毕业设计（论文）-管板MIG自动焊工艺优化.doc

密级：公开 管板MIG自动焊工艺优化The Procedure Optimization of Automatic MIG Welding of Tube and Sheet学 院：材料科学与工程学院专 业 班 级：材料成型及控制工程0901班学 号：090201007学 生 姓 名：指 导 教 师：刘政军 （教授）2013 年 6 月摘 要在石化、军工、电站辅机、核能设备和锅炉压力容器制造中，特别是管壳式换热器的制造中，集束管板焊接成为制造过程中的关键工序。集束管板焊接接头不仅数量多，而且质量要求高、操作难度大。常规的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊对人员操作技术要求高，劳动强度大，焊接变形大，焊接质量得不到有效保障等缺陷已不适应大规模生产制造业发展的需求，高效、优质的自动氩弧焊技术必将成为管板焊接的主流焊接工艺方法。现阶段的焊接技术研究学者，做了许多关于管板焊接的研究。但是我们只知道结果，并不了解其研究过程。为了能够更好的了解管板焊接的工艺方法，本课题研究了MIG管板自动焊接过程。选取的母材材质为Q235B，焊丝牌号为RM-56，直径为1.2mm，保护气体为80%Ar+20%CO2的二元混合气，采用了6组焊接工艺参数对管板进行自动化焊接。焊接过程表明，管板焊接打底焊技术含量最高、难度系数最大，并且决定整个实验的成败。另一个需要注意的问题是自动焊接过程中，一定要保证管板与焊丝端部同心，一旦出现偏心，就有可能将薄壁管焊穿，这是坚决不能允许的。经本实验验证，管板MIG自动焊接时，当管子属于薄壁管时，一定不能选择大电流，否则焊接的过程将很难控制。一旦某个环节出现问题，都有可能产生将管子烧穿的缺陷。结合本次实验焊接成果，对于3.5mm厚度的薄壁管来说，焊接电流采用200A左右时最合适。焊接时，电弧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅较小，焊接过程顺利，没有发生烧穿现象，并且焊缝成形美观，焊缝缺陷少。若将此焊接参数应用于生产上，能够大幅度提高生产效率。关键词：管板；高效；优质；MIG自动焊；焊接参数AbstractIn the manufacturing of petrochemical, military industry, power station auxiliary equipment, nuclear equipment and boiler and pressure vessel, especially in the manufacturing of shell and tube heat exchanger, the welding of cluster tube sheet is becoming a key process in the manufacturing process. The number of the welded joints of cluster tube sheet is not only large, but also needs high quality requirements, and the operation is difficult. Conventional GTAW and SMAW need high technical requirements for personnel to operate, labor intensity is heavy, the welding deformation is big, the welding quality cannot be effectively guaranteed, etc, they no longer meet the demands of the development of mass production and manufacturing. Efficient and of high quality automatic TIG or MIG will become the mainstream of the tube sheet welding processes.The current welding research scholars have done a lot of researches on the tube sheet welding, we only know the results but not know the processes. To know how it happens, I have done a research about the process of MIG automatic welding of tube sheet. The material of selected base metal is Q235B,the trademark of solder wire is RM-56,which diameter is 1.2mm.The protective gas is 80%Ar and 20%CO2.I have adopted 6 groups of welding parameters to carry on the automatic welding experiments on the tube plates.The process of experiments shows that during the tube sheet welding, the backing welding is the most important facet, it is a key to success of the whole experiments. When backing welding, you need use little current. During the process of automatic welding, another issue we need to be careful is that we must guarantee the tube-plate and welding torch is concentric all the time. Once they are eccentric, the welding arc may burn through the thin tube, it is absolutely not allowed. And the experiments verify that during the process of MIG automatic welding of tube sheet, when the tube is thin, we must not choose big current, or the process of welding will be very difficult to control. Once some links have errors, the defect of burning through the tube may happen. Combined with the results of this welding experiment,for 3.5mm-thick tube, the welding current is 200A or so is the most suitable. When welding, the welding arc is stable, the droplet transfer is stable too, and the splash is small. The process of welding is very smooth, without the phenomenon of burning through the tubes. And the welding gap is beautiful, welding defects are also fewer. If this parameter is used in the production of welding, the production efficiency can be improved.Keywords: tube sheet; efficiency; high quality; MIG automatic welding; welding parameters 目 录摘 要I第1章 绪 论11.1 序11.2 MIG焊的概述11.2.1 MIG焊的焊接工艺特点21.2.2 MIG焊的发展趋势31.3 管板焊接接头连接形式31.3.1 端面接头式41.3.2 内孔角接头式和对接内孔接头式41.3.3 伸出角接头式51.4 管板MIG自动焊接的应用51.4.1 管板自动焊的特点51.4.2 管板MIG自动焊与手工氩弧焊焊接技术采用的的不同措施61.4.3 管板MIG自动焊技术操作要求61.5 管板MIG自动焊的焊接操作时需要注意的问题71.6 管板自动焊焊接变形及防止措施81.6.1 管板焊接变形的形式81.6.2 管板焊接变形的主要原因81.6.3 管板自动焊接变形的防止措施81.7 本课题研究的主要内容9第2章 实验方案拟定102.1 实验材料102.1.1 实验母材及规格102.1.2 焊接材料102.2 实验设备112.2.1 焊接设备112.2.2 其他实验设备132.3 焊接方法的确定142.4 管板MIG自动焊焊接之前需要做的准备工作15第3章 实验过程与结果分析183.1 焊接参数工艺优化选择183.2 管板MIG自动焊焊接过程233.3 管板自动焊成品盖面层焊缝外观展示及分析273.3.1 管板自动焊环形角焊缝外观展示273.3.2 管板自动焊环形角焊缝外观分析293.4 管板环形角焊缝焊脚尺寸测量结果及分析303.5 管板环形角焊缝横截面宏观图及缺陷分析333.5.1 组号1管板焊缝截面宏观图及外观分析343.5.2 组号2管板焊缝截面宏观图及外观分析363.5.3 组号3管板焊缝截面宏观图及外观分析373.5.4 组号4管板焊缝截面宏观图及外观分析383.5.5 组号5管板焊缝截面宏观图及外观分析393.5.6 组号6管板焊缝截面宏观图及外观分析40第4章 结论42参考文献43致 谢45沈阳工业大学本科生毕业论文第1章 绪 论1.1 序在石化、军工、电站辅机、核能设备和锅炉压力容器制造，特别是管壳式换热器的制造中，集束管板焊接成为制造过程中的关键工序。集束管板焊接接头不仅数量多，而且质量要求高、操作难度大；许多大型热交换器在制造过程中无法实行立装，而必须采用卧式组装，从而要求以全位置焊接来完成管板焊接施工任务；常规的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊对人员操作技术要求高，劳动强度大，焊接变形大，焊接质量得不到有效保障等缺陷已不适应大规模生产制造业发展的需求，高效、节能、优质、环保的自动氩弧焊技术必将成为管板焊接的主流焊接工艺方法1。同种工况条件下，管板自动钨极氩弧焊与焊条电弧焊和手工钨极氩弧焊存在较大的差异，从操作技术上来说，自动钨极氩弧焊很大程度上取消了人为因素对焊接质量的影响：焊接过程种避免因焊接位置的变化给操作带来的难度系数，自动填丝杜绝了焊接加热与填丝动作的不协调性，使得焊接加热与填丝动作更加有规律；焊接过程中焊接电流随焊接位置变化的递增或衰减得到控制，确保焊缝成型有章可寻；焊接电弧长度得到可靠的限制，确保焊接热源集中稳定地对工件的加热，减小因弧长变化造成的热能损耗2。从焊接工艺上的科学性来说：除焊接参数设定外，自动控制实现了焊接过程由机器取代人工焊接操作，确保焊接过程平稳进行；在整个设备制作焊接过程中，焊接参数设定后确保每一个焊接接头都在相同的工艺下进行焊接，使得焊件受热均匀，变形得到有效控制，焊接质量得到大幅度提高。由于焊接过程实现了自动化，减轻了劳动强度，同时减小了近距离焊接烟尘和热辐射对人体的危害。可见，管板自动化焊接工艺以其特有科学性、先进性、和实用性应得到大力的推广和应用3,4。1.2 MIG焊的概述MIG焊是熔化极惰性气体保护焊的的简称，是目前常用的电弧焊方法之一。这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的。适用于焊接低碳钢、低合金钢、不锈钢、有色金属及其合金。MIG焊可以采用半自动或全自动焊接，应用范围较广。MIG焊可以对各种材料进行焊接，但近年来由于碳钢和低合金钢等更多的采用富氩混合气体保护焊进行焊接，而很少采用纯惰性气体保护焊，因此熔化极惰性气体保护焊一般常用于焊接铝、镁、铜、钛及其合金和不锈钢。熔化极惰性气体保护焊可以焊接各种厚度的工件，但实际生产中一般焊接较薄的板，如厚度2mm以下的薄板采用熔化极惰性气体保护焊的焊接效果较好。熔化极惰性气体保护焊可以实现智能化控制的全位置焊接。MAG焊因为电弧气氛具有一定的氧化性，所以不能用于活泼金属(如Al、Mg、Cu及其合金)的焊接5-8。熔化极活性气体保护焊多应用于碳钢和某些低合金钢的焊接，可以提高电弧稳定性和焊接效率。熔化极活性气体保护焊在汽车制造、化工机械、工程机械、矿山机械、电站锅炉等行业得到了广泛的应用9。MIG焊分半自动和自动两种。自动MIG焊适用于较规则的纵缝、环缝及水平位置的焊接；半自动MIG焊大多用于定位焊、短焊缝、断续焊以及铝容器中封头、管接头、加强圈等焊件的焊接10。随着MIG焊应用的扩展，仅以Ar或He作保护气体难以满足需要，因而发展了在惰性气体中加入少量活性气体如氧气、二氧化碳等组成的混合气体作为保护气体的方法。通常称之为熔化极活性气体保护焊，简称MAG。在焊接结构生产中，特别是在高合金材料和有色金属及其合金材料的焊接生产中，MIG焊占有很重要的地位。1.2.1 MIG焊的焊接工艺特点 MIG焊通常采用惰性气体氩、氦或它们的混合气体作为焊接区的保护气体，是一种自动气体保护电弧焊接方法，在这种方法中，电弧在保护气体屏蔽下在电流载体，金属丝和工件之间稳定发热，机器送入的金属丝作为焊条，在自身电弧下熔化。一般采用纯氩气（纯度为 99.99），气体流量以 2025L/min11 为宜。熔滴向熔池过渡的形式采用喷射过渡，电压要调整到弧长在46mm 的程度。MIG 焊接容易受到风的影响，易引起气孔的产生，风速在 0.5m/s 以上时应采取防风措施。 其在焊接工艺上有如下特点：（1）惰性气体几乎不与任何金属产生化学作用，也不熔于金属中，所以几乎可以焊接所有金属。由于经济的制约，目前主要用于焊接铝、镁及其合金、不锈钢和某些低碳钢。（2）焊丝外表没有涂料层，焊接电源可提高，因而母材熔深较大，焊丝熔化速度快，熔敷率高，与TIG焊相比，其生产效率高。（3）熔滴过渡主要采用射流过渡形式。短路过渡仅限于薄板焊接时采用，而滴状过渡在生产中很少应用。焊接铝、镁及其合金时，通常采用亚射流过渡，因阴极雾化区大，熔池保护效果好，且焊缝成型好、缺陷少。（4）若采用短路过渡或脉冲焊接方法，可以进行全位置焊接，但其焊接效率不及平焊和横焊。（5）一般都采用直流反接，这样电弧稳定、熔滴过渡均匀，飞溅少，焊缝成型好。但惰性气体价格贵，成本高，对母材及焊丝的油、锈很敏感，容易生成气孔。与二氧化碳焊相比，其熔深较小，抗风能力弱，不宜室外焊接。1.2.2 MIG焊的发展趋势在传统MIG焊技术基础上，各国焊接研究者对MIG焊不断进行研究和探索，出现了上述各种新型MIG焊接工艺，焊接质量控制和自动化水平也在不断提高。随着电子技术、传感技术、计算机技术、自适应控制技术及信息和软件技术相继引入焊接领域，MIG焊的发展将趋于高效化、数字化，可望进一步实现MIG焊接的柔性化和智能控制技术12。近年来，新开发的一系列高效MIG焊工艺方法,由于具有高效、优质、低成本一系列优点，在工业生产中迅速得到了推广应用，取得了可观的经济效益。现代焊接设备先进的设计和制造技术，为高效MIG/MAG焊的工业应用提供了可靠的保障，并加快了高效MIG焊生产过程的机械化和自动化。双丝串列电弧MIG焊工艺方法是效率最高、焊缝质量最优的高效MIG焊方法，对焊接设备的工作特性和自动化程度提出了更高的要求。其目前已在许多技术领域取得了突破性的进展，促使这项先进焊接工艺方法在一系列高端工业部门得到成功的应用13,14。世界工业现代化的进展和市场竞争的加剧，促使各种先进高效焊接工艺方法的快速发展，尤其是高效MIG焊的开发取得了令人瞩目的成就，开创了一个崭新的发展时期。1.3 管板焊接接头连接形式世界各国换热器生产中采用的管子管板接头形式主要有：端面接头焊接式（如图1-1），内孔角接头式和对接内孔接头式（如图1-2），伸出角接头式（如图1-3）。管板有开坡口、不开坡口和开环形槽等。由于受工艺水平的限制，目前实际生产中采用最多的是伸出角接头式。1.3.1 端面接头式 a)开环形沟槽式 b)端面接头式图1-1 端面接头形式图1-1为端面接头式，管板不做任何机械加工，管子与管板平面齐平，采用氩弧焊。由于其金属熔池的建立、形成、不易连续控制，熔化的金属极易流入管内，从而减小管口的有效截面，影响后道工序胀接的进行；由于熔涂不均匀，气体保护效果差，焊接效率低，在运行中容易产生泄漏；管口长期处于应力状态，使管子与管板产生分裂，给维修带来不便。由于上述原因，实际生产中很少采用端面接头焊接式。1.3.2 内孔角接头式和对接内孔接头式 a)内角接头式 b)部分对接内孔式 c)对接内孔接头式图1-2 内孔角接头式和对接内孔接头式图1-2 a)为内角接头式，这在国外换热器中采用较多。它的优点是省工时、焊接接头质量稳定。缺点是材料组合上可能造成间隙腐蚀且不能进行焊接检验。图1-2 b)为部分对接内孔接头，这种接头不存在间隙腐蚀，焊透的可靠性高，能较容易地用和X射线进行焊缝全面检验15。图1-2 c)为内孔对接接头式，它能消除上述接头接式的缺点并获得全焊透的接头，使其疲劳强度大为提高；无端面接头的切口应力集中，不易产生焊接缺陷；能利用外部射线源进行射线检查。内孔角接头式和对接内孔接头式的结构在较为发达的国家采用较多，国内只个别厂家采用过16。1.3.3 伸出角接头式 a)不开坡口式 b)开45坡口式 c)开R坡口式图1-3 伸出角接头式伸出角接头式这种接头形式可开R或45坡口和不开坡口，管子伸出长度不大于4mm。此种接头型式为横焊、采用全位置脉冲自动旋转角环缝氩弧焊。焊接时，热输入量可控制，故可达到理想的熔涂的焊缝，熔化金属不会流入管内，且气体保护效果好、不影响换热、焊接效率较高。这种结构因加工容易装配方便而被广泛采用，但从力学角度和焊接工艺上说这种结构并不合理17。依据上述几种管子与管板接头形式和焊接工艺方法比较及国外有关文献介绍可知：端面接头型式已被淘汰；伸出角接头式，使用安全可靠；发达的国家内孔角接式和对接内孔接头式新工艺已广泛用于核电站蒸发器的管子管板接头上。1.4 管板MIG自动焊接的应用1.4.1 管板自动焊的特点管板焊接的焊缝为圆形，在管子平放时，进行自动化焊接，必然会形成平焊、仰焊、上坡焊和下坡焊，即全位置焊接。这是管板自动焊工艺的显著特点之一。熔池金属会受到重力、电弧吹力和表面张力的综合作用并随焊接位置的变化而不断改变，直接影响焊缝成形。因此，管板自动焊宜采用直流正接的脉冲焊方式，焊接过程的电流变化可分为电流上升、脉冲焊接和电流下降3个阶段：在电流上升阶段，电流以一定的斜率上升到给定值，防止电流冲击影响焊接效果；在脉冲焊接阶段，电流为脉冲式电流，峰值电流阶段熔化金属，基值电流阶段维持电弧稳定燃烧；而在电流下降阶段，焊接电流以一定的斜率下降到零，收弧控制。这样可实现焊接热输入的精确控制，使熔池深而窄，电弧稳定，减少热影响区。管板自动焊工艺的另一个显著特点就是，焊接电流的变化过程要与机头的运动相互配合。引弧成功后，进入电流上升阶段，同时启动机头旋转；之后开始进入正常焊接阶段，此时机头已转过一定角度；此后，机头继续旋转一周到达起弧位置，圆形焊缝也已焊接完毕，但由于最开始的一段焊缝是在电流上升阶段成形的，成形效果不理想，需继续焊接，此时进入电流下降阶段，利用电流下降阶段对电流上升阶段的焊缝进行补焊，改善成形，至此整个焊接过程结束，机头停止旋转。因此，在每个圆形焊缝的焊接过程中，机头的旋转运动要多于一周。 1.4.2 管板MIG自动焊与手工氩弧焊焊接技术采用的的不同措施 采用手工氩弧焊时，由于其操作灵活，尽管管板的加工质量粗糙、精度低，但可以正常完成焊接工作。采用管板MIG自动焊后，发现原来的管板加工精度已完全不能适用于管板MIG自动焊接。原来的管孔坡口不均，管孔偏差很大，而自动焊是匀速焊接，要求焊道各处状况是一致的，并无可见缝隙，否则将会因管孔椭圆形状或间隙过大引起焊丝伸入缝隙无法正常焊接，及因有间隙造成熔合不良，因坡口形状不匀导致焊道各处金属填充量不同，而造成焊缝表面成形不良。加工管板时，要求管孔按1级精度加工，采用二次钻扩孔，以保证管孔尺寸精度和表面粗糙度要求18,19。 1.4.3 管板MIG自动焊技术操作要求 管板MIG自动焊与手工钨极氩弧焊对管道伸出长度要求不同。使用管板MIG自动焊，要求管与板，伸出长度控制在3mm-4mm。施焊两遍，第一遍填丝保证可靠密封；第二遍填丝施焊，保证接头性能及成形美观。通过两次施焊可有效控制接头熔合不良、咬边和外观成形等问题。 在焊接过程中，管板MIG自动焊对管板和管道上的油污、水分和铁锈特别敏感。用角磨机对坡口100mm范围内进行除锈。管板里的油污和水分要用气焊火焰进行清除。在温度较低，湿度较大时要进行焊前预热。 管板自动焊机与管道的定位是依靠定位轴头插人管中，保持二者同心。焊嘴围绕定位轴头旋转进行焊接。但实际上由于管道与定位轴头之间存在间隙，必然导致管道与定位轴头二者之间不能严格保持同心，通过焊嘴、钨极与管道的间距不能保持一致，易产生咬边。只能靠减小定位轴头与换热管之间的配合差和焊工的熟练程度来弥补。 1.5 管板MIG自动焊的焊接操作时需要注意的问题（1）管板自动焊机采用高频引弧。要求焊机必须可靠接地，否则焊机很容易损坏。焊接操作前，要检查好焊机、焊件及电源箱所有的接地点是否可靠接地。（2）焊前准备工作应仔细，管与板如需点焊固定，应采用手工氩弧焊或自动氩弧焊，不能用手工电焊条点焊，焊点要细小均匀，管焊缝间隙匀称，焊缝处表面要清理干净。 （3）焊工不能随意改动焊机设备。有一段时间，管板自动焊出现气孔无法查出原因，后发现是焊机喷嘴内的通气网损坏后，弃之不用，导致氩气形成涡流、分布不均所致20。 （4）焊工可以结合实际情况根据焊接工艺对焊接参数在小范围内适当调整，但不允许在未经焊接技术人员许可的情况下，对焊接参数作大的改动，否则无法保证焊接质量稳定可靠。 （5）焊前使管板与焊机机头保持平行，防止不平行而导致夹钨、焊缝出现毛刺等现象。尽量使用小参数，防止把管子焊穿。（6）焊接过程中，发生焊接异常中断时，应重新清理焊口，调整参数后，再继续焊接。（7）焊缝有较严重焊接缺陷时，应将其彻底铲除后再采用手工氩弧焊方法进行补焊。不得用重复熔化方法来清除焊接缺陷。补焊次数一般不得超过3次。一般的焊接缺陷可用自动钨极氩弧焊机进行再熔化来修整缺陷21。（8）因电源关闭后，弹性夹头使处于胀开状态，所以避免弹性夹头胀坏，关机之前，应先将弹性夹头前端的螺母松一段，在关闭压缩空气和电源。也可将机头固定在被焊工件上，再关闭电源。（9）焊工对焊完管口必须逐一进行检查，不合格的应重新补焊。1.6 管板自动焊焊接变形及防止措施1.6.1 管板焊接变形的形式 管板焊接主要的变形形式有三种：波浪边形；角变形；拱形变形22。1.6.2 管板焊接变形的主要原因管板在焊接过程中,温度分布极不均匀,焊缝处及焊缝的焊接侧为高温区,冷却后产生的收缩量大；另一侧为低温区,收缩量小,因收缩的不平衡导致的。管板形状改变的大小与焊接结构、焊缝的位置和焊缝本身的收缩量有关。管板焊接时因热输入量的不均匀也会导致变形。以往管板在焊接过程中,焊工操作时从一端向另一端顺序施焊,从而使管板局部受热严重,焊接区温度较高,待焊接区温度较低,这样由焊接引起的横向收缩变形和纵向收缩变形导致了管板的挠曲。管板与壳体焊接时也会引起角变形。管板与壳体焊接时,由于焊缝的横向收缩导致了角变形,其变形量与板厚、焊缝尺寸和焊接线能量等因素有关,是密封面变形的主要因素。管板与筒体间为单面角焊缝,为单面焊双面成形,坡口形式为斜V形,随着焊缝金属量的增加,焊接的热影响区域会扩大,线能量(即热输入量)不断地增大,管板在这种自由的伸缩状态下将产生偏向焊缝一侧的角变形,而管板中间的区域将会向外凸起,导致形成拱形变形,如果继续进行换热管与管板角接的焊接时,将会因管板再次受热而导致换热器的管板产生波浪变形。造成这种波浪变形的主要原因是由于施焊时线能量太大、焊接顺序不当、焊接方向或摆动角度不合理、工艺参数不符合材料要求、未采用适宜的防止焊接变形的工装夹具等等23-28。1.6.3 管板自动焊接变形的防止措施（1） 焊接层数。焊接层数越多，角变形越大。因此，为了控制焊接角变形，焊接层数越少越好。在保证焊接强度的条件下，也尽量减小焊脚高度。（2） 施焊工艺参数。应尽量采用小参数施焊，避免局部过热引起热变形。其焊接措施为，选用小直径焊条，窄焊道、薄层焊、多层多道的焊接工艺。（3） 组装顺序。将拉杆、定矩管组装在三个管板上，大概调整管板之间的间距，然后穿管子，将管束与管板组对点焊固定，然后组对管板与烟火管的烟管简体，接着组对另一端管板与筒体，并根据图纸要求的尺寸，调整烟火管各段的长度。（4） 管子与管板施焊顺序。首先焊接管板中间部位的管子，焊接的管子数应不小于管子总数的1/4。一端施焊1/2后，将另一端全部焊接，然后再将另一端剩下的1/2焊完。管子与管板的施焊顺序应从内向外呈辐射状，并对称进行。（5） 焊接管板与烟火管筒体。管板和筒体焊接，每层焊缝应分段对称进行。每层焊缝应错开180。两端各焊一层，交替操作，直至焊完。（6） 余下管头的焊接。从管板与筒体环焊缝先焊完一端，一层层向外施焊，两端管板交替进行，对称施焊。（7） 辅助措施。常用的辅助措施有三种方法，一是用一长螺栓从管板中间穿过，两头用螺母锁死。二是紧固一只刚性较大的零件，以抵抗变形。三是加强冷却效应，从而避免因受热不均而引起变形。1.7 本课题研究的主要内容管板焊接在焊接领域一直以来都是一个难题，常规的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊对人员操作技术要求高，劳动强度大，且焊接质量难得到保证，已经很难满足大规模生产制造发展的需求。随着技术的进步和更新，氩弧自动焊接已经逐步地成为管板焊接的主流方法。本课题所研究的主要内容就是利用MIG自动焊接方法焊接管板，并进行工艺优化。所选用的母材材质为Q235B，管子属于薄壁管，焊丝的牌号为RM-56，直径1.2mm，保护气体因为焊接母材为低碳钢的缘故，没有采用纯Ar，而是二元混合气80%Ar+20%CO2。选用6组焊接工艺参数对管板进行焊接，在实验的过程中，观察并总结管板MIG自动焊接需要注意的问题，并给予解决方案。管板焊接完成之后，要对各组管板纵向剖开，观察焊缝内部缺陷情况，以及盖面层焊缝的成形状态，并分析原因。46第2章 实验方案拟定2.1 实验材料2.1.1 实验母材及规格本实验所用的母材是Q235B钢板和Q235B钢管，钢板规格为125mm125mm10mm，钢管规格为51mm3.5mm，Q235B的化学成分见表2-1。表2-1 Q235B的化学成分（质量分数，wt%）CMnSiSPCrNiCu0.120.200.300.700.300.0450.045允许残余量0.030 允许残余量0.030 允许残余量0.030 2.1.2 焊接材料（1） 保护气体 本实验所用的焊接方法是熔化极气体保护焊，因所焊母材为低碳钢，故用纯氩气做保护气体效果并不好，因为焊接时电源极性为直流反接，焊接时母材表面会有阴极清理作用，用纯氩气会产生阴极漂移现象，导致电弧不稳定，故该实验为避免这种现象，采用的保护气体为80%Ar+20%CO2的二元混合气，气体流量为15L/min。 Ar+CO2混合气体被广泛用于焊接碳钢和低合金钢。它具有Ar气的优点，如电弧稳定、飞溅小、很容易获得轴向喷射过渡等，又因为具有氧化性，克服了用单一氩气焊接时产生阴极漂移现象及焊缝成形不良等问题29。选用80%Ar+20%CO2二元混合气体的气体保护焊，与纯CO2焊相比，虽然成本较纯CO2高，但焊缝金属冲击韧度好，焊接飞溅少，稳定焊接范围宽。在小电流时的短路过渡更稳定，飞溅更小。在200400A范围内，为稳定的轴向射流过渡，基本上无飞溅。在大于400A区间，出现失稳的旋转射流过渡，飞溅大。焊接成型不好，不宜使用。（2） 焊丝 本实验所用的焊丝牌号为RM-56，焊丝直径为1.2mm，该型号焊丝熔化速度快，熔敷率高，电弧稳定，焊接飞溅极小，焊缝成形美观，并且耐氧化腐蚀能力极强，焊缝金属气孔敏感性小，全位置施焊工艺好，适用于碳钢及抗拉强度500MPa级高强钢的车辆、建筑、造船、桥梁等结构钢的焊接，也可以用于薄板、钢管的高速焊接。其化学成分及力学性能分别见表2-2和表2-3。表2-2 焊丝RM-56的化学成分品名相当标准规格化学成分（质量分数，wt%）RM-56GBAWS1.2CSiMnAlER50-6ER70S-60.080.601.100.006表2-3 焊丝RM-56的力学性能品名熔敷金属的力学性能RM-56屈服强度 S/MPa抗拉强度 b/MPa延伸率/%冲击值 Akv/J ()4255502861(-30)2.2 实验设备2.2.1 焊接设备（1）焊机本实验所用的焊机型号为Panasonic YD-500GL3，如图2-1所示，为唐山松下全数字脉冲MIG/MAG焊机，有5种焊接方法，即CO2焊、MAG焊、脉冲MAG焊、不锈钢MIG焊和不锈钢脉冲MIG焊。可焊材料为不锈钢、碳钢等，可实现不锈钢和碳钢的高品质焊接。图2-1实验用MIG焊机该焊机具有的特点是：1）具有全数字控制技术，可通过对软件的修改和升级，柔性地应对个性化需求；2）通过双CPU控制、高速CPLD控制及数字送丝装置相融合的全数字控制技术，保证整体系统的高性能，实现全电流范围内的高品质焊接；3）采用自适应脉冲技术，实现碳钢和不锈钢的无飞溅焊接；4）内置焊接专家数据库，可存储调用9组焊接规范；5）标配自动焊专机模拟接口，具有机器人专用机型、专机数字通讯机型、iWeld联网机型等多种专门机型，可配合自动焊专机或通过与电脑连接，实现焊接的实时网络监控；6）通过焊接条件的记忆和调用，可实现焊接工艺的管理，也为同一工位的多焊接条件焊接提供方便； 7）通过编码器速度反馈控制（RSF）、四轮双驱送丝方式，实现高精度的焊丝送给。在焊接过程中送丝负荷变化或网压波动时，也能保证各种焊丝全电流范围的稳定焊接；8）内置松下独有的焊接专家系统，包括精细的焊接波形控制参数、焊接过程参数及引弧收弧过程参数数据，而且对各种参数数据调节方便； 9）适合碳钢/不锈钢、实芯/药芯、CO2/MAG、脉冲MAG/MIG等多种焊接方法。（2）变位器 本实验所用的变位器为实验组研发而成，能满足本次试验的基本要求，如图2-2所示。夹持管板的四爪卡盘由四个长60mm内六角螺栓固定在转台上，焊接速度通过调整直流电机的励磁电压来实现。固定焊枪的夹具有3个自由度，根据实验需要可以调节焊枪的高度，角度以及距离管壁的水平距离。该变位器输入电压为380V，经变压器转变为直流工作电压110V，该变位器还具有正转与反转，点动和自动的功能。在控制电路内部还有一个空气开关，来保护电路，以防启动电流过大，产生过载。 图2-2 实验所用变位器 2.2.2 其他实验设备（1）车床 用45车刀来车Q235B钢板上内径为55mm的贯穿孔，坡口角度为45，暂不留钝边。（2）角磨机 打磨坡口附近的铁锈、油污等，管板焊接结束之后可以换上抛光片对焊缝横截面进行抛光，以便宏观观察焊缝金属内部成形情况。（3）无齿锯 管板焊接结束之后，用无齿锯将其平均分割为四块，然后做后续处理以作宏观观察焊缝内部金属是否有缺陷。（4）锉刀 除毛刺以及加工11.5mm的钝边。 （5）砂轮 除去钢管和钢板上的铁锈。（6）钢丝刷 除去管板焊后放置一段时间后，焊缝金属上的铁锈及渣垢。（7）游标卡尺 焊前需要大概知道每焊一道，焊缝金属的熔敷量，余高和熔宽。故焊接管板之前在若干组试验钢板上用事先拟定的焊接参数，焊接一道直径为55mm的环焊缝，然后用游标卡尺测量实验试板上焊缝金属的熔宽和余高。（8）焊缝量规 焊完管板，用焊缝量规测量环形角焊缝上若干处焊脚尺寸。 （9）数码相机 待实验结束，用相机拍下管板环形角焊缝的外观形状。然后切开管板，用相机拍摄下管板切开之后角焊缝的横截面，记录焊缝金属内部熔合情况，观察其是否有焊接缺陷。2.3 焊接方法的确定针对被焊母材的性能特点及实际结构(或接头)形式，在采用不同焊接方法焊接时(打底焊、填充焊、盖面焊)应采用与之相适应的焊接工艺规范。本实验中采用的焊接方法为MIG焊，目前对MIG和MAG焊的定义并不是非常绝对，二者的差别就是气体种类上。MIG焊的保护气体是惰性气体，如Ar、He或Ar+He。MAG焊的保护气体是以Ar为主，加入少量的活性气体如O2或CO2，或CO2+O2等。本实验由于所焊母材的材质为低碳钢，故用纯Ar做保护气体并不好。因为对于熔化极气体保护焊来说，为了得到稳定的焊接过程和稳定的熔滴过渡过程，一般都采用直流反接。直流反接时，电弧阴极斑点不稳定，会产生阴极漂移现象，电弧不稳定，会引起焊缝熔深及焊缝成形不规则。另外，用纯Ar保护时，液体金属的粘度及表面张力较大，易产生气孔。焊缝金属润湿性差，焊缝两侧易产生咬肉等缺陷。用纯Ar保护时还有另外一个问题，就是焊缝形状为蘑菇形，特别是纯Ar保护射流过渡焊接时，蘑菇形熔深最为典型，蘑菇形熔深其根部容易产生气孔。因此，本实验采用的保护气体是二元混合气80%Ar+20%CO2，CO2的加入很好的解决了上述三个问题。选用80%Ar+20%CO2二元混合气体的气体保护焊，与纯CO2焊相比，虽然成本较纯CO2高，但焊缝金属冲击韧度好，焊接飞溅少，稳定焊接范围宽。在小电流时的短路过渡更稳定，飞溅更小。既具有纯Ar的优点，如电弧稳定、飞溅小、很容易获得轴向喷射过渡等，又因为具有氧化性，克服了用单一Ar气焊接时产生阴极漂移现象及焊缝成形不良等问题。严格意义上讲，本实验应该属于MAG焊，但目前对MIG焊和MAG焊的定义并不是非常的严格，许多权威资料书上也把掺有少量活性气体的熔化极气体保护焊定义为MIG焊，因此本实验中所用的焊接方法称为MIG焊。本次实验所用的熔化极气保焊设备为自动焊，因为焊枪被固定在变位器上进行焊接，焊枪的移动无需人工操作进行。一言概之，本次实验的焊接方法为MIG自动焊。2.4 管板MIG自动焊焊接之前需要做的准备工作（1）按照实验要求准备所需要的平板和管子，材质均为Q235B，板厚10mm，钢管外径51mm，壁厚3.5mm。（2）按照老师指导要求，管子不必加工，只需加工板子。用装有45车刀的车床，在钢板中心加工出一个带有坡口的贯穿孔。由于焊接时要求单面焊双面成形，故需要预留23mm的间隙，故加工时钢板底部的孔径为55mm，加工的坡口角度为45，钝边11.5mm，如图2-3所示。图2-3 Q235B钢板加工示意图（3）本次实验管板焊接为多道多层焊，焊前不清楚不同焊接参数时，管板环形角焊缝的金属熔敷量，不好拟定焊接参数。所以在正式焊接之前，需要用拟定的焊接参数在平板上，焊接一道直径为55mm大小的环焊缝。用游标卡尺测出焊缝金属的熔宽和余高，然后通过焊接效果，选出6组最佳焊接工艺参数。因此还要准备十几块材质为Q235B的平板。（4）由于管板在焊前是分离的，不能直接一起被固定在四爪卡盘上，所以自动焊前需要对管板进行固定焊。固定焊用手工TIG焊，所用的焊丝直径为2.5mm，对称焊接三个焊点。注意在固定焊时，管子和钢板一定不能偏心且要始终处于垂直位置，否则在之后的自动焊焊接过程中因为偏心，很容易出现将3.5mm厚的薄管焊穿的现象，这个是坚决不允许的。（5）固定焊完成之后，再用手工TIG焊来打底焊。原因是对于管板焊接，难度系数最高的部分就是打底焊，自动焊对装配要求很高，焊接的过程中不可能等遇到问题后再人工解决，一旦出现问题实验就将宣告失败。所以打底焊接由老师手工TIG完成，使用的焊丝直径为2.5mm，钨极直径为1.5mm，钨极伸出长度为23mm，焊接电流为110A。（6）管板在焊接前一定要用角磨机或砂轮将坡口附近的铁锈打磨干净，油污也要清除干净，还有之前手工打底后打底焊层，自动焊之前要用钢丝刷将焊缝金属上的氧化物、渣垢等清除干净。（7）按焊接参数要求调整转盘的转速，由于本实验所用的变位器不能直观便利地调节转速，只能通过秒表记录转盘转过一周所用的时间，然后通过多次调节，直至符合实验要求。（8）本实验过程中要求焊枪不动，管板动，且处于水平位置焊接。管板用四爪卡盘卡在变位器上，随转盘的转动而转动，焊枪调整好角度和高度后固定好。（9）装卡管板最重要的一道工序之一就是“对心”，即保证焊枪与管板同心。“对心”时，可以先固定四爪卡盘的两个爪，即让管板与这两个爪之间没有间隙，即相对位置不变，而另两个爪松开一定距离。先从一个爪的位置开始，转过180，观察焊枪与管板偏离的距离，然后适时调节之前固定的两个爪，但要保证调节过程中，这两个“固定”的爪与管板始终没有间隙。按照这种方法半周半周的调整，直至管板、焊枪同心。（10）另一个重中之重的工序是焊枪的角度和和焊丝端部距工件之间的距离，尤其是角度。如果焊枪的角度调节不合理，焊接想成功几乎是不可能的。若焊枪的角度偏小，很容易出现将管子焊穿的现象，尤其是大电流时特别要注意；若焊枪的角度偏大，则很容易焊在板子坡口的外沿。（11）由于焊接之前对本实验所用的MIG焊焊机还不熟悉，不知道其射流过渡的临界电流值，这样就不方便拟定焊接参数。通过资料查找与本实验焊接条件大致相同的MIG焊机，其射流过渡的临界电流值为220A左右。在实验前预先准备若干块低碳钢板，调整焊接电流大小为250A50A，用该焊机在其上随意焊接。焊接时注意听熔滴过渡的声音以及观察焊接飞溅大小。通过查找发现该焊机焊接时射流过渡的临界电流值为230A左右。因为焊接时焊接电流的大小对焊缝金属的熔深和余高影响很大，而焊接电压的影响却不大，所以通过主要改变焊接电流的大小来拟定6组焊接工艺参数。初步拟定的焊接电流大小分别为180A、200A、220A、240A、260A、280A，焊丝端部熔滴过渡的形式与电流大小的关系参见表2-4。表2-4 熔滴过渡形式与焊接电流的关系不同焊接电流下的熔滴过渡形式180A200A220A240A260A280A短路过渡短路过渡短路过渡射滴过渡射流过渡射流过渡第3章 实验过程与结果分析3.1 焊接参数工艺优化选择本实验课题名称为管板MIG自动焊工艺优化，不仅仅只是自动焊直接焊完的问题，还要进行工艺优化。因此，在正式焊接管板之前，先要选出6组最佳的焊接工艺参数。预先准备十几块Q235B材质的平