MAG焊焊接接头的研究

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　　1提出问题

　　MAG(Metal Aative Gas ARE Welding)焊是熔化极活性气体保护电弧焊的英文简称。它是在氩气中加入少量的氧化性气体(氧气,二氧化碳或其混合气体)混合而成的一种混合气体保护焊。目前我国常用的是80%Ar+20%二氧化碳的混合气体，由于混合气体中氩气占的比例较大，故常称为富氩混合气体保护焊。MAG焊既有氩弧焊的特点，如电弧稳定、飞溅少，易获得喷射过渡，又具有氧化性，克服了纯氩弧焊时表面张力过大，液体金属粘稠，斑点漂移等问题，改善了焊缝成形。同时在氩气中加入的二氧化碳，加剧了电弧中的氧化反应，氧化反应放出的热量，增加了熔深，提高了焊丝熔化系数。因此MAG焊现已在焊接结构制造中得到了广泛的应用。

　　但是，目前在MAG焊接头设计中，人们仍沿用焊条电弧焊的设计思路，如按焊条电弧焊的经验来选用坡口的形状尺寸和设计角焊缝焊脚等。出现这种情况的原因有两方面，一是在我国焊条电弧焊仍是主要的焊接方法，人们往往习惯地把其作为参照物；二是国家目前在焊接方面还没有单独的标准，如坡口的形状尺寸，而只有GB/T985-1988《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》通用标准，未能体现出不同焊接方法的特点。由于上述两方面原因，使得设计MAG焊焊接接头时，不能充分发挥其熔深大、成本低等优越性，造成不必要的材料浪费等。由此我们通过理论分析和焊接对比试验，对MAG焊焊接接头的设计进行了研究，提出了一些设计原则，生产实践证明，这些原则具有较大的实用价值。2 MAG焊对接接头设计特点的分析

　　对接接头的设计主要包括接头的坡口形式选择、坡口尺寸(坡口角度、坡口面度、钝边、根部间隙)的确定等内容。我们认为MAG焊对接接头应具有以下特点：MAG焊不开坡口的最大厚度可由焊条电弧焊的6mm，提高到12mm；开坡口接头的坡口角度可由焊条电弧焊一般的60°减少到30°左右，钝边高度可比焊条电弧焊增加1.5-2.5mm，根部间隙可减少1-2mm，这是因为MAG焊较焊条电弧焊有以下几个方面的优势。

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　　(1)MAG焊采用混合气体保护，热量集中，受热面积少。有关资料表明，焊条电弧焊加热的最小面积为10-3平方厘米焊加热的最小面积为10-4平方厘米，仅为前者的1/10所以MAG焊热量利用率高,有效功率系数大,焊接熔深增加。(2)MAG焊电流密度大，MAG焊采用φ1.0焊丝短路过渡时，焊接电流一般为160-220A，电流密度为160-220A/mm2；采用φ1.6焊丝射流过渡时，焊接电流一般为300-370A，其电流密度为189-231A/mm2；而采用焊条电弧焊时，φ4焊条的焊接电流一般为160-220A，其电流密度只有189-231A/mm2，远小于MAG焊。所以，MAG焊电流密度大，电弧穿透力强，熔深大，单道焊缝厚度大。

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　　(3)MAG焊采用的是氩气和二氧化碳混合气体保护的焊接方法，不必象焊条电弧焊那样需考虑焊条药皮熔渣的上浮而设计较大的坡口角度(坡口面角度)，此外，MAG焊焊丝直径较细，焊丝容易深入坡口底部，在间隙较小时，有利于根部焊透。按照上述原则设计的焊接接头，一方面可以减少焊丝的填充量，节省因坡口加工产生的母材消耗，节省了气体的消耗量和电能，降低了成本，提高了劳动生产率。另一方面可以减少焊接热影响区的宽度，减少焊接应力与变形，提高焊接质量。3角焊缝焊脚设计特点的分析

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　　(1)焊脚过大的不利影响角焊缝设计时，有人常错误地认为焊脚越大，接头的承载能力越高，故设计时，常选用较大的焊脚。但经实验证明，大尺寸焊脚的角焊缝单位面积的承载能力并不大，反而较低。有研究表明，角焊缝的变形大约与焊脚的一点三次方[1]成正比。由于焊脚过大，接头受热较严重，因此，焊接应力与焊接变形大。此外焊脚过大，填充材料用量增加，焊接时间增长，焊接成本也较高。

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　　(2)MAG焊可采用较焊条电弧焊较小的焊脚我们知道，工程上为了安全可靠和计算简便常假定角焊缝都是在切应力作用下破坏的，一律按切应力计算其强度，并假定危险断面是在角焊缝截面的最小高度处，该最小高度为该断面的计算厚度，并忽略焊缝余高和少量熔深的影响。对于焊条电弧焊由于熔深较浅，可忽略其影响，如图"所示1其计算厚度为:a条=0.707K条对于MAG焊，由于熔深较大，故必须考虑其影响。根据《焊接手册》，如图2所示，其计算厚度为：当Km小于或等于8,am=Km当Km>8,am=(Km+P)cos45°=0.707(Km+3)(P取3)由于角焊缝的切应力与焊缝的长度、所受外力及断面计算厚度有关，在焊缝长度和外力相同的情况下，要使两种焊接方法角焊缝强度相等，即切应力相等，则两者的断面计算厚度就应相等，即a条=am，经简化可得到如下公式：当K小于或等于8,Km=0.707K条当K>8,Km=K条-3

 

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图1,图2

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　　由此可见,在保证接头强度相等的情况下,当焊脚较大时(K>8),采用MAG焊的焊脚可比焊条电弧焊小3mm；当焊脚较小时(K<8)，采用MAG焊的焊脚仅为焊条电弧焊的0.707倍。

　　4焊接对比试验

　　(1)对接接头力学性能试验此试验参照JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》进行，目的是对坡口角度较小、钝边较大、间隙较小的MAG焊焊接接头与焊条电弧焊焊接接头的力学性能进行对比分析。

　　试验材料母材Q345 (16 MnR),规格300×125×10，焊条电弧焊开60°V形坡口，钝边3mm，间隙1mm；MAG焊开30°V形坡口，钝边3mm，间隙1mm。

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　　焊条电弧焊焊条E5015φ3.2,φ4单面焊双面成形；MAG焊焊丝ER50-6φ1.2，保护气80%Ar+20%二氧化碳(瓶装)，单面焊双面成形。

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　　检验项目外观检查，X射线探伤，焊接接头力学性能试验(拉伸试验和弯曲试验)。

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　　试验结果外观检查合格；X射线探伤底片均为I级；焊条电弧焊抗拉强度为528MPa和536MPa。MAG焊抗拉强度为552MPa和554MPa；均大于母材的拉试验度；50°冷弯试验，两种焊接方法面弯、背弯各2次全部合格.

　　(2)对接接头焊缝厚度试验焊缝厚度是指焊缝的正面到焊缝背面的距离，对接接头焊缝厚度试验，是对不开坡口的对接接头。以下分别采用焊条电弧焊和MAG焊进行焊接来比较它们的断面焊缝厚度。

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　　试验材料母材Q235-A，规格300×125×10，接头不开坡口，留1mm间隙。

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　　焊接材料及焊接要求焊条电弧焊E4304φ4MAG焊焊丝ER50-6φ1.2，保护气80%Ar+20%二氧化碳；两者均为单层单道焊。

　　检验项目外观成形检查，5个断面宏观金相焊缝厚度检验。

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　　检验结果2个试件外观成形良好，从5个断面的宏观金相来看，MAG焊焊缝厚度明显大于焊条电弧焊，平均大3mm左右。

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　　T形接头角焊缝试验T形接头角焊缝试验目的是对MAG焊接头断面的熔深与焊条电弧焊接头断面熔深及成形对比分析。

　　试验材料母材Q235-A，规格300×125×10，接头不开坡口，留1mm间隙。

　　焊接材料及焊接要求焊条电弧焊E4303φ4；MAG焊焊丝ER50-6φ1.2，保护气80%Ar+20%二氧化碳，单道焊。

　　检验项目外观成形，5个断面宏观金相熔深检验。

　　检验结果2个试件焊缝外观成形较好，根部均焊透。MAG焊的熔深明显大于焊条电弧焊，且呈圆弧状。5焊接对比试验分析

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　　从对接接头力学性能试验可知，MAG焊与焊条电弧焊的焊接接头抗拉强度均大于母材的抗拉强度，焊接接头的冷弯试验全部合格。这说明减少坡口角度，增加钝边高度，减少间隙的MAG焊的焊接接头力学性能高于焊条电弧焊。从对接接头焊缝厚度试验可知，不开坡口的MAG焊的焊缝厚度明显大于焊条电弧焊。

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　　从对形接头角焊缝熔深试验可知，MAG焊的熔深明显大于焊条电弧焊，且MAG焊焊缝的断面成形也优于焊条电弧焊，这说明MAG焊可通过减少焊脚大小来获得等强度的焊条电弧焊角焊缝接头。6结论

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　　经过理论分析，焊接对比试验及生产应用情况，可得出如下结论。

　　(1)MAG焊不开坡口的对接接头母材厚度明显大于焊条电弧焊，焊条电弧焊一般为6mm，MAG焊可达12mm以上。

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　　(2)对于开坡口的对接接头，MAG焊坡口角度可由焊条电弧焊的60%减少至30°-35°，钝边可增大1.5-2.5mm，根部间隙可减少1-2mm。

　　(3)对于角焊缝，当焊脚K>8时:采用MAG焊的焊脚可比焊条电弧焊减少3mm；当焊脚K小于或等于8时:采用MAG焊的焊脚可取焊条电弧焊焊脚的0.7倍即可。

　　(4)采用此MAG焊接头设计原则时，节约焊接成本理论上可达50%。