双丝脉冲MIG焊与MAG焊的工艺对比研究.pdf

针对双丝脉冲MIG焊与MAG焊进行工艺及理化性能的对比试验，为非能动安全壳冷却辅助水箱的双丝熔化极气体保护焊保护气的使用提供参考。对比两种焊接方法的外观与宏观金相，结果表明：双丝脉冲MAG焊的焊接飞溅要少于双丝脉冲MIG焊，双丝脉冲MAG焊焊缝外观成形要优于双丝脉冲MIG焊。同时借助高速摄像设备，针对不同焊接工艺的熔滴过渡行为、熔滴过渡频率进行研究，并对熔滴过渡行为的机理进行了探讨。结果表明：当双丝脉冲MIG焊和双丝脉冲MAG焊均处在射流过渡区间时，双丝脉冲MAG焊的熔滴过渡频率要高于双丝脉冲MIG焊。理化试验结果表明：双丝脉冲MAG焊冲击性能优于双丝脉冲MIG焊。关键词：双丝脉冲；MIG焊；MAG焊；熔滴过渡1 序言高效化、智能化焊接是现代焊接工艺的发展趋势，无论是在制造业还是工程安装中都起到了重要作用。国内某核电项目非能动安全壳冷却辅助水箱材质为厚板碳素钢，通常采用单丝半自动熔化极气体保护焊。常用的单丝MIG焊或MAG焊提高焊接效率一般有两种办法，即提高焊接速度或提高熔敷率。焊接速度与送丝速度提高到一定程度时将大幅度增加焊缝未熔合、未焊透、咬边及气孔等缺陷的产生概率。单丝MIG焊或MAG焊在提高熔敷率时意味着增加热输入，当热输入大时会导致热影响区宽、晶粒粗大，而大量填充金属凝固后的收缩力和厚板大拘束度的共同作用，使焊接接头存在较大的残余应力和残余变形，对材料的塑性、韧性造成一定程度的损害，容易产生裂纹等焊接缺陷，从而使这种焊接方法表现出了很大的局限性和不适用性1。鉴于单丝焊接在大电流焊接上的局限性，多丝焊接技术得到了广泛的研究和应用，尤其是双丝焊接技术，例如双电源双丝焊接、单电源双丝焊接、双电源三丝焊接等2。双丝焊接已成为高效焊接中一种成熟的焊接工艺，它满足了现代自动化焊接生产率不断提高的需求3。目前，单电源双丝焊接系统已经在中厚板碳素钢的焊接中得到了应用和推广4。非能动安全壳冷却辅助水箱单个焊缝尺寸较长，具备良好的使用自动焊的施工环境。为提升焊接效率与自动化施工水平，采用更高效的双丝熔化极气体保护自动化焊接方法就显得十分必要。双丝熔化极气体保护焊通常又分为双丝熔化极活性气体保护焊（双丝脉冲MAG焊）和双丝熔化极惰性气体保护焊（双丝脉冲MIG焊）。本文针对两种不同保护气的焊接方法，进行工艺及理化性能的对比试验，为非能动安全壳冷却辅助水箱的双丝熔化极气体保护焊保护气的使用提供参考。2 试验材料和方法试验母材为ASME规范SA-516MGr.70钢，厚度10mm，其化学成分见表1。焊接材料牌号为ER70S-6，直径1.0mm，化学成分见表2。表1SA-516MGr.70钢的化学成分（质量分数）（%）元素CMnSiASME规范值0.270.791.300.130.45实测值0.151.300.27 表2焊接材料ER70S-6的化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSCu规范值0.151.202.000.025 0.0250.25实测值0.0780.721.350.0060.0130.182023年 第9期 热加工65焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g试验设备为某品牌双丝熔化极气体保护焊焊机，试验方案分为以下两部分。试验方案一：平板堆焊。分别采用双丝脉冲MIG焊与双丝脉冲MAG焊进行焊接，焊接峰值电流分别为200A、300A、400A、500A和600A依次递增，基值电流为峰值电流的50%，电弧电压为28V，焊接速度为300mm/min，干伸长为18mm，依次递增热输入。在焊接电流依次递增的情况下，观察焊缝的成形情况，以及不同热输入下焊缝余高、熔深、熔宽和金相组织的变化规律，同时通过高速摄像设备观察焊接电弧过渡频率。试验方案二：使用MAG焊与MIG焊两种焊接方法，采用相同的参数焊接V形坡口带垫板对接焊缝，对比双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊两种不同焊接方法的焊接接头热影响区、焊缝金属的冲击性能及室温拉伸性能。3 试验结果与讨论3.1 平板堆焊对比试验双丝脉冲MAG焊保护气采用80%CO2+20%Ar，双丝脉冲MIG焊保护气采用99.99%Ar，采用的焊接参数如试验方案一所述。试件焊缝外观及宏观金相如图1、图2所示。由图1可看出，双丝脉冲MAG焊的焊接飞溅要少于双丝脉冲MIG焊，在焊接过程中表现得更加明显，双丝脉冲MAG焊在焊接电流为300600A时，焊缝成形较好，双丝脉冲MIG焊在焊接电流为400600A时，焊缝成形较好，通过对比发现，焊接薄板使用小电流时，采用双丝脉冲MAG焊要强于双丝脉冲MIG焊。随着电流的增加，双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊的焊缝余高、熔宽及熔深变化如图3图5所示。由图3可知，双丝脉冲MAG焊焊接电流为200600A时，焊缝余高整体趋势呈现上升趋势，双丝脉冲MIG焊焊接电流为200600A时，焊缝余高的变化趋势为先升高再下降，最后又升高。当焊接电流为200300A时，双丝脉冲MAG焊的焊缝余高要小于双丝脉冲MIG焊；当焊接电流为300400A时，a）双丝脉冲MAG焊（200A）c）双丝脉冲MAG焊（300A）e）双丝脉冲MAG焊（400A）g）双丝脉冲MAG焊（500A）b）双丝脉冲MIG焊（200A）d）双丝脉冲MIG焊（300A）f）双丝脉冲MIG焊（400A）i）双丝脉冲MAG焊（600A）j）双丝脉冲MIG焊（600A）图1 平板堆焊试件的焊缝外观 h）双丝脉冲MIG焊（500A）2023年 第9期 热加工66焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g双丝脉冲MAG焊的焊缝余高逐渐超过双丝脉冲MIG焊；当焊接电流为400600A时，双丝脉冲MAG焊的余高要大于双丝脉冲MIG焊。由图4可知，当双丝脉冲MAG焊焊接电流为200600A时，焊缝熔宽均大于双丝脉冲MIG焊。由图5可知，当双丝脉冲MAG焊接电流为200600A时，焊缝熔深均大于双丝脉冲MIG焊；当焊接电流为200500A时，熔深差值随电流的增大而增大；当焊接电流为500600A时，熔深差值逐渐缩小。选取双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊两种焊接方法平板堆焊的焊缝进行微观金相检测，主要观察两种不同保护气的焊接方法对焊接热影响区的组织会造成哪些影响。两种焊接方法获得的微观金相组织如图6、图7所示。由图6可知，当双丝脉冲MAG焊焊接电流为200A时，热影响区出现了马氏体组织；当焊接电流为300600A时，焊缝及热影响区均为铁素体+珠光体，未见异常组织。图3双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊的焊缝余高变化e）双丝脉冲MAG焊（400A）f）双丝脉冲MIG焊（400A）图5双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊的焊缝熔深变化a）双丝脉冲MAG焊（200A）b）双丝脉冲MIG焊（200A）图4双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊的焊缝熔宽变化g）双丝脉冲MAG焊（500A）h）双丝脉冲MIG焊（500A）i）双丝脉冲MAG焊（600A）j）双丝脉冲MIG焊（600A）图2 板堆焊试件的宏观金相c）双丝脉冲MAG焊（300A）d）双丝脉冲MIG焊（300A）2023年 第9期 热加工67焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g由图7可知，当双丝脉冲MIG焊焊接电流为200A时，热影响区同样出现了马氏体组织，当焊接电流为300600A时，焊缝及热影响区均为铁素体珠光体，未见异常组织。在平板堆焊过程中，使用高速摄像设备，对熔滴过渡形式进行观察，得到两种焊接方法的熔滴过渡形式，如图8、图9所示。a）200A b）300Aa）200A b）300Ae）600A图6 双丝脉冲MAG焊熔合线金相组织e）600A图7 双丝脉冲MAG焊熔合线金相组织c）400A d）500Ac）400A d）500Aa）200A b）300Aa）200A b）300Ae）600A图8 双丝脉冲MAG焊熔滴过渡形式e）600A图9 双丝脉冲MIG焊熔滴过渡形式c）400A d）500A c）400A d）500A2023年 第9期 热加工68焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g从图8、图9可观察到，当焊接电流为200A时，MAG焊的熔滴过渡形式为粗滴过渡+短路过渡，MIG焊为射滴过渡；当焊接电流为300A时，MAG焊与MIG焊的熔滴过渡形式均为射滴过渡；当焊接电流为400A时，MAG焊的熔滴过渡形式为射滴过渡，MIG焊的熔滴过渡形式为射流过渡；当焊接电流为500600A时，MAG焊与MIG焊的熔滴过渡形式均为射流过渡。由此可见，MAG焊的射流过渡临界值为400500A，MIG焊的射流过渡临界值为300400A。利用高速摄像可以看出，双丝脉冲MIG焊或MAG焊熔滴过渡的主要过程是：通过焊丝中的电流所产生的电阻热将焊丝熔化，熔化的焊丝在焊丝末端形成熔滴并逐渐长大。在熔滴的长大初期，其主要受到自身重力的作用，当长大到一定程度后，熔滴在电磁收缩力和等离子流力的共同作用下，在焊丝的末端形成缩颈。形成缩颈后，熔滴所受的电磁收缩力会迅速增大，颈缩程度不断加深，最终缩颈断开而脱落5。利用高速摄像设备记录的图像和数据，统计双丝脉冲MIG焊和双丝脉冲MAG焊在不同焊接电流情况下熔滴过渡的过渡频率。统计的熔滴过渡时间段均为熔滴能稳定过渡的某一时间段，对这一时间段的熔滴过渡次数进行统计，用统计到的熔滴过渡总次数与所用时间相比，其比值即为熔滴过渡的频率。统计结果见表3。根据表3做出了双丝脉冲MIG焊与MAG焊熔滴过渡频率与焊接电流的关系曲线，如图10所示。从图10可看出，当焊接电流为200A时，双丝脉冲MIG焊的熔滴过渡频率大于双丝脉冲MAG焊，但随着焊接电流的增加，熔滴过渡频率差值逐渐减少；当焊接电流达到300A时，双丝脉冲MAG焊的熔滴过渡频率与双丝脉冲MIG焊的熔滴过渡频率相同，随后随着焊接电流的继续增大，双丝脉冲MAG焊的熔滴过渡频率大于双丝脉冲MIG焊，并随着焊接电流的增大，其差值逐渐增大。3.2 V形坡口带垫板对接试验结合单道堆焊试验所获得的焊接参数，在进行对接焊缝的焊接时，双丝脉冲MAG焊选用400A焊接电流（射滴过渡），双丝脉冲MIG焊选用400A焊接电流（射流过渡）进行焊接，对所获得的焊接接头进行力学性能试验对比。弯曲性能、拉伸性能及冲击性能结果分别见表4表6。图10 双丝脉冲MIG焊、MAG焊熔滴过渡频率与焊接电流的关系曲线表4 弯曲性能试验结果焊接方法试样编号试样尺寸/mm压头直径/mm支撑间距/mm弯曲角度/（）检查情况MAGSS-A-S-19.69.938.160.4侧弯180未见缺陷SS-A-S-210.110.338.160.4侧弯180裂纹0.60mmSS-A-S-39.910.738.160.4侧弯180未见缺陷SS-A-S-49.810.638.160.4侧弯180未见缺陷MIGSS-I-S-110.210.538.160.4侧弯180裂纹0.56mmSS-I-S-210.211.238.160.4侧弯180未见缺陷SS-I-S-310.010.938.160.4侧弯180未见缺陷SS-I-S-410.110.538.160.4侧弯180未见缺陷表3 双丝脉冲MIG与MAG焊熔滴过渡频率统计结果焊接电流/A双丝脉冲MIG焊熔滴过渡频率/（次/s）双丝脉冲MAG焊熔滴过渡频率/（次/s）2005850300717140091100500125142 6001661982023年 第9期 热加工69焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g由表4表6可看出，双丝脉冲MIG焊与双丝脉冲MAG焊的弯曲、拉伸试验性能相差不大，而冲击性能方面双丝脉冲MAG焊优于双丝脉冲MIG焊。4 结束语本文针对双丝脉冲MIG焊、MAG焊两种不同保护气的焊接方法，进行工艺及理化性能的对比试验，研究了两种焊接方法下不同焊接参数的焊缝外观与金相组织变化，分析了焊接电流变化对双丝脉冲MIG焊、MAG焊熔滴过渡形式及熔滴过渡频率的影响，探讨了双丝脉冲MIG焊与双丝脉冲MAG焊的理化性能等。通过本文的研究，可以得到以下结论。1）通过焊缝外观对比，可分析出双丝脉冲MAG焊的焊接飞溅要少于双丝脉冲MIG焊，双丝脉冲MAG焊焊接电流为300600A时，焊缝成形较好，双丝脉冲MIG焊焊接电流为400600A时，焊表5 拉伸性能试验结果焊接方式试样编号试样形状试样尺寸/mm面积/mm最大力Fm/kN抗拉强度Rm/MPa检查情况MAGSS-A-TT-1矩形19.129.92189.67114.95606焊缝SS-A-TT-2矩形19.159.91189.78114.80605焊缝MIGSS-I-TT-1矩形19.149.68185.28115.90626母材SS-I-TT-2矩形19.189.82188.35117.91626母材表6 冲击性能试验结果焊接方式试样编号试样尺寸（长高宽）/mm缺口形状检测温度/冲击吸收能量/J检查情况MAGSS-A-W-154.9810.0210.04V078.0折断SS-A-W-254.9510.0110.06113折断SS-A-W-354.9610.0310.0687.0折断SS-A-H-154.9610.0010.06102未折断SS-A-H-254.9510.0310.0578.0折断SS-A-H-354.9810.0110.0593.0折断MIGSS-I-W-154.9410.0610.0251.0折断SS-I-W-254.7810.0610.0465.0折断SS-I-W-354.7610.0610.0564.0折断SS-I-H-154.6310.0610.0271.0折断SS-I-H-254.8410.0710.0562.0折断SS-I-H-354.6110.0610.0575.0折断缝成形较好。结果表明，焊接薄板使用小电流时，采用双丝脉冲MAG焊要强于双丝脉冲MIG焊。2）通过焊缝宏观金相对比，可分析出双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊焊接电流为200A时，热影响区出现了马氏体组织，当焊接电流为300600A时，焊缝及热影响区均为铁素体+珠光体，未见异常组织。结果表明，双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊金相组织没有差异。3）通过高速摄像设备可以分析出双丝脉冲MAG焊的射流过渡临界值为400500A，双丝脉冲MIG焊的射流过渡临界值为300400A，当双丝脉冲MIG焊、MAG焊均处在射流过渡区间时，双丝脉冲MAG焊的熔滴过渡频率要高于双丝脉冲MIG焊。4）通过对双丝脉冲MAG焊与双丝脉冲MIG焊的理化性能试验，可分析出双丝脉冲MIG焊与MAG焊的弯曲、拉伸试验性能相差不大，双丝脉冲MAG焊冲击性能优于双丝脉冲MIG焊。（下转第74页）2023年 第9期 热加工74焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g4 结束语1）针对钢筒腐蚀情况，进行了维修工艺试验，试件性能检测均符合要求，可按照维修工艺方法进行现场维修。2）现场维修时，需根据维修位置情况与环境条件，保证维修成功。如对外径超过1000mm的钢筒，维修区域面积大，位置受限，需先凿开部分墙体，并露出钢筒搭接焊缝，避免维修过程中焊缝或钢筒受力开裂；当壁厚较薄时，应考虑焊前清除背部砂浆以防止穿孔。3）通过工艺试验与现场维修，形成了一套可适用于现场的维修钢筒混凝土管的维修方法。参考文献：1 余洪方，沈丽华国内预应力钢筒混凝土管技术现状调查与分析J混凝土与水泥制品，2005表3维修方法序号维修方法简述维修方法适用缺陷1维修方法A：堆焊维修堆焊前去除内壁砂浆孔洞：圆形孔径直径25mm或条状孔洞宽度25mm2维修方法B：垫块堆焊维修孔洞内壁衬以铜垫块；堆焊前去除内壁砂浆孔洞：圆形孔径直径25mm或条状孔洞宽度25mm，孔洞面积22500mm2（钢筒水平放置时，穿孔位置处于靠上侧或靠下侧，无论孔洞大小，需垫块堆焊）3维修方法C：堆焊维修在减薄区域堆焊。当减薄区域剩余壁厚2mm时，维修前去除内壁砂浆减薄1）损伤面积22500mm22）损伤面积22500mm2，但沿管道轴向损伤长度25mm4维修方法D：开孔补焊焊前去除内壁砂浆1）大面积的孔洞或减薄，或孔洞与减薄均存在2）损伤面积22500mm2或损伤周向长度1/2周长，且沿管道轴向损伤长度25mm5修复方法E：贴片补焊贴片区域内减薄参照对应修复方法进行处理，贴片尺寸比减薄区域四周20mm的贴片，预留排气孔1）大面积的孔洞或减薄，或孔洞与减薄均存在，大量密集的凹坑2）损伤面积S22500mm2且损伤周向长度L1/2周长，同时沿管道轴向损伤长度25mm6维修方法F：裂纹修补（含原始焊缝）采用上述方法维修钢筒后，若母材、新旧焊缝出现开裂情况，先进行原因分析，排除焊接工艺和母材原因外，若为结构拘束导致应力释放的开裂，须凿开部分墙体暴露出原始焊缝，去除墙体对焊缝的拘束作为焊接修复的先决条件，焊接修复前必须先彻底挖除裂纹，并进行渗透检测确认已无缺陷，然后再进行维修注：1.当孔洞区域长宽比5时，视作条状孔洞，否则视为圆形孔洞。2.同一管道上2处损伤最近距离4（钢筒壁厚）时，2处损伤视为1处损伤。（4）：26-292 窦铁生，燕家琪预应力钢筒混凝土管（PCCP）的破坏模式及原因分析J混凝土与水泥制品，2014（1）：29-333 柯伟，杨武腐蚀科学技术的应用和失效案例M北京：化学工业出版社，2006：58-644 杨建军失效分析与案例M北京：机械工业出版社，2018：152-2085 武东森，杨喜山，武东杰超超临界机组锅炉用12Cr1MoV合金连接板处失效分析J中国特种设备安全，2019，35（9）：65-686 徐宝坪，朱家泽，晋嘉昱，等核电厂MSR内衬焊缝缺陷原因分析及处理J金属加工（热加工），2020（7）：37-3920230425参考文献：1 巩金昊窄间隙双丝非共熔池GMAW熔池行为研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.2 赖一楠，武传松，李宏伟，等焊接与连接领域科学基金资助浅析与发展趋势J焊接学报，2019，40（2）：1-7.3 SCHARTNER S，SOELLINGER D，LUMPF P，（上接第69页）et al新型电弧控制机构对双丝气体保护焊的影响J 金属加工（热加工），2020（4）：5-9.4 王兴阳，韩丽营，苏帅，等单电源双丝焊接应用及其工艺分析J电焊机，2021，51（10）：131-135.5 杨超磁控MIG/MAG焊熔滴过渡行为研究D南昌：南昌航空大学，2014.20230609