等離子-MAG復合焊Q960鋼工藝應用研究

王蓮芳 陳鐵堅 劉瑋 劉松良 劉海文

摘要：文中介紹了應用等離子-MAG復合焊接技術于中厚板焊接的一個工業(yè)化應用案例，研究結果表明等離子-MAG復合焊可工業(yè)化應用于批量中厚板高強鋼焊接，等離子-MAG復合焊接8mm以下低碳鋼及低合金鋼可以不用開坡口一道焊接至完全熔透。焊縫間隙保證在0～1.2mm范圍內可以確保等離子-MAG復合焊接12m長直焊縫的完全熔透且正反面成形美觀。在同樣屈服強度960MPa母材及焊絲匹配的情況下，焊接接頭抗拉強度等離子-MAG復合焊略高于普通MAG焊，-40℃低溫沖擊韌性等離子-MAG復合焊稍低于普通MAG接頭。

關鍵詞：等離子-MAG復合焊;中厚板焊接;工業(yè)化應用;Q960鋼;焊接接頭性能

中圖分類號：TG47

0前言：等離子電弧復合焊接是將等離子弧與MIGMAG電弧有機復合形成的一種高效優(yōu)質、低成本、較高的間隙適應性的焊接新技術。等離子-電弧復合焊有效利用等離子束流高能量密度、高射流速度、強電弧力的特性，在焊接過程中形成穿孔熔池，實現中厚板單面焊雙面成形。等離子-MAG焊接過程中，在等離子弧和MAG電弧的作用下，焊絲加熱并熔化，形成金屬熔滴，進入熔池。等離子弧為負極，MAG電弧為正極，電流通過兩個電極相互作用下產生電磁力，電磁力牽引等離子弧向焊接熔池前方移動，等離子弧在高速焊接過程中尾隨焊槍軸線［1］。通常情況下，等離子-MAG焊接過程中需要軸向送進的焊絲和MAG電弧都被等離子氣包圍。等離子弧是壓縮電弧，具有能量密度高，電弧剛度大等特性，保證了焊接熔深。該壓縮電弧有一定的清理和輔助攪拌作用，不僅保證焊縫中產生的氣體有足夠的時間逸出，而且在焊接過程中產生的氧化物及其他雜質都被“陰極霧化”除去，這樣焊縫比較干凈，也有效地防止了焊縫缺陷的產生［2］。與等離子弧并存的MAG電弧，有較強的焊縫填充金屬能力，保證了焊接高效的進行。

與傳統(tǒng)的MIGMAG焊比較，等離子-MIG焊有以下優(yōu)勢：焊縫質量顯著提高，焊縫區(qū)的晶粒細小，焊接能量更集中，熱影響區(qū)域較小，焊接變形小，焊接效率提升。不過等離子-MIG焊接過程中的參數多，工藝參數調節(jié)較為復雜。等離子-MAG復合焊是一種適合于碳鋼、低合金鋼及鋁合金的一種高效焊接工藝。

早在二十世紀八十年代，西德的國際原子公司在焊接由32個直徑為165cm鋁制管所組成的管簇結構的鋁管時，考慮到其結構具有一定的特殊性，該公司采用了Plasma-MIG焊進行焊接，試驗結果表明，在X射線檢驗下，焊縫質量明顯提高，但沒有大量應用［6］。

1995年，PlasmaLaserTechnologies（簡稱PLT公司）在以色列成立，該公司成功的研發(fā)出等離子-MIG焊系統(tǒng)，后來PLT公司被Hellerindustries收購成立WELDBOT公司，該公司提供等離子電源及一體式等離子焊槍。

美國Cummins公司將等離子-MIG焊接成功應用于排氣管的自動焊接中，提高了生產效率降低了生產成本。美國BabcockPower公司采用plasmaMAG焊替代了原有的TIG焊在保證焊接質量的同時管子對接焊的效率提高了10倍［1］。

20世紀80年代后，中國的相關機構和人員對等離子-MIG焊接方法做過一些研究，截至目前，較少報道有工業(yè)化應用案例。李德元教授對等離子-MIG焊的起弧過程，焊接鋁合金的規(guī)范優(yōu)化和組織分析進行探索研究，其研制的等離子-MIG焊接設備成功地應用于三峽電站大型開關斷路器的焊接。

目前在世界上等離子-MAG復合焊的工業(yè)化應用案例較少。經過多年深入研究，等離子-MAG復合焊已成功應用于焊接Q960等高強鋼汽車起重機吊臂。

1汽車起重機Q960鋼吊臂應用等離子-MAG焊的優(yōu)勢

汽車起重機吊臂為減輕自重提升起重量，大量應用Q960等高強鋼。Q960鋼為低合金高強鋼，交貨狀態(tài)為調質態(tài)，鋼板橫向力學性能屈服強度≥960MPa，抗拉強度≥980MPa，斷后伸長率≥12%，-40℃低溫沖擊韌性≥34J。Q960鋼焊接的難點是容易產生冷裂紋，需要控制熱輸入。焊接過程如果熱輸入過大或冷卻速度太慢，在焊接熱影響區(qū)易產生軟化現象；若冷卻速度較快，焊接熱影響區(qū)易產生淬硬組織，有出現冷裂紋和韌性下降的傾向；因此應該兼顧兩者的冷卻速度的范圍。這個范圍的上限取決于不產生冷裂紋，下限取決于熱影響區(qū)不出現脆化的混和組織。正確選擇熱輸入和預熱溫度（包括道間溫度）是保證不出現裂紋、脆化和軟化的關鍵［7］。等離子-MAG復合焊的焊接能量集中，熱影響區(qū)域較小，加上等離子-MAG復合焊的等離子弧在前穿孔，有一定的預熱作用，可以降低母材的預熱溫度25～30℃，正好能滿足Q960鋼焊接的較小熱輸入及預熱溫度的要求。

汽車起重機吊臂主焊縫長達12m，為上下蓋板壓型后形成的對接接頭，下蓋板單側50°坡口。汽車起重機吊臂主焊縫之前工藝為采用普通MAG焊人工打底焊，再自動焊蓋面，其缺點是（1）工序時間長焊接效率低，成為吊臂產能提升瓶頸；（2）焊接填充量大，易導致焊接變形吊臂的焊后變形量大多在5mm以上，且為典型的波浪式失穩(wěn)變形，焊后矯正困難，焊后矯形溫度過高，又將給Q960鋼吊臂帶來未知的性能影響；（3）需要銑坡口工序，銑坡口工序占用設備、場地、人員，且工序間轉儲及等待行車需要占用大量時間，影響整個生產線的效率；（4）無法焊縫全長單面焊雙面成形實現焊縫全熔透，（5）焊絲用量較大，焊后飛濺多。

采用等離子-MAG復合焊則能解決上述問題。相比之前普通MAG焊，采用等離子-MAG復合焊有諸多優(yōu)勢：可實現8mm及以下板厚吊臂不需加工坡口，一道焊接完成且焊縫完全熔透，焊縫質量顯著提升；取消銑坡口及打底焊兩道工序，并減少場地及人員，單道焊縫焊接速度可達到950mmmin，單道焊縫焊接效率提升1.5倍以上，總體生產效率大幅提升，相比原普通MAG焊工藝，，單根吊臂的焊接時間就原48min減少至24min，單根吊臂節(jié)省銑坡口時間約20min，銑坡口到焊接完成由原68min減少至24min，加上取消兩道工序后節(jié)省的轉序等環(huán)節(jié)時間，總體生產效率提升3倍以上；且取消人工打底焊使吊臂結構制作產線實現智能無人化生產成為可能，對汽車起重機制造廠家來說具有非常重要的意義；焊材用量減少30%，焊接能量更集中，熱影響區(qū)域較小，焊接變形小、焊接無飛濺等。

2汽車起重機吊臂等離子-MAG復合焊自動生產線

2.1等離子-MAG復合焊工藝特點

文中涉及的等離子-MAG復合焊采用旁軸式復合焊，將高能束等離子弧和可靠的氣保電弧整合于同一焊槍中，等離子弧在前面引導MAG弧，并在前方開槽，形成坡口，用緊隨其后的MAG焊絲和熔化的母材來填充，從而加倍提升了單道焊接熔深和焊接速度，等離子-MAG復合焊電弧形成示意圖如圖2所示。等離子-MAG焊接設備由兩個獨立的電源分別產生MAG弧和等離子弧，由于需要同時產生兩種電弧，因此焊接參數的協(xié)調和穩(wěn)定十分重要。相比普通MAG焊，等離子-MAG復合焊焊接能量更集中，熔深更大，熱影響區(qū)域較小，等離子-MAG復合焊與MAG焊的宏觀金相圖如圖3所示。2.2等離子-MAG復合焊自動生產線

為將等離子-MAG復合焊實際應用于生產制造，設計建造了一條等離子-MAG復合焊自動焊接生產線，生產線單元包含2個的復合焊工作站，一個單獨的工作站包含焊接機器人系統(tǒng)、Super-MIG等離子-

MAG復合焊設備和HD復合焊槍、MAG電源，龍門行走系統(tǒng)、背襯墊系統(tǒng)、激光跟蹤器、中頻預熱系統(tǒng)、橫向對中定位機構、縱向定位機構、滾筒支撐架、液壓系統(tǒng)等組合而成。焊接過程中，工件吊臂不移動，背襯墊系統(tǒng)與懸掛于龍門行走系統(tǒng)上焊槍的行走速度同步，跟隨焊槍一起移動，保證焊接過程中焊縫不會因焊透而產生焊瘤。等離子-MAG復合焊生產線的所有部件全部自動控制及協(xié)同作業(yè)，可實現完全的生產線智能化，整個產線只需一個人值守。

機器人焊接生產線主要應用于吊臂縱向焊縫的自動化焊接，采用Super-MIG等離子-MAG復合焊，針對8mm及以下壁厚吊臂筒體對接直焊縫焊接可不用開坡口（板厚以厚板板厚為準）。因為吊臂焊縫長達12m，全長焊縫間隙的保證對實現等離子-MAG復合焊單道焊接完全熔透成形至關重要，經過反復試驗驗證，焊縫間隙保證在0～1.2mm范圍內可以確保等離子-MAG復合焊接12m長吊臂焊縫的既完全熔透又焊縫正反面成形美觀。

第一個機器人焊接工作站為雙工位，第一工作站焊接好一根吊臂的一條縱向焊縫后，吊臂被傳送到下一個機器人焊接工作站，翻身后開始焊接吊臂的另一條焊縫，然后工件流走，依此循環(huán)，實現高效、高自動化作業(yè)，等離子-MAG復合焊生產線示意圖如圖4所示。

自動生產線上采用的等離子電源及焊槍為WELDBOT公司生產，等離子電源功率為25kVA@100%dutycycle，等離子焊槍為液體冷卻焊槍，最大承載電流360A；MAG電源選用福尼斯TPS5000電源。

3Q960鋼等離子-MAG復合焊與普通MAG焊焊接接頭性能對比

3.1試驗材料及方法

焊接試驗用鋼板為8mm厚調質態(tài)Q960鋼板，試板尺寸為8mm×130mm×400mm，試驗鋼板的化學成分及力學性能見表1、表2。試驗用焊絲為實心焊絲，直徑Φ1.2mm，焊絲熔敷金屬抗拉強度≥940MPa，屈服強度為≥890MPa，斷后伸長率≥12%。-40℃低溫沖擊吸收能量≥32J。所有試板均單側開30°坡口，坡口無鈍邊，兩塊試板對接形成60°坡口，通過等離子-MAG復合焊及普通MAG焊兩種不同焊接方法進行試驗對比，兩種試驗采用同樣的母材及焊絲的匹配組合，一種在新的焊接生產線上采用等離子-MAG復合焊一道焊接成形，另一種則用普通MAG焊機分三道焊接，焊接時環(huán)境溫度28℃，空氣濕度47%，生產線采用的等離子鎢極直徑為直徑2.4mm，等離子電弧壓縮氣體為99.99%，接頭示意圖如圖5所示。試驗焊接參數見表3。由于等離子-MAG復合焊的等離子弧在前穿孔，有一定的預熱作用，經評估采用等離子-MAG復合焊可以將預熱溫度從75℃降到50℃。

3.2兩種焊接方法焊接接頭性能對比

兩組試板焊后48h超聲波探傷均完全熔透無缺陷，兩組試樣的機械性能結果見表4。以上試驗結果表明采用同樣的Q960鋼母材及焊絲匹配情況下，等離子-MAG復合焊的焊接接頭抗拉強度略高于普通MAG焊焊接接頭，而-40℃低溫沖擊韌性稍低于普通MAG接頭。究其原因，采用等離子-MAG復合焊接的焊接接頭能量更集中，熔深更大，熱影響區(qū)域較小，所以等離子-MAG復合焊的焊接接頭抗拉強度略高于普通MAG焊焊接接頭；同時等離子-MAG復合焊總的熱輸入小，焊縫冷卻速度快，焊縫中低溫組織（馬氏體）量增加，所以帶來焊接接頭強度增加，而韌性降低。

4等離子-MAG復合焊吊臂批量產品應用及意義

等離子-MAG復合焊自動焊接生產線目前已成功焊接400多根產品吊臂，所有吊臂均符合產品質量要求，并應用于產品中，銷售后市場無任何質量反饋，等離子-MAG復合焊接后吊臂焊縫外觀質量如圖5所示。

等離子MAG復合焊接的成功工業(yè)應用案例，可以促進等離子MAG復合焊的應用和推廣。Q960鋼等高強度鋼可以保證焊接接頭的質量，則其他碳鋼和低合金鋼也可以毫無困難地應用；等離子-MAG復合焊自動焊接生產線解決了長薄壁構件對接焊縫無法實現一道焊接完全熔透的行業(yè)難題，汽車起重機的吊臂的長直焊縫可以成功應用，其他結構構件的對接焊縫也可以參考和應用。

5結論

（1）等離子-MAG復合焊可工業(yè)化應用于批量中厚板焊接。

（2）等離子-MAG復合焊接8mm以下低碳鋼及低合金鋼可以不用開坡口一道焊接至完全熔透；相比原普通MAG焊工藝，采用等離子-MAG復合焊可取消銑坡口及人工打底焊兩道工序，單道焊縫焊接速度是普通MAG焊的1.5倍以上，總體生產效率提升3倍以上。

（3）焊縫間隙保證在0～1.2mm范圍內可以確保等離子-MAG復合焊接12m長直焊縫的完全熔透且正反面成形美觀。

（4）在同樣Q960母材及匹配焊絲的情況下，焊接接頭抗拉強度等離子-MAG復合焊略高于普通MAG焊，-40℃低溫沖擊韌性等離子-MAG復合焊稍低于普通MAG接頭。

參考文獻

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［7］王蓮芳.DILLIMAX965鋼在汽車起重機主臂中的焊接應用.［J］焊接技術，2005，34（3）：24-25.

收稿日期：2023-12-20

王蓮芳簡介：1972年出生，高級工程師，本科學歷，湖南長沙人，從事焊接技術工作29年，主要從事高強鋼焊接技術及結構件工藝研究。Email：wanglianfang525@163.com。