常用金属焊接技术研究与分析

孙明杨

引言：本文主要对常用金属焊接技术进行研究，对焊接技术的基层原理进行分析和推广。

一、氩弧焊技术

氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。

（一）非熔化极氩弧焊的工作原理及特点

非熔化极氩弧焊是电弧在非熔化极（通常是钨极）和工件之间燃烧，在焊接电弧周围流过一种不和金属起化学反应的惰性气体（常常用氩气），形成一个保护气罩，使钨极端头，电弧和熔池及已处于高温的金属不与空气接触，能防止氧化和吸收有害气体。从而形成致密的焊接接头，其力学性能非常好。

（二）熔化极氩弧焊的工作原理及特点焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。它和钨极氩弧焊的区别：一个是焊丝作电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；另一个是保护气体，随着熔化极氩弧焊的技术应用，保护气体已由单一的氩气发展出多种混合气体的广泛应用，如Ar80%+CO220%的富氩保护气。通常前者称为MIG，后者称为MAG。从其操作方式看，目前应用最广的是半自动熔化极氩弧焊和富氩混合气保护焊，其次是自动熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，有如下特点。（1）效率高因为它电流密度大，热量集中，熔敷率高，焊接速度快。另外，容易引弧。（2）需加强防护因弧光强烈，烟气大，所以要加强防护。

（三）保护气体（1）最常用的惰性气体是氩气。它是一种五色无味的气体，在空气的含量为0.935%（按体积计算），氩的沸点为-186℃，介于氧和氦的沸点之间。氩是氧气厂分馏液态空气制取氧气时的副产品。我国均采用瓶装氩气用于焊接，在室温时，其充装压力为15MPa。钢瓶涂灰色漆，并标有“氩气”字样。氩气是一种比较理想的保护气体，比空气密度大25%，在平焊时有利于对焊接电弧进行保护，降低了保护气体的消耗。氩气的缺点是电离势较高。当电弧空间充满氩气时，电弧的引燃较为困难，但电弧一旦引燃后就非常稳定。

（四）氩弧焊的缺点：由于热影响区域大，工件在修补后常常会造成变形、硬度降低、砂眼、局部退火、开裂、针孔、磨损、划伤、咬边、或者是结合力不够及内应力损伤等缺点。尤其在精密铸造件细小缺陷的修补过程在表面突出。在精密铸件缺陷的修补领域可以使用冷焊机来替代氩弧焊，由于冷焊机放热量小，较好的克服了氩弧焊的缺点，弥补了精密铸件修复难题。

熔化氩弧焊采用直流反接，有利于电弧稳定，并能充分发挥“阴极破碎”作用。焊接电流应大于获得喷射过渡的最小临界电流值，以获得喷射过渡形成；電弧电压稍低些，以保证喷射过渡的稳定性。熔化极氩弧焊的焊接电流较大。电弧功率与熔池体积也比钨极氩弧焊大，对熔池和电弧区的保护要求较高，因此氩气流量及喷嘴孔径相应增大。通常氩气流量约为30～60L/min，喷嘴孔径为20mm左右。

二、MIG自动焊在铝镁合金焊接中的应用

GIS是一种气体绝缘全封闭开关设备，将各组成元件装入密封的金属接地罐体内，并在此罐体内充入作为绝缘及灭弧介质的SF6气体，是电力输送的关键设备。公司于1998年开始进行126GIS新产品的研制。为减少涡流及减轻重量，金属接地罐体材质选用铝镁合金板材和铸件。参考国外同行焊接工艺，日本东芝利用焊接机器人采用双丝MIG焊。日本三菱采用混合气保护的MIG自动焊。瑞士ABB 采用等离子弧焊接。都取得了良好的焊接质量，实现了高效率化。公司开始采用的是手工氩弧焊（TIG），为满足GIS产品产量的迅速增加，保证罐体类部件的供给，必须采用一种高效、高质量的焊接工艺。经调研分析，结合国内实际现状，将方案定为MIG自动焊接成套设备（简称MIG自动焊）。于2002年7月开始MIG自动焊工艺的研究与应用。

（一）铝合金焊接特点

材质选用5A02，其成分见表1。属于变形铝合金，不能热处理强化。铝镁合金化学性活泼，表面极易生成难熔的氧化铝薄膜，熔点2050℃。这层氧化膜不溶于金属且妨碍被熔融填充金属润湿，焊前要清理这层氧化膜。铝合金导热性是钢的5倍，焊接热输入大，焊接变形难控制。焊接过程中熔体易吸氢，焊后冷却凝固过程中来不及析出便在焊缝中形成气孔。板材厚度在6～50mm，从熔焊深度角度考虑， TIG适于焊板厚小于3mm，MIG单面熔深可达6mm，选用熔深大的MIG焊，可提高效率。

（二）焊前清理

清理是除去焊口及附近的氧化铝、油、水分等，减少焊缝中的氢气孔。采用钢丝轮打磨及丙酮清洗的方式使其露出金属光泽。清理完成至焊接不超过2h。TIG焊时，大于10mm的厚板采取预热，对MIG焊，不进行预热处理，减少对其抗应力腐蚀开裂性能的影响。

（三）焊接工艺

（1）对接焊缝选用6mm板材，采用V形钝边坡口，坡口角度70°，钝边1～2mm，单面双层焊。角接焊缝选用6mm+25mm不等厚板材，内焊缝V形钝边坡口，坡口角度70°，钝边1～2mm，外焊缝不开坡口，双面焊。

（2）焊接电源采用法国SAF480加送丝机构，配变位机等专用辅助设备，实现焊接过程的自动化。

（3）焊丝选用SAF 产ER5356 ，规格为<1.2mm和<1.6mm的盘状焊丝。

（4）采用纯度≥99. 99 %的高纯氩作为保护气体。

（5）焊接方式采用射流过渡打底，采用脉冲过渡盖面，保证内在及表面焊接质量。

（6）焊接参数见表2。

（四）焊接检验

对接焊接试板按照JB4730—94规定进行X射线探伤，焊缝评定为Ⅰ级或Ⅱ级，满足设计要求。按照GB/T228—2002、GB232—98、JB/T9071—99规定进行力学性能试验，试样抗拉强度达到185～198MPa。弯曲180°拉伸面无裂纹，弯曲直径24mm。工艺评定试验合格。根据工艺验证报告编制焊接工艺，指导批量焊接罐体，焊缝探伤、水压、气压、密封性SF6气体检漏等试验均达到设计要求。半年多生产近1000件合格产品，证明了这项MIG自动焊工艺的稳定性。

三、结论

氩弧焊及MIG自动焊作为两种比较典型的焊接技术，工艺质量稳定、生产效率高。必须保持焊接工艺参数的稳定性。通过采用自动焊的方式，能够有效降低焊接质量对焊工技能的依赖。

（作者单位：辽河石油职业技术学院13级焊接1班）