一種節(jié)能增效的新型半自動(dòng)打底焊接工藝

何仙來　林雷

摘要：文章通過對(duì)帶不銹鋼襯墊的鋁合金板材進(jìn)行熔化極半自動(dòng)（MIG）打底焊工藝（該技術(shù)已申請(qǐng)國家發(fā)明專利）試驗(yàn)，并將該新工藝與傳統(tǒng)的手工鎢極氬弧（TIG）打底焊進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明新工藝在防止厚板打底焊工藝中的底部咬邊和襯墊擊穿方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，能有效地提高生產(chǎn)效率，降低能耗，減少生產(chǎn)成本。同時(shí)，該研究通過分析新工藝焊縫的機(jī)械性能和缺陷，獲得該工藝的適用范圍和應(yīng)用局限性，為新工藝的生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鋁合金；熔化極半自動(dòng)焊接；打底焊；節(jié)能增效；對(duì)比試驗(yàn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG457 文章編號(hào)：1009-2374（2015）03-0091-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0237

帶不銹鋼襯墊的鋁合金半自動(dòng)打底焊接工藝技術(shù)是我公司在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)并總結(jié)的一套全新的技術(shù)，該技術(shù)在鋁制壓力容器制造最后一道封閉的環(huán)焊縫中應(yīng)用具有極大的優(yōu)勢。其首次開發(fā)并應(yīng)用在杭州杭氧低溫液化公司制造的RS801～RS803等系列厚板壓力容器筒體對(duì)接環(huán)焊縫打底焊接作業(yè)，效果顯著，一次合格率很高，經(jīng)總結(jié)歸納，該新技術(shù)已申報(bào)發(fā)明專利。因此驗(yàn)證該工藝方法焊縫機(jī)械性能，掌握其特點(diǎn)，有效發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，控制不足之處，推廣該項(xiàng)重要技術(shù)發(fā)明，突破傳統(tǒng)手工鎢極氬弧焊在不銹鋼襯墊打底焊作業(yè)的單一方法，對(duì)生產(chǎn)節(jié)能降耗、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少成本具有重要

作用。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

目前鋁合金板材的不銹鋼墊板打底焊接技術(shù)工藝不足之處：不銹鋼襯墊單面坡口焊接常常應(yīng)用在容器封頭與筒體、筒體與筒體組合的環(huán)焊縫。鋁合金熔點(diǎn)不高，液態(tài)流動(dòng)性良好，因此對(duì)打底焊接技術(shù)要求非常嚴(yán)格，焊槍角度和焊接速度控制等技能水平的高低對(duì)打底焊接質(zhì)量有重要影響。電流過大、焊槍角度太過垂直、熔池停留時(shí)間過長，都將造成不銹鋼襯墊擊穿或焊縫內(nèi)咬邊缺陷。對(duì)一些較厚大的鋁合金板材，應(yīng)用手工鎢極氬弧焊打底焊需要采用氧乙炔火焰加熱，否則很難熔化母材，熔池不易形成，給焊接作業(yè)帶來困難。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的手工鎢極氬弧焊，不但消耗大量的能源，而且焊接質(zhì)量并不穩(wěn)定，極易造成咬邊和墊板擊穿等現(xiàn)象。新MIG打底焊是為了克服原有技術(shù)存在的不足，而提供一種能避免不銹鋼襯墊擊穿或者擊傷，有效解決打底焊內(nèi)部質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，提高一次成型合格率，提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，縮短生產(chǎn)周期，大大降低生產(chǎn)成本的鋁合金板材的不銹鋼襯墊半自動(dòng)打底焊接

方法。

2 新MIG打底焊工藝介紹

新工藝方法如下：將鋁合金板材以及焊縫底部緊貼的不銹鋼襯墊一起傾斜放置于與水平地面成10°～30°角度的平面上，焊接時(shí)，將焊槍垂直工件表面后傾斜約10°～20°（即與鋁合金板材表面夾角100°～120°），如圖1所示。焊槍嘴在母材根部兩側(cè)左右Z字形擺動(dòng)，至下而上焊接，并合理控制施焊停止點(diǎn)作用在兩側(cè)母材根部，使之充分熔化，如圖2所示。在坡口兩側(cè)Z字形擺動(dòng)過程中，焊槍電弧在兩側(cè)母材之間跨越時(shí)不得停頓，避免電弧與不銹鋼襯墊接觸時(shí)間太長導(dǎo)致不銹鋼襯墊被擊穿；鋁合金板材以及鋁合金板材下緊貼不銹鋼襯墊構(gòu)成的工件傾斜向上，熔敷金屬在重力和保護(hù)氣流的作用下，從工件母材兩側(cè)停頓點(diǎn)自然形成熔池，在中間匯聚向下流淌在不銹鋼襯墊表面凝固成形，焊槍前端未融化母材可以清晰展現(xiàn)，以便焊工掌握焊槍速度。

所述的鋁合金板材厚度須達(dá)10mm以上，采用的是熔化極半自動(dòng)焊接的坡口焊縫，尤其在最后一道封閉焊縫中，采用不銹鋼襯墊工藝措施發(fā)揮的效果更加顯著；坡口設(shè)計(jì)60°～70°或U型，無鈍邊，焊縫底部間隙為4～5mm，并且不銹鋼襯墊緊貼于坡口底部。

3 新工藝工裝要求

采用該MIG方法在不銹鋼襯墊上進(jìn)行打底焊接時(shí)，我們分別將間隙控制在2mm和5mm進(jìn)行試驗(yàn)做了對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果見圖3所示。因此，要求不銹鋼襯墊貼實(shí)焊縫根部，襯墊離試板或工件底面間隙控制在2mm之內(nèi)，否則焊接過程焊縫根部生產(chǎn)氧化物從根部間隙飛濺出來，難以清理，尤其是壓力容器最后一道封閉環(huán)焊縫中，要求容器內(nèi)部清潔，所以在實(shí)際應(yīng)用中特別注意冷作裝配要求，筒體圓整度，裝配錯(cuò)變量要求很高。

4 試驗(yàn)方法

4.1 方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用常規(guī)的5083-H112鎂鋁合金，規(guī)格12×125×400和25×125×400mm兩種。焊縫兩端采用引熄弧板，防止試板焊接變形很大。焊縫坡口設(shè)計(jì)如圖4所示：

每一種規(guī)格的試板分為兩組分別采用TIG和MIG進(jìn)行施焊，每組5付。

4.2 能耗對(duì)比

焊接消耗電能計(jì)算方法：Q=U×I×t

12mm試板打底層焊接參數(shù)及能耗對(duì)比如表1所示：

下面對(duì)25mm試板進(jìn)行同樣的方法試驗(yàn)，由于手工鎢極氬弧焊需要預(yù)熱，試驗(yàn)采用乙炔0.07MPa和氧氣0.5MPa氧乙炔火焰加熱，實(shí)際加熱時(shí)間為12min。所得焊接參數(shù)如表2。

25mm試板打底層焊接參數(shù)及能耗對(duì)比如表2所示：

表2數(shù)據(jù)顯示每道次采用TIG方法焊接所損耗的電能約為MIG的3倍。焊接速度上TIG打底焊所用時(shí)間更長約為MIG的1.5倍。本次完成12mm厚試板采用MIG施焊4道，TIG施焊3道。25mm厚試板采用MIG施焊7道，TIG施焊5道，新MIG工藝約為TIG工藝的1/2。除此之外，厚板TIG打底焊工藝所用的氧乙炔預(yù)熱能耗計(jì)算，假設(shè)每50m焊縫手工氬弧焊加熱所用乙炔98元/瓶、氧氣19元/瓶約各一瓶，合計(jì)117元。它打破手工鎢極氬弧焊在不銹鋼襯墊打底作業(yè)的單一模式，采用半自動(dòng)打底焊接利用其噴射過渡形式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)厚大工件來說，無需外部加溫預(yù)熱來提高焊接熔池生成速率，與傳統(tǒng)手工鎢極氬弧焊相比，能耗成本低，從節(jié)能經(jīng)濟(jì)性比較，新工藝采用的MIG焊接方法在能源損耗上具有明顯的優(yōu)勢，材料越厚，效果越好。

4.3 焊縫一次射線合格率對(duì)比

試板經(jīng)過射線檢測發(fā)現(xiàn)，這兩種焊接方法，其內(nèi)部合格率都非常高。但從實(shí)踐應(yīng)用過程中統(tǒng)計(jì)，新工藝采用的MIG打底焊對(duì)帶襯墊的單面焊焊縫根部發(fā)生內(nèi)咬邊和襯墊擊穿概率大大降低，在射線檢測結(jié)果中這些缺陷幾乎不存在，該方法利用焊道與水平面的角度合理設(shè)置，保證了熔池在重力作用下不會(huì)掩蓋焊道根部未融化母材，避免了假焊、根部咬邊缺陷，有效提高射線檢測一次合格率。還有焊槍與焊道夾角合理設(shè)置及特殊的焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，保證了打底焊接背面成型質(zhì)量，防止不銹鋼襯墊受熱時(shí)間過長被電弧擊穿的可能，使得閉環(huán)焊縫背部襯墊擊穿的可能性降到最低，幾乎為零。而傳統(tǒng)的帶不銹鋼襯墊TIG打底焊過程人為影響因素太多，難以保證。這在產(chǎn)品焊縫射線檢測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中得到證實(shí)。

本次試驗(yàn)，12mm試板TIG工藝出現(xiàn)內(nèi)咬邊缺陷長度15mm，其他試板均達(dá)到GB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)II要求。

4.4 焊縫機(jī)械性能對(duì)比

12mmMIG和TIG試樣機(jī)械性能合格率對(duì)比如表3

所示：

5083-H112的抗拉強(qiáng)度δ=275MPa，從表3對(duì)兩種方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于12mm薄板來說，TIG焊接試板抗拉強(qiáng)度普遍滿足要求，機(jī)械性能試驗(yàn)合格利率相比MIG半自動(dòng)焊接，其抗拉強(qiáng)度更高。而MIG半自動(dòng)焊接試板強(qiáng)度有兩個(gè)不合格項(xiàng)，在面彎和背彎性能測試中，相比TIG單面焊工藝，MIG單面焊多數(shù)未能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，從焊縫橫截面可以看出，MIG單面焊密集微型氣孔數(shù)量較多有關(guān)，由于板材焊縫較薄，根部氣孔缺陷數(shù)量和大小所占比例較高，對(duì)試件彎曲影響較大。所以，12mm薄板理化試驗(yàn)結(jié)果表明，TIG手工鎢極氬弧焊工藝機(jī)械性能比MIG更好。

25mmMIG和TIG試樣機(jī)械性能對(duì)比如表4所示：

25mm試板理化數(shù)據(jù)從表4得知其結(jié)果和表3形成鮮明對(duì)比，雖然TIG手工鎢極氬弧焊工藝，試板抗拉強(qiáng)度仍然略高于MIG半自動(dòng)打底焊接工藝。但在面彎和背完性能測試中，MIG半自動(dòng)打底焊完勝TIG手工鎢極氬弧焊工藝的機(jī)械性能。由于厚板根部密集氣孔缺陷在厚板焊縫金屬橫截面中所占比例很小，氣孔造成的影響可以忽略不記。此時(shí)焊接熱輸入對(duì)焊縫性能影響占主要原因，TIG手工鎢極氬弧焊焊前需要預(yù)熱，焊接過程電流大，熱輸入高，合金燒損嚴(yán)重，晶粒粗化，焊縫金屬組織韌性下降，導(dǎo)致焊縫彎曲性能不合格。

5 結(jié)語

帶不銹鋼襯墊的鋁合金MIG打底焊接工藝打破了傳統(tǒng)的手工鎢極氬弧焊在不銹鋼襯墊打底焊接的唯一性。尤其在較厚鋁合金板材的焊接中具有高效、高質(zhì)量、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在壓力容器最后一道環(huán)焊縫中，只能采用單面焊接工藝來完成時(shí)，它能極大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短制造周期，保證底部焊接質(zhì)量，從時(shí)間、物料、能源、人力上全面降低生產(chǎn)成本。通過模擬帶不銹鋼襯墊鋁合金MIG單面焊接工藝，將新工藝和傳統(tǒng)的TIG手工鎢極氬弧焊打底焊通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，總結(jié)如下：（1）新工藝能有效改善、避免單面打底焊接中常常出現(xiàn)的墊板擊穿和內(nèi)咬邊缺陷，提高了產(chǎn)品焊縫一次射線檢測合格率；（2）新工藝采用了MIG半自動(dòng)焊接方法，焊接速度提高1.5倍以上，考慮MIG焊接每層厚度比TIG小，總的電能損耗約為TIG的1/2；（3）薄板焊接中采用傳統(tǒng)的TIG打底焊，焊縫抗拉強(qiáng)度高，彎曲性能更好，新的MIG打底焊工藝在厚板單面焊中無需另外采用氧乙炔加熱，且在機(jī)械性能上比傳統(tǒng)TIG焊接優(yōu)良；（4）新工藝方法在應(yīng)用中特別注意不銹鋼襯墊貼緊工件焊縫底部，保證間隙在2mm以下，以免MIG打底焊氧化物生成，使得筒體內(nèi)部飛濺物粘著，影響產(chǎn)品內(nèi)部清潔度。這對(duì)冷作工裝、筒體圓度和焊縫錯(cuò)變量提出了更高的要求。

綜上所述，該帶不銹鋼襯墊的鋁合金MIG單面打底焊工藝適用于材料厚度大于10mm以上的零件，而且越厚效果越明顯。為了能達(dá)到優(yōu)質(zhì)焊縫，焊前的冷作工裝技術(shù)必須高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求執(zhí)行。這樣才能極大地發(fā)揮新工藝的優(yōu)點(diǎn)，切實(shí)對(duì)生產(chǎn)帶來便利。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊：第2卷（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳淑惠.焊接方法與設(shè)備[M].北京：高等教育出版社，2009.

作者簡介：何仙來（1984-），男，浙江杭州人，杭州杭氧低溫液化設(shè)備有限公司工程師，研究方向：焊接工藝；林雷（1983-），男，浙江杭州人，杭州杭氧低溫容器有限公司工程師，研究方向：焊接工藝。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）