粗丝MIG-铝焊接工艺的研究(论文)

1、粗丝MIG铝焊接工艺的研究鲍云杰，张自祥（北京时代科技股份有限公司，北京，100085）摘要：工业用铝的中厚板焊接目前的技术难题是如何在保证焊接质量的前提下提高焊接效率。针对铝合金焊接，目前采用的交流TIG和熔化极细丝气保护焊接分别在焊接效率和焊接质量上存在不足。本文针对国内石油化工行业和铝合金空分设备中中厚板铝合金焊接，进行了铝合金5083板对接的明弧粗丝MIG焊接工艺实验。利用新开发的大功率焊接电源，实现恒流特性匹配电压负反馈送丝控制功能；通过改造埋弧焊机头的结构，实现机头水气联合冷却和气体保护功能。整个系统焊接过程稳定，送丝平稳，焊接成型美观，内在质量良好，焊接效率显著提高。通过试验，浅

2、析了该工艺的焊接特点，并选择确定了中厚板铝合金粗丝MIG焊接的规范参数。实验表明，粗丝MIG焊接是一种高效质优的工艺方法，完全适合在铝合金容器生产中广泛应用。关键词：铝合金焊接、粗丝MIG、交流TIG、焊接电源、焊接效率、氢气孔0 绪论随着铝材的不断发展，铝的加工技术也得到突飞猛进的进步。然而，由于铝具有氧化性强、熔点低、导热快、线膨胀系数大、熔化潜热大等多种物理及化学性能特点，因此，选择适合的焊接方法成为关注的重点。针对铝合金焊接，目前大部分厂家采用的焊接工艺为交流TIG和熔化极细丝气保护焊接。交流氩弧焊接，通常采用单人焊接或双人双枪同步焊接，虽然质量能够保证，外观成形很好，但焊接效率较低，

3、生产成本高。采用熔化极细丝气保焊接，虽然焊接效率得到了一定的改善，但焊接内在质量很难保证。工业用铝的中厚板焊接目前的技术难题是如何在保证焊接质量的前提下提高焊接效率，对于中厚板的铝合金材料，通过适当增加热输入量，降低熔池凝固速度，让气泡充分溢出，是一种既可以解决气孔问题，又可以提高焊接效率的有效途径。1 铝合金容器焊接的常用焊接工艺1.1 铝合金焊接特点铝及合金由于具有比重小、强度高和抗腐蚀性强等优点，目前已经被广泛应用于航空航天、石油化工、空分设备、散热器、自行车、家具制造、豪华游艇和机车车厢等行业。由于铝合金材料性能的差异，相比于其它黑色金属，铝合金的焊接性有很多独特之处【1】。 强的氧化

4、能力。铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄，厚度约0.1m。Al2O3的熔点高达2050，远远超过铝及铝合金的熔点（约660），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并加强焊接区域的保护。较大的热导率和比热容。铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。热裂纹倾向大。线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%左右，因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而产生热裂纹。生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹。容易形成气孔。形成

5、气孔的气体是氢。氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g，而在660凝固温度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g，使原来溶解于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝和铝合金的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及逸出，留在焊缝内成为气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是氢的主要来源，因此焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。接头不等强度   铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75%100%；热处理强化铝合

6、金的接头强度较小，只有母材的40%50%。 1.2 交流TIG焊接工艺在石油化工和空分设备行业，根据使用环境的不同，有很多大型容器材料选择铝合金中厚板。工业用铝的中厚板焊接目前的技术难题是如何在保证焊接质量的前提下提高焊接效率。由于压力容器对焊缝接头质量有严格的要求，针对铝合金容器焊接，目前采用的最成熟的焊接工艺为交流TIG。采用交流TIG焊（波形如图1所示），EN半波钨极得到冷却，EP半波能产生阴极雾化，其结果不仅可以去膜，而且还能减轻钨极烧损。方波交流时，正负半波的幅值相同，但宽度可调节，所以对焊缝熔深等形状可调整，从而也可调节焊缝的性能，钨极烧损情况也有所改善。交流TIG焊工艺的最大优点

7、是操作简单，焊缝质量好。但是由于焊枪移动和填丝都需要人工完成，所以其不足就是焊接效率低。大型空分装置分馏塔内铝制容器、 图1 单机交流TIG焊接波形 图2 双机同步协同电流波形大型铝制管道等的焊接工作量大，对于中厚板，如果从根焊到填充和盖面焊道都采用交流TIG焊接工艺（单枪），效率非常低，工人的劳动强度大。为提高效率，对于根焊目前采用了一种叫做“双人双机双面同步ACTIG立焊”的新型焊接工艺，电流波形如图2所示。同步ACTIG立焊工艺，正面焊缝处于工件外侧, 持主枪进行焊接, 焊丝紧贴工件填入熔池; 反面焊缝在工件内侧, 持副枪进行焊接, 一般不填焊丝。主副焊枪与工件的夹角保持70°

8、 80°为宜（如图3所示）, 利用电弧作用力和氩气吹力形成一个向上的托力, 并与熔池的表面张力共同对熔池起着支承作用, 从而防止了熔池金属下淌而获得完美的焊缝。该工艺的操作要点为：不论工件外形如何, 待焊部位必须处于垂直位置状态；主副焊枪要同时施焊, 主枪在前, 副枪在后, 其焊速根据主枪的移动速度变化而改变，严格要求两枪的间距始终保持为一个熔池长度左右； 接头间隙较大, 其最佳值保持与使用的焊丝直径相等或稍大一些。优点是焊缝中气孔率很低、夹渣极少、焊漏或未焊透缺陷少、变形小，焊接质量高，提高了焊接速度。这种工艺毕竟还是手工填丝，人均效率变化不大，同时也只是解决了中厚板根焊的速度问题

9、，填充和盖面焊道还是靠单枪交流TIG逐层焊接。 图3 双机双面同步ACTIG立焊示意图 图4 实际焊接现场照片1.3 熔化极细丝气保焊（MIG）【1】MIG焊的焊接效率比TIG焊高，所以人们往往优先选择MIG焊工艺。出于MIG焊焊接电流较大，大多数采用射流过渡方式，焊缝表面容易形成指状熔深和气孔，所以在普通MIG焊的基础上发展出多种MIG焊法，如脉冲MIG（PMIG）和双脉冲MIG焊（DPMIG）。PMIG的脉冲频率在30300HZ之间，以一个脉冲过渡一个熔滴为特点，焊接过程稳定，基本没有飞溅。这种工艺焊接时还是解决不了气孔问题，为此，在单脉冲基础上又开发了双脉冲焊（DPMIG），目前双脉冲焊

10、有两种方案：一种为单脉冲加低频脉冲送丝；另一种为双脉冲加等速送丝。前者采用脉动送丝，比较复杂；后者送丝系统比较简单。双脉冲MIG焊是在高频基础上，加以低频调制。高频保证一个脉冲过渡一个熔滴，而低频是为了实现一个脉冲形成一个熔池，脉冲频率为0.5Hz5Hz。于是就形成了鱼鳞纹，同时每个低频周期都能对熔池产生一定的搅拌作用，促使熔池中的气体排出去，从而减少了气孔的倾向，这种作用类似于脉冲TIG焊，却又比TIG焊的效率高，其焊缝成形如图5。大型铝制筒体构件（压力容器类）的环缝和纵缝对焊接质量要求很高，MIG焊接工艺一直无法彻底解决气孔问题，因此在压力容器关键焊缝的焊接中一直无法得到广泛应用，只应用于

11、结构件的焊接。图5 双脉冲的焊缝成型2 粗丝MIG焊接系统的研制熔化极细丝MIG焊之所以无法在压力容器关键焊缝中得到应用，最重要的原因是无法解决气孔问题。铝焊接气孔形成的原因，主要还是铝焊接本身的物理和化学性能决定的。氢气在液态铝合金和固态铝合金中的溶解度差异很大，同时铝合金的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及逸出，留在焊缝内成为气孔。根据国外的相关文献的介绍，对于中厚板的铝合金材料，通过适当增加热输入量，降低熔池凝固速度，让气泡充分溢出，是一种既可以解决气孔问题，又可以提高焊接效率的有效途径。因此，开发一种由大功率焊接电源和具备自动送

12、给粗丝（4.0,5.0）的送丝机构组成的焊接系统是进行粗丝MIG铝焊接工艺试验的前提。2.1 大功率焊接电源及送丝系统开发的大功率焊接电源的额定输入容量为52KVA，额定输出电流为1000A，负载持续率100。为了满足这样的要求，主电路采用两组全桥逆变电路并联。焊机主电路的结构是：三相交流电分别经三相工频全桥整流（两路）、滤波，得到近似恒电压源作为全桥逆变的输入，每一组逆变由4个大功率的IGBT构成全桥结构，开关频率为20kHz，变压器采用非晶磁心的高频变压器，高频变压器输出端经快恢复二极管模块组高频整流和电感滤波后输出，为焊丝熔化和电弧稳定提供能量。粗丝MIG焊机具有恒流和恒压两种输出特性。

13、当焊接电源为恒流特性时，用焊接电流前馈及电弧电压负反馈闭环控制送丝速度（图6），适合于粗丝MIG焊接；当焊接电源外特性为恒压特性时，用焊接电流前馈及焊接电流负反馈闭环控制送丝系统（图7），该方式适合于细丝焊接。整个系统见图8。 图6 电弧电压负反馈控制原理 图7 电流负反馈控制原理2.2 水冷机头的设计粗丝MIG焊接属于熔化极气体保护焊范畴，由于焊接电流大，弧光强，热辐射强烈，同时为了保证焊缝区域的保护效果，焊枪的机头部分进行了特殊的设计，如图9所示。对于粗丝MIG焊，焊丝直径大，电流大，因此保护气流量大，通常要达到4050L/min的氩气流量。气体流量大，速度快，容易造成电弧区域气体紊流，影

14、响电弧形态和稳定性，因此焊枪设计了独特的分流器，氩气进入中间罩后充分混合，经分流器出来后在整个电弧区域分布均匀，速度适中。为避免弧光辐射热量烧损保护罩和电极，保护罩设计成水冷方式。导电嘴中间罩出水管气体分流器进气管进水管水冷保护罩 图8 粗丝MIG焊接系统 图9 特制的焊接枪头3 粗丝MIG焊接工艺试验 3.1焊接材料的选择我们针对国内铝合金空分设备中厚板铝合金焊接，进行了20和25毫米厚度的铝合金5083板对接的明弧粗丝MIG焊接工艺实验。焊丝的型号选择5356 ，通常称作ALMg5，是一种含镁达5%的铝镁合金填充金属，可用於MIG或TIG焊接，具有很好的抗海水腐蚀性能，一般能应用於母材 5

15、050、5052、5083、5356、5454和 5456的焊接。表1 5356焊丝主要化学成分（%）牌号GB（AWS）SiFeCuMnMgZnAlTY5356ER53560.250.40.100.050.204.55.50.10bal.牌号GB（AWS）抗拉强度b（Mpa）屈服强度0.2（Mpa）伸长率5（%）TY5356ER5356260300101401525表2 5356焊丝熔敷金属力学性能 3.2 焊接工艺参数现场用粗丝MIG焊接一般是在自动焊接中心上进行，大部分为平焊位置，所以本实验在焊接位置上主要选用了平焊对接焊缝，开双V型坡口，如图10所示。坡口采用机械方法加工，坡口表面光滑，

16、无毛刺和飞边。焊接前用丙酮清洗坡口和坡口边缘（或在4050的NaOH溶液中清洗，浓度小于或等于8%,时间7分钟），清除油污，然后用不锈钢刷出金属光泽，去除氧化膜。焊接前用交流TIG先进行定位点焊，不留间隙，要做反变形处理，引弧前端加引弧板。焊前检查水路和气路是否畅通，焊接规范参数见表3。图10 试件的坡口预制表3 粗丝MIG焊接工艺参数 参数板厚层数焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（m/h）干伸长度（mm）气体流量（L/min）焊枪倾角（度）焊丝直径（mm）20 mm正面470285151025+208540反面 4852915107525 mm正面490295161025+208050反

17、面51031171175反面52032171180对于20mm的铝板，正面和反面各焊一道焊缝就可完成；而对于25mm的铝板，反面需要焊两层才可完成。焊后首先检查焊缝的外观，按照上述工艺参数焊接的试件表面质量美观，没有表面气孔和咬边等外部缺陷（图11）。然后对试件进行X射线探伤检验，焊缝内部质量均达到了一级合格（图12）。在焊接过程中应该注意的是，粗丝MIG焊接属于大电流密度的焊接方法，能够瞬间打破氧化膜。焊接过程中电弧非常稳定，电弧挺度好，能保证足够熔深；增大了电弧的热效率，降低熔池的表面张力，熔池金属的润湿性好，焊道平铺无凸起和咬边缺陷。从过程到结果都说明，粗丝MIG能够克服氧化膜对焊接的影

18、响。同时由于焊接热输入量大，电弧挺度好，熔池大，电弧搅拌作用明显，冷凝时间相对比较长，气泡有充足时间溢出，也很好的避免了氢气孔的形成。图11 焊缝的外观 图12 焊缝的X射线片除了表3的焊接工艺参数外，焊接过程中焊枪的倾斜角度和焊丝干伸长度对焊缝成型有很大影响（如图14）。焊枪的倾斜角度不同，焊接熔池的形态也不同，倾斜角度大，熔深浅，熔池范围大，电弧气氛不集中，液体金属保护不好，会造成金属严重氧化，焊缝不成型；倾斜角度小，电弧和保护气氛更集中，熔深大，熔池一直处于保护罩气氛保护之下，焊缝没有氧化，有金属光泽。在试验过程中还发现，焊枪的倾斜角度与坡口的深度也有关系，坡口深则焊枪倾角要小，避免气体

19、保护效果不好。焊枪倾角以7590度为宜，而且要根据焊枪喷嘴的大小来定，喷嘴越大，倾斜角度要越小。喷嘴离工件的高度要以焊缝的标高为基准，坡口深的情况下喷嘴的最低点离工件的距离可以保证在34mm为宜，坡口浅可在45mm。铝合金焊接另外一个重要问题就是焊缝的发黑现象，一般是因为气体的保护效果不好及焊接过程中电弧电压过高，引起的电弧发散，喷出去的铝沫飞出氩气保护范围，遇到外界空气氧化所致。在焊接过程中，为了避免电压过高，需要在焊接的过程中能够听到间接性短路的声音为宜。如果焊缝边缘母材有些发黑，主焊缝是铝的金属光泽，这样不会影响焊缝的内在质量。焊枪倾角大弧长长焊枪倾角大弧长短焊枪倾角小弧长短 图13 焊

20、枪倾斜角度对熔池的影响 图14 不同角度焊缝成型3.3 焊接效率的对比国内对于铝合金中厚板的焊接所采用的焊接方法比较常见的有交流TIG焊接和双人双枪同步交流TIG焊接。单从焊接效率上，双人TIG焊接明显要比单人焊接提高了1倍以上，但是仅限于在根焊上，这种焊接方法从焊接效率上还是无法满足用户的需求，粗丝MIG焊在焊接效率方面会有很大提升。图15是某工厂的施工车间，罐体的材料为镁合金，直径为2m，厚度为22mm，环焊缝坡口形式为X型，鈍边810mm，角度均为70度，焊接设备为时代交直流方波WSE-500ADP两台（双人同步焊接）和MZ-1000埋弧电源及小车（MIG焊接）。焊丝都采用型号为5356的铝镁合金焊丝，焊丝直径都为4mm，保护气体为纯度99.99%的氩气。焊接时两种焊接方法同时在两个相同条件的铝合金罐体上进行焊接，焊接参数如下表：表5 粗丝MIG焊和交流TIG(双人)的参数对比焊接方法焊接规范参数焊接电流 a焊接电压v气体流量L焊接速度m/h对接间隙mmTIG(双人)280正15346200反12粗丝MIG480-51030-3240160单从焊接速度上看，粗丝MIG焊接方法熔化效率和焊接速度大约为双人TIG焊接的5倍以上。对于22mm的板厚，双人对称焊接后还需进行盖面焊接，盖面焊接只能采用单人交流TIG，速度很慢。粗丝MIG正面焊接一次成形，焊接效率的