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超低温管系MIG焊接工艺技术研究

Summary：随着工业的快速发展，人们对材料的耐腐蚀性提出了更高的要求。镀锌钢板因其良好的抗腐蚀性和成本效益在汽车、船舶、建筑等行业得到了广泛的应用。在焊接的过程中，焊接质量可以通过电弧声、弧光和电流等信号来判断。但是镀锌钢板在焊接时，表面锌蒸发会使焊接过程变得不稳定。干扰噪声会增加焊接信号采集和质量监测的难度。为了避免干扰信号的影响，结构简单、小体积的激光视觉传感器已经在工业中得到了成熟的应用。激光视觉传感技术利用激光三角测量原理测量焊缝尺寸，这比人工手动测量焊缝几何尺寸的精确率更高。激光器在使用时分为斜射型和直射型。当激光照射到母材和焊缝金属表面时，产生代表当下焊缝轮廓的激光条纹。CCD捕获焊缝的激光条纹图像经过一系列的图像处理算法便可以计算焊缝的几何形貌参数。
Keys：超低温；MIG焊；焊接工艺
引言
激光是一种高能量密度热源，在与电弧相结合作为焊接热源时，能够兼顾激光和电弧的优点，同时又弥补二者作为单一热源焊接时的缺点。随着我国高铁及其轻量化的发展，铝合金作为一种低密度高性能材料被广泛用于高铁车体及重要零部件上。采用激光-MIG复合焊接替代传统MIG焊对铝合金车体进行焊接能够提高焊接效率和接头强度、降低残余应力和变形。此外，激光-MIG复合焊接方法具有焊接过程稳定性高、间隙适应性强、焊缝成形美观、焊接效率高等优点，被广泛用于各种金属的焊接。焊接过程是一个高速变化的非稳态过程，在激光－MIG复合焊接过程中，产生的激光致等离子体会对入射激光产生散射、折射以及吸收，降低激光能量输入，而焊接过程中激光致等离子体的波动十分剧烈，这就导致了激光能量输入波动十分剧烈，进而使焊缝发生缺陷。同时，电弧电流电压的波动对焊缝成形、金相组织、力学性能等都会产生较大的影响。因此，实现对焊接过程中各种信号尤其是等离子体信号的监控对于制定焊接工艺参数，减小焊接缺陷，优化复合焊接技术具有重要的指导意义。
1超低温管系MIG焊接工艺技术
熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)以其低成本、高效率特色在铝合金焊接工艺中被广泛运用，然而，铝合金MIG焊存在焊缝晶粒粗大、气孔率高等问题，限制了铝合金焊接结构在苛刻服役环境中的应用。研究表明在焊接时引入超声能量可以细化焊缝组织并且减少焊接缺陷。超声引入方法主要包括两类:①机械耦合式:利用超声发射端与电弧同轴复合或者将超声发射端直接与母材接触，将超声振动引入到焊接过程;②电耦合式:将超声频电信号与焊接电信号进行叠加，导致焊接电弧力产生高频变化，激发超声。与机械耦合式超声引入方式相比，电耦合式具有设备简单、使用灵活等优点，具有较好的应用前景。针对TIG电弧超声的声激发及焊接特点进行了具体研究，研究结果证实了电耦合式超声施加方式的可行性，揭示了影响超声激发强度的关键参数及超声谐振选频特性。研究了超声电弧对6061铝合金MIG焊接头组织和性能的影响，结果表明超声电信号可成功耦合到MIG焊电信号中，并且影响焊接过程。
2焊接工艺试验
2.1试验方案
根据不同焊接参数进行模拟试验（包括力学性能、化学成分分析等），优化确定合适的参数，依据ABS船级社规范的要求，进行了工艺评定试验。（1）母材的化学成分及力学性能试验管材料为A312TP316L，其化学成分和力学性能分别见表1、表2。

（2）焊接材料选配根据母材与焊材选配原则，焊接材料选用ESAB公司WeldM316LSi焊丝，φ1.2mm，其化学成分和力学性能分别见表3和表4。

2.2正交表的选用
为了全面系统的分析焊接过程中不同参数对接头处应力及焊接结束后应力峰值的影响规律，本文采用正交试验法进行试验.在MIG焊中，焊接速度、坡口间隙、电弧电压以及焊接电流是影响焊接接头成形和质量的四个重要工艺参数，因此对这四个参数建立因素水平表.由于前期进行了改变焊枪移动速度的单因素试验，发现焊接速度V=10mm/s、电弧电压U=23V、焊接电流I=154A、坡口间隙L=3mm时，接头质量良好，若进行多因素试验，在该组合附近可能存在更优参数组合，所以在选取试验参数时，各因素应在上述参数附近设定水平。
2.3性能测试及组织观察
(1)采用PMG3型金相显微镜对熔敷层微观组织进行观察，分析不同励磁电流时显微组织的变化。(2)采用维氏显微硬度仪测量熔敷层、热影响区以及母材的显微硬度，所加载荷为2N，加载时间为30s，每个位置测量3个硬度值，取其平均硬度作为最终硬度值。(3)采用UMT－2型球盘式摩擦磨损试验机进行熔敷层磨损试验，试验条件为干摩擦，试验载荷为(15±0.5)N，加载时间为10min，每个试样摩擦出3条磨痕，记录磨损前后试样的质量变化。(4)熔敷层的室温拉伸测试按照GBT228.1—2010标准制备薄板状拉伸试样，在CMT4304型电子万能拉伸试验机上进行拉伸试验，加载速率为1mmmin，不同励磁电流条件下分别测试3次，取其平均值作为抗拉强度。
2.4拉伸性能
为了检测焊缝的抗拉强度，采用横向拉伸试验进行测量，试验结果见表3。MIG和激光-MIG复合焊接工艺的平均抗拉强度分别为228.7MPa和256MPa，母材的抗拉强度为335MPa。MIG焊接和激光-MIG复合焊接的焊缝抗拉强度分别达到母材的68.2%和76.4%，激光-MIG复合焊接和MIG焊接试样拉伸断裂的位置均位于热影响区。激光-MIG复合焊接接头的抗拉强度大于MIG焊接接头，这主要是MIG焊热输入量较大，镁、锌元素的烧损比较严重，并且由于MIG焊焊缝内部的气孔孔径较大，从而使得焊缝较易形成裂纹，最终导致接头的抗拉强度降低。
3讨论
通过对HG785D高强钢进行激光-MIG复合焊接试验，获得最佳焊接工艺参数。基于试验参数，利用ANSYS有限元分析软件对高强钢激光-MIG复合焊接温度场进行数值模拟，将模拟与试验得到的接头横截面宏观形貌及特征点热循环曲线进行对比，得到了如下结论。1）对HG785D高强钢进行激光-MIG复合焊接试验，结果表明激光功率在3~3.5kW，焊接电流185A，焊接电压24V，焊接速度800~840mm•min-1的条件下，获得的焊缝成形良好。2）选用高斯锥形体热源和均匀锥形体热源作为电弧热源模型，高斯柱形体热源作为激光热源的复合热源模型，该模型获得的接头横截面宏观形貌及特征点热循环曲线与试验结果相吻合。
结束语
通过焊接工艺分析，掌握了超低温不锈钢管MIG焊接工艺关键技术，解决了超低温不锈钢管焊接技术难、焊接效率底的问题（通常情况下，MIG焊接效率是手工TIG焊的5倍），并有力地保证了焊接质量的稳定，促进了焊接技术创新和进步。
Reference
[1]徐兵.MIG立向下堆焊Inconel625焊接工艺研究[J].压力容器,2019,36(12):70-74.
[2]张洪涛,桑健,王琪晨,滕瑶,张文杰.TATM700钢等离子-MIG复合焊接工艺[J].焊接学报,2019,40(12):25-30+162.
[3]苗玉刚,李春旺,尹晨豪,魏超.船用铝/钢焊接接头BC-MIG电弧增材制造工艺[J].焊接学报,2019,40(12):129-132+166-167.
[4]周彦彬,史维琴.双电弧高效焊接技术研究与发展现状[J].电焊机,2019,49(12):44-51.
[5]谈睿,罗子艺,肖冬明,易耀勇,哈斯金·弗拉基斯拉夫.焊接速度对激光-电弧复合焊接接头成型的影响研究[J].应用激光,2019,39(06):970-975.

-全文完-