CN108581142A

CN108581142A - 一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺

Info

Publication number: CN108581142A
Application number: CN201810442713.1A
Authority: CN
Inventors: 陈茂爱; 王晓涛
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: CN108581142B

Abstract

本发明涉及一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，属于熔化极气体保护焊领域。包括：1）对工件待焊区域进行打磨除锈；2）将两块步骤1）中处理后的工件装夹在能够匀速移动的工作台上，且工件无需开坡口；3）将前焊枪和后焊枪沿焊接方向纵列固定在步骤2）中工件待焊区域上部，进行超高速平板对接焊；本发明通过较小的后丝脉冲电流调控前丝大电流熔池，改善了高速焊接过程中熔池的液态金属流动过程以及热量分布，促进了液态金属对焊道的填充过程，有效防止了单丝焊容易产生的咬边和驼峰缺陷，在高达3.4m/min的焊速下实现了对薄板低碳钢的超高速和高质量焊接，有效提高了焊接速度和生产效率，显著降低了焊接生产成本。

Description

一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺

技术领域

本发明属于熔化极气体保护焊领域，具体涉及一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺。

背景技术

熔化极气体保护焊，即GMAW(Gas Metal Arc Welding)，凭借其焊接生产率高、接头力学性能好、易于实现自动化以及焊接成本较低等优点，目前已广泛用于压力容器制造、造船、钢结构制造等领域。然而随着现代工业体系的不断发展和进步，尤其是工业4.0概念的提出，对于焊接生产率的要求越来越高，传统的单丝GMAW在焊接速度以及熔敷速率等方面日渐不能满足现代工业体系的要求。其主要是在进一步提高焊接速度以提高焊接生产效率时，传统的GMAW必须大幅度增大焊接电流，而这往往会导致咬边、驼峰等焊缝成形缺陷。这严重制约了GMAW生产率的提高和生产成本的降低。

为了打破GMAW焊接速度的提升瓶颈，国内外的学者从多个角度进行了相应的研究：1、采用特殊保护气体(T.I.M.E工艺)；2、将GMAW与其他焊接工艺相结合从而形成崭新的复合焊工艺(例如Laser-GMAW复合焊)；3、双丝GMAW(以Tandem P-GMAW为主)。其中T.I.M.E工艺通过采用特殊的四元保护气体(O₂、CO₂、He和Ar的体积分数分别为0.5％、8.0％、26.5％和65.0％)，使得单丝GMAW在采用400A以上的大电流进行焊接时，电弧与焊丝端部流束状液态金属之间的相对位置和形态都发生了改变，减弱了焊丝金属蒸发、汽化作用形成的反作用力，旋转射流过渡的驱动力减弱，焊丝端头细长铅笔尖状液柱的旋转速度减慢，实现了较为稳定的旋转射流过渡，焊接过程中的飞溅也大幅度减少，焊缝成形得到改善，从根本上解决了单丝直流模式GMAW焊接电流瓶颈问题。但由于该焊接工艺对于焊接过程所使用的焊接电源、送丝机构乃至所采用的焊丝都有较为严苛的要求，更重要的是其所采用的特殊四元保护气体中必须要有大量的氦气，而我国恰恰是一个氦气资源非常匮乏的国家。因此T.I.M.E并不能满足我国焊接制造业对于大幅度提高焊接生产效率和降低成本的要求。

Laser-GMAW复合焊是在传统的单丝GMAW焊接过程中加入一定功率的激光热源，利用激光可以吸引和约束电弧的特性，来提高GMAW电弧的稳定性。同时GMAW电弧对于母材的预热作用又可以有效促进母材对于激光的吸收，显著提高激光的能量利用率，在有效提高焊接速度和焊缝熔深的同时，降低了焊接变形和热影响区大小，进而细化了晶粒，改善了焊缝微观组织，提高了力学性能。但相对于常规电弧焊焊接方法而言，激光-GMAW复合焊的设备投入和焊接生产成本显著提高，无法满足我国大部分焊接生产企业对于提高焊接生产效率的同时维持较低生产成本的要求。

TandemP-GMAW，即为双脉冲模式GMAW，采用纵列分布的前后两根焊丝、两个电弧进行焊接，并在母材表面形成一个熔池，最终形成一条焊缝。通过选用合适的相位匹配关系以及丝极间距，焊接过程稳定、飞溅很小、线能量较低、焊后变形量也较小，可以在接近2m/min的高焊速下获得较好的焊缝成形。由于两个脉冲电弧要进行相位匹配，只能采取相同或基本相同的焊接电流，这使得两个电弧间的热量耦合和电弧力耦合难以达到最佳值，在进一步增大焊接速度时往往造成大量的飞溅，同时焊缝成形普遍较差，易导致咬边和驼峰缺陷。

专利申请201710083899.1公开了一种免清根的中厚板双丝双弧埋弧焊工艺，其采用直径为4mm两根焊丝；前丝前倾10～15°，采用860～910A的直流，电弧电压为33～35V；后丝后倾10～15°，采用340～360A的交流，电弧电压为39～41V；干伸长度为35～40mm，采用50～60cm/min的速度，焊接板厚为20～40mm的角焊缝。但在保证焊接质量的情况下该焊接工艺的焊接速率较低

综上，现有的熔化极气体保护焊工艺仍然无法满足我国焊接制造业对于大幅度提高焊接生产效率和降低成本的要求；因此，有必要研究一种能够实现对低碳钢进行超高速、高质量焊接的工艺。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺。本发明将直流GMAW与脉冲GMAW相结合，以直流GMAW为主、脉冲GMAW为辅，通过较小的后丝脉冲电流调控前丝大电流熔池，改善了高速焊接过程中熔池的液态金属流动过程以及热量分布，促进了液态金属对焊道的填充过程，有效防止了单丝焊容易产生的咬边和驼峰缺陷，在高达3.4m/min的焊速下实现了对薄板低碳钢的超高速和高质量焊接。

本发明的目的之一是提供一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺。

本发明的目的之二是提供用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺的应用。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：工件无需开坡口，对接边缘与工件表面保持垂直；对工件待焊区域进行打磨除锈；

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够匀速移动的任何合适的焊接工作台上，无需使用衬垫；用普通CO₂气体保护焊进行定位焊；

(3)施焊：将前焊枪和后焊枪按照图1方式沿焊接方向前后纵列布置在步骤(2)中的工件待焊区域上部，进行超高速平板对接焊。

步骤(1)中，所述工件的板厚为1.5～3mm。

步骤(1)中，所述打磨宽度不低于20mm。

步骤(2)中，所述工件之间的间隙为0.5～1mm。

步骤(2)中，所述工作台的移动速度为0.5～4m/min。

步骤(3)中，所述焊枪的喷嘴与工件的垂直距离均为14～16mm。

步骤(3)中，所述焊枪的两焊丝延伸至工件表面的丝极间距为10～12mm。

步骤(3)中，所述焊接采用数字式脉冲MIG/MAG焊机，焊丝均采用的H08Mn2Si盘状实芯焊丝，两焊枪的保护气为82％Ar+18％CO₂，氩气纯度为99.999％，气体流量为25L/min。

优选的，步骤(3)中，所述前焊枪的焊丝前倾角α为5～8°，后焊枪的焊丝后倾角β为7～10°。

优选的，步骤(3)中，所述前焊枪的焊丝采用直流电流，电流(I_L)为260～370A，电弧电压为30～32V。

优选的，步骤(3)中，后焊枪的焊丝采用脉冲电流；后丝平均电流(I_R)为I_R＝(0.45～0.54)×I_L，脉冲峰值电流为550A，焊接速度为2.0～3.4m/min(优选为3.0～3.4m/min)；脉冲频率90～146Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为50～65A，电弧电压为26～28V。

其次，本发明还公开了一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺在船舶、容器及钢结构等制造中的应用。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

(1)本发明将直流GMAW与脉冲GMAW相结合，以直流GMAW为主、脉冲GMAW为辅，通过较小的后丝脉冲电流调控前丝大电流熔池，改善了高速焊接过程中熔池的液态金属流动过程以及热量分布，促进了液态金属对焊道的填充过程，有效防止了单丝焊容易产生的咬边和驼峰缺陷，在高达3.4m/min的焊速下实现了对低碳钢薄板的超高速和高质量焊接，有效提高了焊接速度和焊接生产效率，显著降低了焊接生产成本。

(2)本发明的焊机工艺参数调节方便，适应性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的焊枪布置示意图。

图2为本发明实施例1焊接的焊缝形貌。

图3为本发明对比例1焊接的焊缝形貌。

图4为本发明对比例2焊接的焊缝形貌。

图5为本发明实施例2中焊接熔池流动情况。

图6为本发明对比例3中焊接熔池流动情况。

附图中标记分别代表：α-前倾角、β-后倾角、h-焊枪的喷嘴与工件的垂直距离、d-两焊丝延伸至工件表面的丝极间距。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的熔化极气体保护焊工艺仍然无法满足我国焊接制造业对于大幅度提高焊接生产效率和降低成本的要求，因此，本发明提出了一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：以2mm厚的Q235为焊接工件。工件无需开坡口，对接边缘与工件表面保持垂直；对工件的待焊区域打磨除锈，打磨宽度不低于20mm；

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.5～4.0m/min之间的任一速度下匀速移动工件的工作台上，无需使用衬垫；工件之间的间隙为0.8mm；用普通CO₂气体保护焊进行定位焊；

(3)施焊：将前焊枪和后焊枪沿焊接方向前后纵列固定在步骤(2)中的工件待焊区域上部，焊枪的喷嘴与工件的垂直距离均为15mm，两焊丝延伸至工件表面的丝极间距为12mm。

(4)焊接：采用逆变式MIG/MAG焊机进行超高速平板对接焊，前后焊丝均采用的H08Mn2Si盘状实芯焊丝，焊接速度为3.4m/min；前后丝保护均气为氩气与二氧化碳的混合保护气体(82％Ar+18％CO₂)，氩气纯度为99.999％，气体流量为25L/min。

前丝倾角α为7°，焊接电流(I_L)为370A、电弧电压为32V；后丝倾角β为9°，平均电流(I_R)为200A，脉冲峰值电流为550A，脉冲频率146Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为65A，电弧电压为28V。

利用本实施例工艺焊接的工件焊缝成形良好，没有驼峰和咬边缺陷，结果如图2所示。

对比例1

利用现有的双丝Tandem P-GMAW工艺焊接Q235钢，步骤如下：

(1)焊前预处理：同实施例1；

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中的工件装夹在能够在0.5-4.0m/min之间的任一速度下匀速移动工件的工作台上，用普通CO₂气体保护焊进行定位焊，但无需使用衬垫。将Tandem P-GMAW焊的双丝焊枪垂直于工件安装，喷嘴至工件的距离均为15mm，丝极间距为12mm，两焊丝之间的夹角为8°；

(3)施焊：前后丝焊丝均采用的H08Mn2Si盘状实芯焊丝，焊接速度为3.4m/min；前后丝保护气系统中保护气均为氩气与二氧化碳的混合保护气体(82％Ar+18％CO₂)，氩气纯度为99.999％，气体流量为25L/min。

前丝和后丝均采用脉冲电流，两个脉冲电流之间的相位差为最佳相位差180°。由于进行了相位控制，两焊丝的电流波形只能采用相同的波形，平均电流均为285A，脉冲峰值电流为550A，脉冲频率175Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为85A，电弧电压为30V。

利用本实施例工艺焊接的工件焊缝有明显的驼峰和咬边缺陷，结果如图3所示。

对比例2

步骤(1)-(3)同实施例1，区别在于：步骤(4)中后丝的平均电流(I_R)为I_R＝140A，脉冲峰值电流为550A，脉冲频率88Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为40A，电弧电压为28V。

利用本实施例工艺焊接的工件焊缝尽管没有形成明显的驼峰，但有焊道高度和宽度不均匀且有咬边缺陷，结果如图4所示。

实施例2

以2mm厚的Q235为焊接工件，采用与实施例1相同的焊接工艺及参数测试工件焊接过程中熔池的流动情况，结果如图5所示；可以看出：前丝电弧下面的熔池部位形成了一个较浅的凹陷，液态金属向后流动，但在后丝电弧向前的吹力作用下，液态金属后向流速有所降低，两焊丝之间液态金属聚集量有所增多但并没有形成明显的液态局部隆起，而熔池尾部区域的液态金属分布均匀，流动性良好，没有熔池前部显著凹陷、液态薄层和液态隆起的出现。这是由于电流较小的后丝电弧在对熔池前部的高速后向液体流施加一定的阻碍作用的同时，自身电弧吹力不足以引起新的高速后向液体流，但又对熔池尾部区域有一定的加热保温作用，因此熔池尾部液态金属流速较低，分布均匀，流动性较好，熔池流动过程非常稳定，焊缝成形良好。

对比例3

以2mm厚的Q235为焊接工件，采用与对比例1相同的焊接工艺及参数测试工件焊接过程中熔池的流动情况，结果如图6所示；可以看出两焊丝之间的熔池内始终存在一个明显的液态局部隆起，并逐渐在熔池尾部大量聚集形成了一个长坡状液态隆起，如图5中的1120ms图片所示。后丝电弧后方的熔池凹陷被拉长成为一个细条状熔池区域如1308ms图片所示。随着焊接热源的不断远离，该细条状熔池的尾部(即为液态薄层)发生提前凝固，如1518ms图片所示。提前凝固的薄层阻断了熔池前部分的液态金属后向流动，使得液态金属在已凝固的液态薄层前方不断堆积，开始形成一个新的长坡状液态隆起，如1746.8ms图片所示。上述过程周期性地发生，即使得焊缝成形中出现了具有一定驼峰趋势的焊缝成形，如图3所示。

实施例3

一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：以1.5mm厚的Q235为焊接工件。工件无需开坡口，对接边缘与工件表面保持垂直；对工件的待焊区域打磨除锈，打磨宽度不低于20mm。

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.5～4.0m/min之间的任一速度下匀速移动的工作台上，工件之间的间隙为0.5mm；无需使用衬垫；用普通CO₂气体保护焊进行定位焊；

(3)施焊：将前焊枪和后焊枪沿焊接方向纵列固定在步骤(2)中的工件待焊区域上部，焊枪的喷嘴与工件的垂直距离均为14mm，焊枪的两焊丝延伸至工件表面的丝极间距为10mm。

(4)焊接：采用逆变式MIG/MAG焊机进行超高速平板对接焊，前后丝焊丝均采用的H08Mn2Si盘状实芯焊丝，焊接速度为3.4m/min；前后丝保护气系统中保护气为氩气与二氧化碳的混合保护气体(82％Ar+18％CO₂)，氩气纯度为99.999％，气体流量为25L/min。

前丝倾角α为5°，焊接电流(I_L)为260A、电弧电压为30V；后丝倾角β为7°，平均电流(I_R)为143A，脉冲峰值电流为550A，脉冲频率90Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为50A，电弧电压为26V。

实施例4

一种用于薄板低碳钢的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，包括如下步骤：

(1)焊前预处理：以3mm厚的Q235为焊接工件。工件无需开坡口，对接边缘与工件表面保持垂直；对工件的待焊区域打磨除锈，打磨宽度不低于20mm；

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够在0.5-4.0m/min之间的任一速度下匀速移动的工作台上，工件之间的间隙为1.0mm；无需使用衬垫；用普通CO₂气体保护焊进行定位焊；

(3)施焊：将前焊枪和后焊枪沿焊接方向并列固定在步骤(2)中的工件待焊区域上部，焊枪的喷嘴与工件的垂直距离均为16mm，焊枪的两焊丝延伸至工件表面的丝极间距为12mm。

(4)焊接：采用逆变式MIG/MAG焊机进行超高速平板对接焊，前后丝焊丝均采用的H08Mn2Si盘状实芯焊丝，焊接速度为2.0m/min；前后丝保护气系统中保护气为氩气与二氧化碳的混合保护气体(82％Ar+18％CO₂)，氩气纯度为99.999％，气体流量为25L/min。

前丝倾角α为8°，焊接电流(I_L)为370A、电弧电压为32V；后丝倾角β为10°，平均电流(I_R)为166A，脉冲峰值电流为550A，脉冲频率106Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为55A，电弧电压为28V。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于低碳钢薄板焊接的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：包括如下步骤：

(1)焊前预处理：无需开坡口，对接面与工件表面保持垂直；对工件待焊区域进行打磨除锈；

(2)工件装夹：将两块步骤(1)中处理后的工件装夹在能够匀速移动工件或焊枪的焊接工作台上，且无需使用衬垫；

(3)施焊：将前焊枪和后焊枪沿焊接方向并列固定在步骤(2)中的工件待焊区域上部，进行超高速平板对接焊；

步骤(1)中，所述工件的板厚为1.5～3mm；步骤(3)中，所述前焊枪的焊丝采用直流电流I_L，后焊枪的焊丝采用脉冲电流；后丝平均电流I_R为(0.45～0.55)×I_L。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤(2)中，所述工件之间的间隙为0.5～1mm；所述工作台的移动速度为0.5～4m/min。

3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述焊枪的喷嘴与工件的垂直距离均为14～16mm。

4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述焊枪的两焊丝延伸至工件表面的丝极间距为10～12mm。

5.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述焊接的焊丝均采用的H08Mn2Si盘状实芯焊丝，两焊枪的保护气为82％Ar+18％CO₂，氩气纯度为99.999％，气体流量为25L/min。

6.如权利要求1～5任一项所述的工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述前焊枪的焊丝前倾角α为5～8°，后焊枪的焊丝后倾角β为7～10°。

7.如权利要求1～5任一项所述的工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述前焊枪的焊丝采用的直流电流I_L为260～370A，优选的，电弧电压为30～32V。

8.如权利要求1～5任一项所述的工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述后丝平均电流I_R为(0.45～0.55)×I_L，脉冲峰值电流为550A，脉冲频率90～146Hz，脉冲峰值阶段持续时间2.5ms，脉冲基值电流为50～65A，电弧电压为26～28V。

9.如权利要求1～5任一项所述的工艺，其特征在于：所述焊接速度为2.0～3.4m/min，优选为3.0～3.4m/min。

10.如权利要求1～9任一项所述的用于薄板低碳钢的超高速双丝共熔池熔化极气体保护焊工艺在船舶、容器及钢结构等制造中的应用。