全自动熔化极富氩混合气体保护焊单面焊双面成形打底方法

摘要

本发明提供一种全自动熔化极富氩混合气体保护焊单面焊双面成形打底方法，本发明为消除熔化极富氩混合气体保护焊因较大的等离子流力与喷射过渡在单面焊双面成形工艺中造成的烧穿，以熔化极气体保护焊焊接机器人为手段，在采用左焊法以避免熔池过大并缓冲等离子流力与高速熔滴对间隙底部的直接冲击的同时，进而通过摆动以减少喷射过渡的熔滴高速冲击根部间隙中心的几率；视钝边厚度可在钝边处停留。本发明通过减小、分散电弧等离子流力、优化高速熔滴对熔池的冲击位置与方向，维护了熔池表面张力对熔池重力及高速熔滴对熔池冲击力的平衡效果，防止了烧穿。

说明书

技术领域

本发明涉及全自动熔化极富氩混合气体保护焊单面焊双面成形打底技术。

背景技术

单面焊双面成形打底工艺是厚板焊接的第一道工序，也是最为困难的工序。 其难点在于既要防止未焊透，又要防止烧穿。对于手工的、可采用短路过渡的焊 接方法(如半自动CO₂气体保护焊与焊条电弧焊)，实现单面焊双面成形相对 容易。这是由于：一方面，因为在短路阶段，电弧力、热效果均减弱，熔池体积 不会增大反而趋于降温，同时强劲的电弧等离子流力消失，熔滴的强劲冲击作用 也消失，于是减弱的热、力作用都有利于防止烧穿。另一方面，在手工施焊的情 况下，焊工能根据熔池大小与流动情况，及时作出各种调整，以防止烧穿。

但是，当采用熔化极富氩混合气体焊(MAG：metal active gas)焊接对低温 韧性有高要求的钢结构件时，能掌握这种焊接方法所要求的单面焊双面成形技术 的焊工屈指可数。主要问题是极易出现烧穿。申请者认为在这种“富氩+细丝”的 特殊条件下，主要原因在于氩气加入使电弧扩张，电弧等离子流力及熔滴对熔池 冲击力(尽管体积不大)均增大(特别在持续喷射过渡或断续混有喷射过渡的情 况下)，在这强劲的双重冲击力的共同作用下，出现烧穿缺陷。随着人力成本的 飙升，手工打底的成本升高，而且效率低下，施工进度难以保证。因此，全自动 MAG打底技术亟需攻克。

对于单面焊双面成形技术而言，焊透主要针对钝边而言，烧穿主要针对根部 间隙而言，两者恰为矛盾的两个方面。单面焊双面成形时，根部间隙处液态金属 因处于悬空状态、温度极高、距离固态钝边较远，则依靠其表面张力平衡外力与 重力的效果趋于减弱，防止烧穿的困难增大。当选择的焊接电流较大时，液态金 属受重力等作用，易产生背面焊缝下坠、焊瘤、烧穿。若焊接电流选择较小又易 产生钝边未焊透现象。目前，单面焊双面成形的工艺有以下三种：脉冲钨极氩弧 焊(或恒电流)、焊条电弧焊(常用细焊条)与美国林肯公司开发的表面张力过 渡(STT：surface-tension-transfer)打底焊技术。其特点及优缺点分别分析如下。

关于焊条电弧焊的单面焊双面成形操作技术，在中国焊接协会与焊接学会所 编的《国际焊工培训》教材中有较为清楚的描述(中国焊接协会与中国机械工程 学会焊接学会焊接培训与资格认证委员会编.国际焊工培训(国际焊接学会焊接 人员培训与国际资格认证教材).黑龙江人民出版社，2002年.161-167)：焊条 电弧焊的单面焊双面成形操作技术有“连弧焊法”与“断弧焊法”两种；其中，断弧 焊所用电流大，靠间断提起焊条、短暂灭弧来防止烧穿；连弧焊法的要点可概括 如下：细焊条(Φ3.2)、小电流(80～90A)、根部间隙大(3.2～4.0mm)、靠将 坡口根部熔化并击穿形成“熔孔”并控制熔孔宽度略大于根部间隙(两侧钝边可各 熔化宽度在0.5～1mm左右)保证焊透、小幅锯齿形横向摆动、右焊法。可见， 连弧焊在较小的电流下实现焊透是借助于施加摆动时形成的“熔孔”而实现的，防 止烧穿是借助细焊丝、小电流形成的小熔池、低温度、快速冷凝实现的。

钨极氩弧焊(TIG)的优点是电弧在小电流情况下也能稳定燃烧，这为TIG 用于薄板对接及单面焊双面成形提供了可能。当采用脉冲TIG时，既可利用幅 值较大的脉冲电流保证焊透，又可利用幅值较小的维弧电流防止烧穿，这样，借 助其更方便的热输入控制，更有利于单面焊双面成形。

采用熔化极气体保护焊的单面焊双面成形的先进工艺当属1993年报道的美 国林肯电气公司推出的表面张力过渡(STT)电源与技术(Stava E.K.A new, low-spatter arc welding machine.Welding Journal,1993,72(1):25-29)。STT技术兼 具低飞溅短路过渡与脉冲电弧的优点，可用于单面焊双面成形。据报道，STT打 底技术已用于我国西气东输工程(郑振永，郭彬.全自动焊技术在西气东输工程 中的应用.焊接技术，2003,32(4):25-27)。

上述三种单面焊双面成形工艺的缺点如下：脉冲TIG与连弧焊焊条电弧焊 打底工艺的主要缺点在于效率低下；而STT技术因设备投资大限制了其在我国 的大面积推广应用。此外，脉冲MAG电源虽也有望用于单面焊双面成形，但电 源价格昂贵且不易及时购得。A-TIG因焊缝有增氧现象，不利于接头韧性。

另一方面，在对韧性要求相对较高的低合金结构钢的焊接中，效率高、韧性 高、飞溅小、焊缝截面与表面成形良好、电弧稳定的富氩混合气体保护焊(MAG： metal active gas welding)的应用正在蓬勃发展，以取代CO₂焊与焊条电弧焊(张 贵锋，张建勋，裴怡.CO₂焊与MAG焊的工艺性能及其焊丝的研发与应用.焊管， 2006,29(1)：11-15)。申请者前期试验表明，当直接采用MAG进行打底焊接时， 焊接电流和根部间隙是影响打底成形的关键因素，其对应配合要求异常苛刻；特 别是对间隙的允许波动量很小，即便由于板材变形等因素引起的微量间隙波动都 有可能导致出现烧穿或未焊透。以采用Φ1.2mm焊丝的MAG焊接为例，当根部 间隙一定时，只有焊接电流处在一个很小的范围内才可以保证没有烧穿和未焊透 缺陷；当焊接电流一定时，根部间隙波动的允许范围也很小。当根部间隙过大 (2.0mm)或过小(1.2mm)时，不出现烧穿和未焊透缺陷的焊接电流几乎是一 个固定值；而根部间隙为中间值(1.6mm)时，不出现烧穿和未焊透缺陷的焊接 电流范围为170A～220A。同一组试板组装、点固后根部间隙不可能是一个固定 值，固定的根部间隙对焊接时试板的组装和点固有着非常严格和苛刻的要求，这 使得全自动MAG焊打底在工程上无法应用和推广。因此，基于现有设备基础， 研发高效的全自动MAG焊打底技术，降低对操作人员技术水平的依赖是相关行 业急需的技术。

消除未焊透和烧穿这两种缺陷的措施是截然相反的，而且消除烧穿缺陷需要 更为苛刻的条件(使根部间隙趋于稳定值)，而使根部间隙趋于稳定值在实际焊 接过程中因下料、坡口加工的分散性是很难实现的。所以全自动MAG打底焊的 关键在于根部间隙在一定的范围内(上下波动0.2mm)能够保证消除烧穿缺陷， 通常主要从热的角度(即减小电流，控制熔池体积)出发避免烧穿，但如上所述， 这一思路对解决全自动MAG焊打底焊道烧穿非常困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全自动熔化极富氩混合气体保护焊单面焊双面 成形打底方法。

本发明的基本思路是针对全自动MAG这种“富氩+细丝”的特殊条件，为防 止烧穿，从优化根部间隙熔池金属受力角度出发，以消除电弧等离子流力与高速 熔滴对间隙中心液态金属的持续冲击。

该单面焊双面成形打底方法包括以下步骤：为消除全自动MAG打底中极易 出现的烧穿缺陷，从降低、分散“电弧等离子流力与高速熔滴对熔池的双重冲击 力，并优化高速熔滴对熔池的冲击位置与方向”思路出发，采用具有能摆动、短 暂停留功能的熔化极气体保护焊焊接机器人，使熔化极气体保护焊焊接机器人按 左焊法行走，以避免熔池过大并缓冲等离子流力与高速熔滴对根部间隙处熔池底 部的直接冲击；在行走过程中使焊炬横向摆动，以分散等离子流力，并使高速熔 滴向熔池两侧边缘处过渡，从而避免熔滴直接冲击熔池中心；并禁止电弧在无任 何衬垫的根部间隙区停留，以减少电弧等离子流力对根部间隙的持续吹击作用， 同时减少高速过渡的熔滴对根部间隙处熔池的冲击几率，也防止了间隙处液态金 属过热导致液态自身表面张力过低，以此防止烧穿。

在行走过程中，将电弧的停留主要移至坡口两侧较厚的钝边所在处，既有利 于分散等离子流力，并使熔滴向钝边处过渡，又有利于焊透与熔合，以强行增大 熔滴向着两侧钝边的过渡与冲击几率，减小熔滴对熔池中心的冲击几率，同时保 证焊透与高效填充。

所述横向摆动以根部间隙中心为平衡位置，摆动振幅在0.5～1mm，以分散等 离子流力，防止等离子流力与熔滴两者持续冲击熔池中心。

所述根部间隙在1～2.5mm范围内，焊接电流控制在100～185A。

横向摆动到达峰值位置(钝边)处时停留0.1s。

根部间隙为2.3±0.2mm，坡口角为50～60°，摆动振幅为1mm，摆动频率为 4Hz，焊接电流为169～185A，电弧电压为19.7～20.1V，行走实际速度为 20cm·min^-1。

根部间隙为1.3±0.2mm，坡口角为60°，摆动振幅为1mm，摆动频率为4Hz， 焊接电流为110～130A，电弧电压为16.7～17.1V，行走实际速度为20cm·min^-1。

所述单面焊双面成形打底方法适于短路过渡与喷射过渡并存的混合过渡形 式。

所述单面焊双面成形打底方法也适用于熔化极惰性气体保护焊打底。

本发明的有益效果体现在：

本发明主要基于减轻电弧与熔滴对悬空态根部间隙处高温液态金属的持续 冲击效果这一思路，通过“缓冲高速熔滴对熔池底部的直接冲击力”、“减小高速 熔滴对熔池的冲击几率”、并分散“等离子流力”，解决了MAG焊等打底时的烧 穿问题(即使在喷射过渡情况下也能防止烧穿)，成功实现了单面焊双面成形， 显著提高了生产效率，免除了对焊工操作水平的过度依赖。

本发明针对全自动MAG这种“富氩+细丝”的特殊条件使“力”的因素，即电 弧等离子流力与熔滴过渡对熔池中心的双重冲击力一跃成为烧穿的主要因素。循 此思路，本发明中通过减小、分散电弧等离子流力；优化高速熔滴对熔池的冲击 位置与方向；消除等离子流力与熔滴对间隙中心液态金属的持续冲击，从而获得 了成功。

所述单面焊双面成形打底方法适用于熔化极富氩混合气体保护焊(MAG) 打底或熔化极惰性气体保护焊(MIG)打底。

附图说明

图1为本发明提供的全自动MAG打底焊接技术原理示意图(技术要点：左 焊法；摆动时根部间隙禁停)，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；4表示焊 枪，5表示试板；

图2为MAG焊单面焊双面成形宏观形貌(焊接电流为175A，电弧电压为 20V，焊枪行走实际速度为20cm·min^-1，左右摆动振幅A＝1mm，频率f＝4Hz，左 焊法)，其中，(a)为打底焊焊缝正面外观，(b)为打底焊焊缝背面外观；

图3为完整焊缝横截面整体成形效果图(打底焊焊接电流为175A，电弧电 压为20V，焊枪行走实际速度为20cm·min^-1，左右摆动振幅A＝1mm，频率f＝4Hz， 左焊法；盖面焊焊接电流为215A，电弧电压为22.3V，焊速为30cm·min^-1，右 焊法)，其中，(a)为打底焊道焊接接头横截面宏观形貌，(b)为盖面焊道焊 接接头横截面宏观形貌，FZ表示熔合区，BM表示母材，HAZ表示热影响区， WM表示焊缝金属。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

在人力成本骤增的大背景下，为实现全自动MAG的自动打底，解决易于“烧 穿”的困难(此时在烧穿与未焊透的矛盾中，烧穿为矛盾的主要方面)，本发明 基于熔化极富氩混合气体保护焊(MAG)常用富氩—细丝、喷射过渡这些核心 特点，引发烧穿的主要原因在于力学方面(即“电弧等离子流力”与“熔滴”对熔池 的双重冲击力)而非加热方面引发的熔池体积过大的思路，为了在打底焊道获得 焊透与防烧穿的综合效果，确立了着眼于降低、分散“电弧等离子流力与高速熔 滴对熔池的双重冲击力”的技术方案。但为了降低“电弧等离子流力与熔滴对熔池 的冲击力”则须降低电弧电流，却易导致未焊透。为此，综合采用以下技术方案： 一方面适当增大根部间隙，确保以较小电流焊透钝边，同时也利于减小“电弧等 离子流力与熔滴对熔池的冲击力”；另一方面，在焊透前提下，为防止根部间隙 适当增大后导致的烧穿，进一步着眼从减轻高速熔滴及电弧对熔池(特别是根部 间隙中心区域)直接、集中与持续冲击作用这一思路出发，采用左焊法以增大高 速熔滴直接冲击熔池底部的阻力，通过“缓冲”减小了高速熔滴对熔池底部的直接 冲击力；采用横向摆动减小高速熔滴冲击熔池的“几率”；同时“分散”了等离子流 力对悬空态根部间隙区的持续吹击；这样，首次稳定地实现了MAG焊单面焊双 面成形。

上述技术方案的思路简介如下。本发明认为，造成焊条电弧焊与MAG焊打 底熔池烧穿的主要原因有一定的差别。焊条电弧焊熔滴呈颗粒或短路过渡，熔滴 对熔池的冲击作用小，等离子流力也小，因而造成烧穿的主要因素是根部间隙大、 熔池体积过大，表明张力不足以平衡重力的作用。而MAG焊所采用的根部间隙 通常明显小于焊条电弧焊的间隙，熔池体积大并非导致烧穿的主要因素，而导致 熔池烧穿的主要因素应是外加的“力”的作用，主要为“等离子流力”以及“熔滴对 熔池的高速冲击力”。特别是当采用喷射过渡时，熔滴在电磁收缩力的加速下， 以远高于重力加速度的高速冲击熔池；加之根部间隙中心区距离固态钝边相对较 远，且根部间隙中心区温度最高，使表面张力平衡重力、等离子流力、熔滴冲击 力的综合效果趋于减弱；这样，极易在间隙稍大情况下优先在根部间隙中心出现 烧穿。

仔细分析可知，全自动MAG打底困难原因在于两方面：一是富氩；二是细 丝。对于高钢级的低合金高强钢，因对韧性有严格要求，故须采用富氩混合气体 保护电弧焊，但由于Ar弧的扩张性会使电弧等离子流力及熔滴对熔池的冲击力 显著增大(特别在持续或断续喷射过渡情况下)，这将对熔池形成很大的冲击力。 特别对于细丝，这种冲击力更大(细丝喷射过渡所需临界电流小；熔滴质量小而 易被加速)。为消除烧穿，可考虑的途径有两条：一是合理实时调控电弧电流(如 选用合理的电源或操作机)，以同时减小熔池体积、等离子流力与电磁收缩力， 从而防止烧穿。目前市场尚难以购得此类设备，其可靠性也难以保证，故本发明 未采用此思路。二是着眼于减小来自于等离子流力与高速熔滴对熔池的冲击力。 基于申请者的前述分析可知，MAG打底易烧穿的主要原因在于力学冲击方面， 而非加热过度致使熔池体积过大、表面张力难以平衡重力的加热方面。减小等离 子流力与熔滴冲击力的首选思路应是减小焊接电流，但这又容易导致未焊透。为 此，适当增大根部间隙，确保以较小电流焊透钝边；同时，设法在喷射过渡的情 况下，减轻电弧及高速熔滴对熔池(特别是对悬空的根部间隙中心区)的直接、 集中、持续的冲击作用。

依上述分析可知，减轻外力对悬空态熔池中心的冲击效果是防止打底焊道出 现烧穿的技术关键。随之而来的技术问题是如何具体减小“高速熔滴”以及“等离 子流力”对熔池的冲击效果(特别是根部间隙中心区)。对于前者，影响熔滴对 熔池冲击效果的因素有电流、冲击几率、熔滴进入熔池后的粘滞阻力等因素。本 发明采用了“左焊法”(焊接分向自右向左)以避免熔滴直接冲击熔池底部，并增 大熔滴进入熔池后的粘滞阻力，减轻熔滴对熔池底部的直接冲击力；采用“横向 摆动”以减少喷射过渡情况下高速过渡的熔滴对根部间隙处熔池中心(即根部间 隙中心)冲击几率。对于后者，为减轻等离子流力对根部间隙中心冲击效果，同 样采用了“横向摆动”的技术方案，以避免等离子流力对根部间隙液体(该处液态 金属处于悬空态、温度极高、距离固态区较远，表面张力弱)的持续吹击。另一 方面，将电弧的停留主要移至坡口两侧较厚的钝边所在处，增大熔滴向着两侧钝 边的过渡几率，以同时保证焊透与填充。

综合采用上述技术方案后，达到了合理控制电弧能量分布、减轻电弧及熔滴 对悬空态根部间隙处液态金属直接与持续的冲击，消除了根部间隙处的烧穿，成 功地实现了MAG焊的单面焊双面成形，特别是对电流与根部间隙的允许波动范 围得以展宽，降低了对备料、下料、坡口加工、装夹、规范参数稳定性的苛求， 为工业化应用提供了可能。与焊条电弧焊单面焊双面成形在工艺原理(本发明以 控制高速熔滴过渡中的缓冲、位置、几率为手段)、效果方面均有显著区别，最 大区别在于：左焊法、无“熔孔”、可用喷射过渡、效率极高(高焊速、高熔覆速 率、可不间断施焊、高自动化程度)、免除了对焊工操作水平的依赖。

熔化极富氩混合气体保护焊单面焊双面成形实例

下面，以打底相对更为困难的钝边大、电流大、间隙大的情况为例进行介绍。

母材：厚8mm的国产Q690C低碳贝氏体钢

坡口(Y型)尺寸：坡口角50～60°(单边25～30°)；钝边厚度：2mm；根 部间隙：2.2±0.2mm

焊接设备：熔化极气体保护焊机器人

焊炬行走：见图1，采用左焊法(焊枪自右向左移动，焊枪相对于焊接反方 向倾斜)并水平锯齿状摆动。考虑到MAG焊电弧及高速熔滴对熔池的冲击力大， 故禁用焊条电弧焊打底常用的右焊法，以此缓冲高速熔滴到达熔池底部时对熔池 底部的冲击力，并减小熔深与熔池体积。同时，挖掘机器人可快速摆动能给打底 焊带来好处的潜力，对打底焊道中电弧能量分布与熔滴过渡位置进行如下合理分 布：一方面，禁止电弧在无任何衬垫的根部间隙区停留，而使电弧快速通过无任 何衬垫的根部间隙区，以减少喷射过渡情况下高速过渡的熔滴对根部间隙处熔池 的高速冲击几率，同时减少等离子流力对根部间隙的持续吹动作用，以此防止烧 穿；另一方面，将电弧的停留主要移至坡口两侧较厚的钝边所在处，增大熔滴向 着两侧钝边的过渡几率，以同时保证焊透与高效填充。

参见图1，本发明采用了左右摆动全自动MAG打底焊，其中0、2点为平衡 位置(即根部间隙中心)，1、3点分别位于两侧钝边处。左右摆动全自动MAG 打底焊采用左焊法，左右摆动振幅为1mm，即从平衡位置0点到1点的垂直距 离为1mm，峰峰值(1点到3点)为2mm，0、2点不停留，1、3点停留0.1s； 摆动频率为4Hz；焊枪倾角为20°。

实际焊接时焊接电流为169～185A，电弧电压为19.7～20.1V，点固后根部间 隙为2.15～2.25mm，左右摆动振幅为1mm，频率4Hz，焊接机器人设定焊接速度 为40cm·min^-1，因焊枪在1、3点分别停留0.1s，焊枪行走实际速度为20cm·min^-1。 打底焊焊缝外观如图2、图3所示，从图2、图3可以看出，打底焊道背面成形 连续、饱满，打底焊道背面成形光滑、美观，没有烧穿、未焊透等焊接缺陷，背 面熔宽较为合适，正面填充较好。

本发明摸索的左右摆动全自动MAG打底焊工艺参数还包括如下的例子：根 部间隙为1.3±0.2mm，坡口角为60°，摆动振幅为1mm，摆动频率为4Hz，焊 接电流为110～130A，电弧电压为16.7～17.1V，行走实际速度为20cm·min^-1。

在上述分散等离子流力、减少冲击根部间隙几率、增大向着钝边过渡并填充 的几率、以钝边加热为主的指导思想下，以根部间隙不停留为摆动原则即可实现 全自动熔化极富氩混合气体保护焊(MAG)单面焊双面成形打底。视需要可在 钝边处停留，也可在钝边处不停留。采用本发明提出的全自动MAG焊打底技术， 根部间隙和焊接电流在较大的波动范围内也可以实现单面焊双面成形：根部间隙 在1～2.5mm范围内，焊接电流在100～185A范围内，都可以获得较好的焊缝背 面成形。可见，对电流与根部间隙的允许波动范围得以展宽，降低了对备料、下 料、坡口加工、装夹、规范参数稳定性的苛求，为高效率、大规模工业化应用提 供了可能。

为消除熔化极富氩混合气体保护焊(MAG)因较大的等离子流力与喷射过 渡在单面焊双面成形工艺中造成的烧穿，以熔化极气体保护焊焊接机器人为手 段，在采用“左焊法”以避免出现“熔孔”并缓冲高速熔滴对熔池底部的直接冲 击的同时，进而通过摆动以减少喷射过渡的熔滴高速冲击根部间隙中心的几率； 视钝边厚度可在钝边处停留(钝边厚度1mm以下因易焊透也可不停留)。该打 底方法着眼于优化根部间隙液态金属受“力”的思路，通过分散电弧等离子流力 与能量、优化高速熔滴与熔池的相互作用，消除了等离子流力与高速熔滴两者对 根部间隙处液态金属的持续冲击及过度加热，维护了熔池表面张力对熔池重力及 高速熔滴对熔池冲击力的平衡效果，防止了烧穿。与焊条电弧焊单面焊双面成形 的最大区别在于：左焊法、无“熔孔”、可用喷射过渡、效率极高(高焊速、高 熔覆速率、可不间断施焊、高自动化程度)。