旋轉電弧、麻花焊絲等技術[1-2]，雖能解決側壁熔深的問題，但只能應用于平位置焊接，對于立向上焊的焊縫成形卻無能為力。本研究采用的搖動電弧焊接技術，不僅解決了側壁熔透問題，還能獲得良好的焊縫成形。為了使焊炬結構簡單，質量輕盈，適用性強，采用了空心軸步進電動機傳動的焊接系統，并進行了搖動電弧窄間隙立向上MAG焊接試驗，以驗證該系統的有效性以及搖動工藝參數對焊縫成形的影響規律。

1 搖動電弧窄間隙焊接系統原理

搖動電弧窄間隙焊接系統原理如圖1所示，該焊炬主要由空心軸步進電動機[6]、碳刷饋電動機構、導電桿、折彎導電桿、導電嘴等組成。

送絲機構送出的實心焊絲，通過步進電動機空心軸和折彎導電桿后，從導電嘴中送出。碳刷與焊接電纜相連，同時在壓緊彈簧的作用下，與導電桿上的法蘭臺面保持滑動接觸，以實現焊接電纜無纏繞下的焊接饋電。步進電動機直接驅動折彎導電桿和導電嘴有規律的搖動，隨后帶動焊絲端部的電弧搖動（如圖1（b）所示），當電弧搖動到坡口兩側壁時停留一定的時間以增強電弧對側壁的熱輸入，從而增加側壁熔深。搖動頻率可以在0～1 Hz范圍內任意調節，搖動幅值的大小可以通過改變搖動角度來進行調節，以滿足不同情況下的焊接需要。

2 焊接系統關鍵機構設計及焊炬制作

2.1 焊接饋電方法及機構

圖1 搖動電弧窄間隙焊接原理

本研究所設計的焊接饋電動機構原理如圖2所示。碳刷罩固定在軸承座上，碳刷在壓緊彈簧作用下與導電桿上的法蘭臺面保持滑動接觸，并形成緊密導電配合，固聯在碳刷上的連接電纜通過聯接件與焊接電纜形成導電聯接，實現焊接饋電[5]。

導電桿的上端穿過碳刷、壓緊彈簧、碳刷罩，通過聯軸器與電動機的空心軸相聯，下端通過軸承支撐在軸承座上，并穿過噴嘴機構；折彎導電桿的下端連接導電嘴，焊絲穿過導電嘴的中心孔形成導電緊密動配合[6]。

2.2 氣體保護方法及系統

在大厚板窄間隙焊時，為了對焊接電弧區域實施有效保護，需要將噴嘴伸入到窄間隙坡口內部，而當電弧接近工件表面時，往往需要使用外置式噴嘴，形成外層氣體保護。因此，窄間隙焊接的氣體保護方式不同于一般的氣體保護焊工藝。

本研究采用專利的氣體保護方法及裝置[7]，采用伸入式扁形噴嘴機構和外置式套筒形噴嘴機構，集成在一體從而形成一套復合型供氣系統。伸入式扁形噴嘴機構用于對坡口內部深處焊縫的保護，當導電嘴端部露出坡口后采用外置式圓形噴嘴供氣，以便于觀察焊接電弧，同時為上層幾道焊縫提供有效保護。為了給坡口深處的焊接區域提供有效保護，兩個伸入式扁形噴嘴對稱地分布在電弧的兩側，保護氣體以一定角度從電弧的前后兩個方向同時導入，以使電弧能穩定燃燒。

圖2 焊接饋電機構示意圖

2.3 折彎導電桿

為了使電弧能有效地指向坡口兩側壁，專門設計了一種帶一定折彎角度的導電桿，使得電弧在側壁停留時間內能有效地指向坡口側壁來獲得足夠的側壁熔深。通過理論計算可知，在坡口寬度為16 mm的情況下，為保證導電嘴的極限搖動位置與側壁有一定的距離，導電桿折彎角度、導電嘴長度以及搖動角度均需按照要求來進行設計。

根據實際焊接經驗，導電嘴的極限搖動位置與焊縫側壁要有2 mm左右的間隙，以防止導電嘴與坡口側壁放電；焊絲的搖動半徑則要盡量大，使其能夠指著焊縫側壁進行焊接。通過CAD精確測繪，導電桿的最佳折彎角度為8°。在立向上焊接時，導電嘴長度為20 mm。設計示意圖及實物分別如圖3和圖4所示。

圖3 折彎導電桿示意圖

圖4 折彎導電桿外形

導電桿搖動角度的大小關系到電弧的搖動幅值以及導電嘴與坡口側壁之間間隙的大小。在折彎角度和導電嘴長度已知的情況下，根據導電嘴的左右極限位置以及電弧的搖動半徑兩個條件，可以計算出最佳的搖動角度。電弧在坡口內的搖動示意圖如圖5所示。

從圖5可以看出：導電嘴的左右極限位置與坡口兩側壁有一定的距離，而電弧的左右極限位置接近焊縫的兩個側壁，在后面進行的焊接試驗中，導電嘴不會與側壁發生放電現象，折彎導電桿的設計完全滿足搖動電弧窄間隙焊接的要求。

圖5 立向上焊時坡口內電弧搖動示意圖

2.4 焊炬制作

基于上述原理及方法所設計的各部分機構，裝配在一個鋁合金支撐板上，形成一個整體，研制的搖動電弧窄間隙焊炬實物照片如圖6所示。工程應用時，焊炬可以安裝在一個十字調節機構上，也可以連同微型十字滑架整體安裝在焊接小車上。

折彎導電桿的直徑和長度要根據坡口的實際寬度與板厚來選擇，理論上這種搖動電弧焊炬可焊板厚沒有上限。導電桿的折彎角度以及搖動角度是根據坡口間隙大小來選擇的。一般來說，坡口間隙較大時，可以設定一個較大的搖動角度來達到要求，例如坡口間隙為16 mm時，搖動角度為120°。

圖6 搖動電弧窄間隙焊炬外形

3 焊接試驗結果與分析

3.1 焊接條件立

向上焊接時，焊接電流I=150 A，電弧電壓U=20 V，焊接速度Vw=7.8 cm/min，搖動幅值W=16.7 mm；搖動角度θ=120°。試件材質為低碳鋼，由三塊鋼板點焊拼裝而成，底部坡口間隙為16 mm；單邊坡口角度為1°，搖動頻率為0.588、0.69、0.755 Hz（對應步進脈沖頻率F分別為800、1600、2400 Hz），側壁停留時間tc分別為400、600、800 ms；為了增加搖動幅值，加大了搖動半徑，從而設定導電嘴至坡口底部的垂直距離為25 mm；保護氣體采用80%Ar和20%CO2的混合氣體。為了更好地表示焊縫的形狀特性，定義了四個焊縫形狀參數，如圖7所示。定義H（mm）為焊縫厚度；h（mm）為焊縫表面彎曲程度，當h＞0時，焊縫為凸出，h＜0時，焊縫為下凹；P1（mm）為焊縫的左側壁熔深，P2（mm）為焊縫的右側壁熔深。

圖7 焊縫形狀參數

3.2 步進脈沖頻率對焊縫成型的影響

圖8所示為不同步進脈沖頻率800、1600、2400 Hz條件下焊接接頭截面的宏觀照片。圖9所示為相應的兩側壁熔深及焊縫厚度和表面彎曲的變化情況，從圖中可知，步進脈沖頻率的變化對兩側壁熔深的影響不大。隨著步進脈沖頻率的增加，焊縫由凸出變為下凹，焊縫厚度也隨之減小。這是因為步進脈沖頻率的高低表征了電弧在坡口中搖動速度的快慢，步進脈沖頻率越高，在相同的時間內，電弧對坡口的加熱時間就越短，焊縫得到的電弧熱就越少，導致了焊縫厚度隨著步進脈沖頻率的增加而減小。

圖8 步進脈沖頻率的影響

圖9 步進脈沖頻率對側壁熔深及焊縫厚度和表面彎曲的影響的影響

3.3 側壁停留時間對焊縫成型的影響

圖10所示為不同側壁停留時間（400、600、800 ms）條件下焊接接頭截面的宏觀照片。如圖11所示，隨著電弧在側壁停留時間的增加，電弧對兩側壁的加熱時間變長，側壁熔深加大（兩側壁熔深的平均值）。

由于電弧熱對兩側壁的加熱情況不同，因此在兩側壁上形成不同的熔深。當電弧搖動到坡口一側進行焊接時，電弧只指向焊縫一側，此時焊接小車仍在向上行走，此時焊縫的另一側沒有得到相同條件的電弧熱，所以兩側壁的熔深在同一截面上來看是不相等的。如圖11所示，隨著側壁停留時間的增加，焊縫兩側熔深的不對稱度也隨著增加，這是因為當電弧停留在焊縫一側加熱時，另一側主要是依靠熔池金屬熱傳導來熔化母材，然而，隨著側壁停留時間的增加，焊接小車行走的距離會加大，這樣熔池金屬的熱傳導作用將變弱，兩側所得到的熱量變得更加懸殊，側壁熔深之差隨之增大。

由圖10和圖11可看出，隨著側壁停留時間的增加，焊縫由下凹變為凸出。因為隨著側壁停留時間的增加，電弧對兩側壁的加熱時間增加，熔池也會相應地變大，從而造成熔池下淌的現象，焊縫厚度也隨著增大。

圖10 側壁停留時間對焊縫的影響

圖11 側壁停留時間對側壁熔深及焊縫厚度和表面彎曲的影響

3.4 多層焊接試驗

根據上述試驗結果，我們選擇側壁停留時間600 ms，步進脈沖頻率為1600 Hz的情況下，對厚度為35 mm的坡口進行窄間隙多層焊接試驗。搖動電弧窄間隙立向上焊和平位置焊接頭宏觀如圖12所示。從照片上可以看出，采用搖動電弧窄間隙工藝焊接的兩個接頭成型良好，未見未焊透、氣孔、夾渣等宏觀缺陷，在坡口的兩側壁均形成了良好的熔深。

圖12 焊接接頭宏觀照片

4 結 論

1）該焊接系統實現了搖動電弧窄間隙MAG焊接工藝的關鍵機構，這種以空心軸步進電動機驅動的機構，結構簡單緊湊，實用性強，使用方便，能滿足搖動電弧窄間隙MAG立向上焊接的要求。2）電弧電壓在22 V時焊縫成形良好；側壁停留時間的增加同樣增大了側壁熔透，并且焊縫側壁熔深的不對稱度也在增加；隨著步進脈沖頻率的增加，焊縫由凸出變為下凹，焊縫厚度也隨之減小，但對側壁熔深的影響不明顯。3）進行多層焊試驗時，焊縫成形良好，達到了設計要求，能應用于厚板窄間隙立向上焊接。