高氣壓環(huán)境下脈沖MAG焊氣體混合比對焊縫成形的影響

張永明，黃松濤，周燦豐

（北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

高氣壓環(huán)境下脈沖MAG焊氣體混合比對焊縫成形的影響

張永明，黃松濤，周燦豐

（北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

在高氣壓環(huán)境下，通過改變保護氣體中Ar/CO2氣體混合配比，對焊縫金屬斷面形狀、熔深和熔寬等參數(shù)進行試驗研究，分析壓力環(huán)境下氣體混合比對脈沖MAG焊縫成形的影響，試驗表明壓力環(huán)境下保護氣體中CO2含量對焊縫成形的影響與常壓時相同，隨著保護氣體中CO2含量的增加，焊縫表面成形變差，熔寬和熔深增加，焊縫余高略有降低；隨著保護氣體中Ar比例的增加，焊縫熔池底部由圓弧狀熔深逐漸變成指狀熔深，當保護氣體為純Ar時，熔池指狀熔深更為明顯。

高氣壓環(huán)境；脈沖MAG焊；氣體配比；焊縫成形

0　前言

氣體保護焊在焊接工藝性、接頭質(zhì)量、焊接過程自動化控制、生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益等方面具有很大優(yōu)勢，所以近年來氣體保護焊在工業(yè)生產(chǎn)中得到快速發(fā)展和廣泛地應用，成為熔化焊接方法的一個重要分支[1]。其中熔化極氬弧焊與CO2氣體保護焊都具有焊接生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)智能控制等全自動焊接的優(yōu)點，但CO2氣體保護焊的缺點也十分明顯，主要是焊接飛濺和焊縫成形的問題[2]。而熔化極氬弧焊在焊接過程中雖然沒有飛濺，但電弧存在漂移現(xiàn)象，且焊接成本高，焊縫容易形成指狀熔深[3]。混合氣體保護焊是在20世紀50年代末在MIG焊的基礎上發(fā)展起來的，混合氣體主要是在惰性氣體中加入一定比例的活性氣體CO2或O2，也被稱為MAG焊[4]。使用Ar和CO2混合氣體保護，既減輕了CO2的氧化性使得飛濺率下降，又使電弧燃燒更穩(wěn)定，焊縫金屬的熔深、熔寬得到改善，降低了成本[5]。

高氣壓環(huán)境下混合氣體中活性氣體成分偏高使得電弧弧柱紊亂加劇，產(chǎn)生劇烈飛濺，因此研究氣體配比對高氣壓環(huán)境下脈沖MAG焊接焊縫成形及焊接質(zhì)量具有重要意義。本研究通過試驗，分析混合氣體中Ar和CO2的混合比對焊縫成形的影響，總結(jié)高氣壓環(huán)境下氣體混合比對焊縫熔深、熔寬的影響規(guī)律，為高氣壓環(huán)境下獲得高質(zhì)量的焊接接頭提供理論支持。

1　實驗系統(tǒng)

試驗裝備采用北京石油化工學院設計的高氣壓環(huán)境焊接試驗系統(tǒng)，如圖1所示。該試驗系統(tǒng)主要由高壓儲氣艙、高壓焊接實驗艙、混合氣體配比器、流量計、松下YD-400GE數(shù)字IGBT控制MAG弧焊電源以及三軸運動控制平臺組成。

圖1　高壓焊接試驗系統(tǒng)

試驗測定的混合氣體為100％Ar，φ（Ar）95％+ φ（CO2）5％，φ（Ar）90％+φ（CO2）10％，φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，φ（Ar）70％+φ（CO2）30％，φ（Ar）60％+φ（CO2）40％，φ（Ar）50％+φ（CO2）50％，100％CO2八種配比的焊縫金屬。

試驗條件如下：母材Q345鋼，試件厚度10 mm。焊絲牌號H08Mn2Si，φ1.2 mm；焊絲干伸長18 mm；焊接速度30cm/min。焊接電壓28.8V，平均電流200A。首先在0.1 MPa、0.3 MPa下分別進行焊接試驗，氣體流量選擇20 L/min。用8種不同的混合氣體分別在試件上進行平板單道焊，焊道長度約200 mm。共焊得16塊試件，并從每個焊件焊縫中部取兩塊10mm的橫斷面金相試件，制成宏觀金相，測量每個焊縫的熔深、熔寬。其次在焊接參數(shù)不變，混合氣體φ（Ar）90％+φ（CO2）10％，分別在0.2 MPa、0.4 MPa的條件下在試件上進行平板堆焊，并從每個焊縫中部取兩塊10mm的橫斷面金相試件，制成宏觀金相。測量焊縫的熔深H和熔寬B。

2　實驗結(jié)果和分析

2.1不同壓力環(huán)境下氣體混合比對焊縫成形的影響

2.1.1常壓下混合氣體比對焊縫成形的影響

在八種氣體配比下對Q345進行平板堆焊試驗，結(jié)果表明：隨著Ar含量的增加，焊縫熔寬和熔深逐漸減小，余高增加，焊縫成形系數(shù)變小，熔池底部形狀由盆底形轉(zhuǎn)變?yōu)橹笭睢Ｇ译S著CO2含量的增加焊縫表面波紋粗糙，有突起現(xiàn)象，飛濺越來越多。0.1MPa下氣體配比對焊縫成形的影響如圖2、圖3所示。

圖2　0.1 MPa下氣體配比對熔寬的影響Fig.2Influence of melting-wide gas ratio at 0.1 MPa

圖3　0.1 MPa下氣體配比對熔深的影響Fig.3Influence of penetration gas ratio at 0.1 MPa

2.1.20.3 MPa環(huán)境壓力下氣體混合比對焊縫成形的影響

0.3MPa下氣體配比對焊縫成形的影響如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，0.3 MPa環(huán)境壓力下氣體混合比對焊縫成形的影響規(guī)律與常壓環(huán)境下相似，都是隨著保護氣體中CO2比例的增加，焊縫熔寬、熔深減小，焊縫余高增加，焊縫成形系數(shù)變小，熔池形狀由盆狀熔深變?yōu)橹笭钊凵睢?/p>

當保護氣體是純Ar時，焊接過程不穩(wěn)定，電弧容易漂移，而在Ar為基本組元的保護氣體中加入CO2后，電弧燃燒變得更加穩(wěn)定，原因是由于CO2為氧化性氣體，隨著其含量的增加電弧區(qū)域的氧化反應加劇，從而克服了純Ar作為保護氣體時易發(fā)生陰極斑點漂移的現(xiàn)象。

圖4　0.3 MPa下氣體配比對熔寬的影響Fig.4Influence of melting-wide gas ratio at 0.3 MPa

圖5　0.3 MPa下氣體配比對熔深的影響Fig.5Influence of penetration gas ratio at 0.3 MPa

2.2高氣壓環(huán)境下保護氣體對焊縫成形的影響

分別在不同高氣壓環(huán)境下進行兩種氣體混合比[100％Ar、φ（Ar）90％+φ（CO2）10％]的熔化極氣體保護焊接工藝試驗，焊接平均電流200A，電壓28.8V，焊接速度30 cm/min。不同環(huán)境壓力下不同氣體配比的焊縫熔池形狀如圖6、圖7所示。測得的熔深、熔寬結(jié)果如圖8所示。

圖6　0.1 MPa環(huán)境壓力下不同氣體配比的熔池形狀Fig.6Shape of the weld pool with different gas mixed ratio in 0.1 MPa pressure

圖7　0.3 MPa環(huán)境壓力下不同氣體配比的熔池形狀Fig.7Shape of the weld pool with different gas mixed ratio in 0.3 MPa pressure

圖8　不同保護氣下焊縫熔寬、熔深Fig.8Different shielding gas weld width and penetration

由圖可知，采用混合氣體φ（Ar）90％+φ（CO2）10％保護對焊縫成形影響很大，此時焊縫的熔深、熔寬均大于純氬氣保護的焊縫。保護氣體中加入一定量的CO2后，焊接過程中CO2吸收熱量會發(fā)生分解，生成CO和O2，這是一個吸熱反應。電弧受到冷卻。而CO具有還原性，焊接過程中在熔池里起還原作用。焊接電弧保護氣體吸收的熱量大大增加，電弧收縮，電流密度和電場強度增加，焊縫熔深增加。同時保護氣體中的CO2還會降低熔池中熔化金屬的表面張力，增加焊縫熔寬。

3　結(jié)論

綜上所述，在Ar/CO2混合氣體保護焊中，氣體配比對焊縫成形有明顯影響。隨著CO2比例的增加，焊縫表面成形越來越差，熔寬和熔深增加，焊縫余高略有降低。高氣壓環(huán)境下混合氣體比對焊縫成形的影響與常壓下相似，隨著CO2比例的增加，熔寬和熔深增加，焊縫余高則略有降低。而且隨著Ar+CO2混合氣體中氬氣含量的增加，飛濺逐漸下降。高氣壓環(huán)境下當保護氣體中氬氣含量過高時，焊縫熔池形狀變成指狀熔深，尤其是Ar含量為100％時，指狀熔深更為明顯。

[1]張建春，王國榮，石永華.混合氣體在熔化極氣體保護焊中的應用[J].焊管，2006，29（3）：46-49.

[2]于彥東.混合氣體配比對焊接飛濺率的影響[J].焊接，1994（7）：20-21.

[3]黃松濤，谷孝滿，王磊.高氣壓環(huán)境脈沖MAG焊氣體混合比對焊接穩(wěn)定性的影響[J].焊接學報，2015，36（3）：43-47.

[4]涂俊俊.熔化極氣體保護焊弧長控制技術(shù)研究[D].長沙：中南大學，2010.

[5]王小玲.Ar+CO2混合氣體保護焊工藝試驗與應用[J].焊接技術(shù)，2001，30（2）：53.

Influence of pulsed MAG welding gas mixing ratio of the weld in high pressure environment

ZHANG Yongming，HUANG Songtao，ZHOU Canfeng
（School ofMechanical Engineering，BeijingInstitute ofPetrochemical Technology，Beijing102617，China）

In the high-pressure environment，by changing the shielding gas Ar/CO2gas mixture ratio，cross-sectional shape of the weld metal，weld penetration and weld width and other parameters were studied，analysis of the gas mixing ratio on the pulse MAG weld.The test showed that the impact of atmospheric carbon dioxide under pressure to weld the same with under normal pressure，with the increase of CO2content in the shielding gas,welding surface deformation was poor，fusion width and penetration increased, the weld residual high slightly reduced;with the shielding gas Ar ratio increased，weld the bottom by the arc shape gradually became finger depth of molten deep，when the protective gas was pure Ar，the depth of molten pool finger was more apparent.

high pressure environment；MAG pulse welding；gas ratio；weld

TG444+.74

A

1001－2303（2015）11－0147-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.31

2015-05-28

國家自然科學基金（51175046）

張永明（1989—），男，在讀碩士，主要從事水下焊接工藝方面的研究。