富氩混合气体保护焊工艺实验及应用

CO2气体保护焊以其熔深大、焊接效率高的特点在工程中得到了广泛的应用。但这种工艺存在着飞溅大、焊缝成形较差、焊缝金属冲击韧性较低等缺点，影响了所焊工件的外观质量。随着市场的竞争日益激烈，客户对所焊的产品的质量要求越来越高，首先从效率、外观、内在质量都提出了更高的要求。为解决这个问题，提高产品的实物质量，另外响应国家对焊接设备高性能高质量化的倡议，采用CO2气体保护焊焊接比较常用的Q235-A材料，从富氩混合气体保护焊（MAG焊）和CO2气体保护焊的工艺实验做了相应的比较。经过多方面的工艺实验和用户的使用证明，MAG焊工艺性良好，规范稳定，飞溅减少，焊缝成形美观，获得了使用CO2焊接方法达不到的工艺优点。

一、试验条件

1.试验设备：PC60-500 (CO2/MAG焊机) 直流反接。

2.试验材料

（1）Q235-A试板，试板尺寸200mm×250mm×20mm开V型坡口。

（2）φ1.6 H08Mn2SiA实芯焊丝。

（3）瓶装CO2气体（要求是新充装的，在使用前应进行放水、放气处理，当瓶内气体压力低于0.98MPa时停止使用）。

（4）瓶装80%Ar+20%CO2混合气体。

二、试验方法

1.焊前准备

试板坡口采用铣床加工，组对间隙为1～2mm，预置反变形3mm。利用砂轮、钢丝刷彻底清除焊缝坡口两侧各50mm范围内铁锈、水分、油渍等污物，见到金属光泽为止。

2.焊接要求

分别用CO2气体保护焊、MAG焊焊接试板，两种焊接方法采用同一规范。坡口一侧焊四层，背面用碳弧气保清根，焊满。试板焊后不允许纠正，焊后角变形大于5°的试件给予 废。焊接过程由焊接技师独立完成。焊接规范如表1所示。

三、试验结果

1.焊接过程

MAG焊比CO2焊焊接电弧稳定，飞溅明显减少，焊接烟尘量相差无几。

2.焊缝表面

从焊缝表面观察，与CO2气体保护焊相比，MAG焊焊缝成形光滑，波纹细密，光洁度有显著提高(纯CO2焊焊缝表面粗糙且无光泽)，焊缝两侧无大颗粒飞溅，飞溅粘附易清除。

3.焊缝金属机械性能

按照国家标准对试件进行了机械性能试验，试验结果如表2、表3所示。从表2、表3所示可以看出：MAG焊焊缝金属中合金元素略高，综合机械性能与纯CO2焊相比也略有提高，两者的金相组织无明显差异，均为珠光体+铁素体，不同的是CO2焊的珠光体含量少于MAG焊。

4.试验结果分析

MAG焊比CO2焊焊接飞溅少、焊缝成形好主要是由于MAG焊与CO2焊气体保护介质的差异，改变了电弧的能量密度及电弧形态和熔滴过渡形式。混合气体（80%Ar+20%CO2）与纯CO2气体相比电弧的电场强度较低，燃弧时电弧的弧根扩展，克服了纯CO2焊由CO2气体本身物理性质而引起的弧柱及电弧斑点强烈收缩的缺点，同时熔滴的轴向力增强，电弧对熔滴的排斥作用减弱，是MAG焊达到稳定射流过渡的临界电流值比纯CO2焊低的多。在生产中多采用中规范，此时MAG焊的熔滴过渡形式为射流过渡（熔滴过渡形式类似于纯氩，CO2焊为大滴排斥过渡），熔滴细小，过渡频率增加，因而焊缝成形良好，焊接飞溅小。其次，混合气体保护焊由于CO2含量的减少，电弧气氛的氧化性减弱，减少了由于冶金反应生成CO所引起的飞溅。

四、应用

在北京奥运鸟巢工程的个别钢结构加工上采用了MAG焊，焊缝平滑美观，焊接飞溅小，飞溅粘附易清除。在鸟巢工程钢结构的预制现场，运用北京石油化工学院所研制的焊接机器人，焊接设备采用的二氧化碳工艺即为混合气体的焊接。采用前后双丝焊接，打底盖面同时完成，使焊接质量和产品外观都得到了显著提高，产品的焊接符合了该项焊接标准。

推广应用中应注意的问题如下：

1.在试用过程中，由于混合气体的瓶压一般为15Mpa左右，高于CO2气体瓶压，送丝管路高压部分及流量计高压部分应具有相应的耐压性，所以在以后大量使用时，须配置氩气减压阀。

2.MAG焊在试用过程中，采用中规范（I=280～400A，U=27～38V，气体流量Q=25L/min）焊缝成形良好，表面光滑。采用大规范（I=400～500A ，U=38～48V，气体流量Q=30L/min）焊缝中容易出现气孔，目前MAG焊大电流区出现气孔机理还没有定论。MAG焊采用实心焊丝在大规范下焊接容易产生气孔，并不是因为保护不好和脱氧不够而引起的，主要是因为电流增大使熔滴变细，比表面积增大，熔滴吸收的气体较多，并且在结晶过程中熔池金属的粘度不断增大，残留在熔池金属中的气体不能够完全逸出，所以容易形成气孔。这就是MAG焊的“大电流区”。推荐MAG焊φ1.6实心焊丝应用的最佳规范是：I=280～390A，U=27～38V，气体流量Q=25L/min，焊丝干伸长15～20mm。

3.就同样的焊接电流而言，与CO2气体保护焊相比，MAG焊时，电弧稳定燃烧所需要的电压应略低1～3V，焊丝干伸长度也要小一些，一般为15～20mm左右。

4.在焊接过程中，MAG焊焊枪的受热程度比纯CO2气体保护焊略严重。这是因为富氩混合气体热容量变小，使混合气体升温较高，但更重要的是由于Ar是惰性气体，因而使电弧热量不易散发，这样一方面提高了电弧的热效率，加速焊丝熔化，另一方面却增加了喷嘴的受热程度。

5.MAG焊混合气体中对水分含量要求比较严格，要求气体露点低于—40℃（注：露点—40℃即气体中水分含量为重量的0.0066%）。

五、结论

采用MAG焊新工艺，可以使产品的实物质量明显提高，产品的竞争力大大增强。对于焊接低碳钢、低合金钢虽然成本较高，但在实际生产中，由于焊接速度得到了提高，飞溅明显减少，焊丝消耗量和焊接辅助工作也相应的减少，工人清理工件所需的时间被缩短，可使焊接费用得到额外的降低。整个焊接过程稳定，熔滴呈射流过渡。此外，还可降低对氢气孔的敏感性，改善焊缝截面形状，焊缝表面成形美观，保证了焊接质量，所以有很高的应用价值。另外混合气体保护焊工艺性良好，在我国逐步普及气体保护焊的前提下，也比较容易推广这种工艺。