气体保护焊在机床行业的应用

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1　前言

　　自80年代初以来，随着我国国民经济持续增长，机床行业也得到了高速发展，生产工艺也逐渐向国际水平看齐。我公司在全国机械行业率先全面引进美国VERSON公司全钢压力机的技术，机械压力机大型构件由以前的铸件转向了焊接结构件，焊接技术水平也相应得到了提高，由以前浪费大、效率低的手工电弧焊转向了效率明显提高的半自动气体保护焊。
　　二氧化碳气体保护焊在我公司已使用了十几年，焊接工艺日趋成熟，但在焊缝外观质量上还存在一些问题。在同类产品焊接生产过程中，目前发达国家已普遍使用二元甚至三元混配气体加实芯焊丝保护焊（Gas Metal Arc Welding简称GMAW）或纯二氧化碳气体加药芯焊丝保护焊（Flux-Cored Arc Welding简称FCAW）代替二氧化碳气体加实芯焊丝保护焊（GMAW）。在我公司制造水平不断提高过程中选择适当的焊接工艺方法，对提高我公司产品质量尤显重要。由于目前国内药芯焊丝及混配气价格偏高，我公司焊接生产依然采用实芯焊丝二氧化碳气体保护焊。本文将从熔滴过渡的基本原理入手分析，结合我公司焊接技术发展情况，探讨未来焊接技术发展的方向。

2　焊接工艺分类

　　焊接过程按金属熔滴方式可分为5种模式：短路过渡模式；颗粒过渡模式；射流过渡模式；脉动过渡模式；高速射流过渡模式。这五种模式中前三种模式在国内较常见，本文将针对这三种模式进行分析。

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2.1　短路过渡模式
　　在短路过渡过程中，焊丝与金属熔池接触后才会形成熔滴过渡，焊丝熔化的速率和送丝速度决定了熔滴过渡处在一种间歇状态。当送丝速度大于焊丝的熔化速度时，焊丝接触到熔池形成短路状态，电流迅速增大，通过焊丝的热量迅速增加，同时，焊丝开始变形，在电磁力的作用下焊丝末端形成很细的颈部，最终在电流和电磁力的持续作用下焊丝末端颈部断开，形成熔滴进入熔池。短路状态结束后，在焊丝和熔池之间形成电弧。这个过程每秒重复50～250次（图1）。由上述可见在短路过程中，工件与焊丝之间无电弧存在，总的热输入量低且溶池深度较浅，焊接较厚的板材时需要仔细的选择工艺参数以确保工件被焊透。在另一方面，由于其热输入量低，熔池凝固较快，这种熔滴过渡形式对全位置焊接来讲较为理想，也适用于要求变形小的薄板焊接。

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图1　短路过渡状态示意图

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2.2　颗粒过渡模式
　　熔滴颗粒过渡模式特点在于熔化的金属以大颗粒形式穿过电弧形成熔滴过渡。这种过渡对焊接电流和电压有要求，必须是在短路过渡和射流过渡两者电流、电压值之间。用CO₂作保护气体时，电流比短路过渡状态时的电流大，而且熔滴的尺寸往往是焊丝直径的2～4倍。熔滴过渡不是沿着电弧的轴线，而是在焊丝末端由于电弧力的影响向上挠曲，最后在熔滴的重力作用下掉入熔池中，或熔滴过大与熔池短路形成过渡（图2）。

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图2　熔滴颗粒过渡状态示意图

2.3　射流过渡模式
　　在射流过渡模式中，焊丝末端熔化的金属以小颗粒形式沿电弧轴线穿过电弧到达熔池。当保护气体中混有80％的氩气时，对任何直径的焊丝熔滴过渡形式将随着电流的增大由颗粒过渡状态向射流过渡状态变化。在射流过渡状态下，电弧呈压缩状态，熔滴直径小于或等于焊丝直径（图3），熔滴过渡速率可达每秒钟几百次。

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图3　射流过渡状态示意图

3　焊接工艺选择依据及趋势分析

　　针对我公司产品结构，由于焊接构件较大，板材较厚，目前使用纯CO₂气体加实芯焊丝，为了使焊缝焊透，只能采取加大电流的方法。而加大电流带来了结构件焊后变形及材料和能源消耗的增加。为了改善产品质量，降低生产成本，势必要从焊接工艺着手进行研究。通过上述三种熔滴过渡模式原理上的比较，我们认为选择第三种模式将带来如下好处：
　　（1）焊缝外观质量明显改善。目前我公司使用二氧化碳气体保护焊，焊接电流在280～300A范围内，熔滴过渡模式为颗粒过渡模式。由于焊后飞溅较大，焊接结构件外观质量受到影响，而要保证外观质量，焊后清理工作很繁重，也增加了清理成本。根据我公司实际生产情况，每个结构件（50～60t）相应的清理工作量为焊接工作量的1/3左右。
　　（2）焊缝机械性能提高。下表是用混配气和二氧化碳气体具体试验数据的比较，由表中数据可发现在低温状态下，焊缝抗冲击值明显提高。

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气　体　种　类	机械性能
	σb （N/mn2）	σs （N/mn2）	断面收缩率 （％）	冲击功J
				－40°C	常温
混配气 （Ar80％＋20％CO2）	410	253	26	62	106
CO2	418	253	28	30	95

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 　　（3）焊缝金属熔敷率增加，焊丝用量降低。如图4所示，随着电流的增大，气体保护焊熔敷率将低于90％，而使用混配气体熔敷率将提高10％，使焊丝的直接使用成本降低。按直径1.2mm的焊丝目前市场价格6500元/t计算，每吨焊材节约650元。

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图4　含碳量为0.45的低合金钢焊丝CO₂保护焊与混配气体保护焊熔敷率比较

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　　（4）焊接速度提高，降低单位生产成本。焊接速度提高有赖于焊接保护气体的选择、保护气体的热传导特性、氧化性和金属过渡的形式。具有高热传导性的气体，能使熔池保持最高的热量和最佳的流动性。具有一定氧化性的气体又能有效地降低熔池表面张力，改善焊缝金属在母材表面的浸润性，使焊缝易于在母材表面形成，不断弧。在能实现射流过渡的前提下，焊接速度必然能提高。由于焊接速度的提高，必能降低单位时间内的人工成本和管理费用。
　　（5）由于金属熔敷率和焊接速度的提高，在原有生产能力不变的情况下，生产时间必然缩短。因此焊接生产过程中保护气体用量将明显下降（图5）。这样也就相应减少了用气量，降低了成本。

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图5　5mg/g为每克熔敷金属所消耗的气体（mg）

　　由上述可见，选用混配气体加实芯焊丝已成为目前各厂家可以选择和实现的一种焊接工艺方法。