大電流MAG 焊焊接技術研究

覃流強，幸華坤，鄧宏宇，韓 權

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

熔敷速度決定了焊接的效率，高熔敷速度一直是工程機械焊接研究的熱點之一。在保證焊接質量的前提下，提升熔敷速度，進而減少焊接作業(yè)時間，可大幅降低工程機械結構件的制造成本，提升產品的市場競爭力。

工程機械結構件廣泛采用實芯焊絲MAG 焊，傳統(tǒng)的實芯單絲MAG 焊受限于焊接設備，焊接電流無法進一步提升，限制了熔敷速度的提升。隨著焊接電源設備技術的發(fā)展，出現(xiàn)了大容量并聯(lián)焊接電源，可輸出大電流以及高負載電壓，進一步提升了可施焊的焊接電流和電壓。配合精密波形控制以及高速送絲系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定的大電流焊接。因此，研究大電流MAG焊的工藝參數(shù)和焊接接頭質量，并與常規(guī)工藝參數(shù)焊接接頭質量對比，分析大電流MAG 焊焊接工藝性可行性，并確定大電流MAG 焊的最優(yōu)工藝參數(shù)，從而提升焊接熔敷速度以及焊接效率，降低工程機械產品的制造成本。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

試驗工件母材為SS400-W，性能與GB/T 700-2006《碳素結構鋼》標準中的Q235 鋼接近。試驗選用φ1.4 mm、φ1.6 mm 兩種規(guī)格的JM-58（ER50-G）焊絲，常規(guī)工藝選用φ1.6 mm 的JM-58 焊絲。

1.2 焊接工藝

試驗采用熔化極活性氣體保護焊方法，保護氣體為80%Ar+20%CO2。焊接位置選取對接焊縫水平位置焊，對接焊縫坡口為45°V 形坡口，根部帶墊板，如圖1 所示。大電流MAG 焊每種規(guī)格焊絲分別選用兩組不同的焊接參數(shù)進行焊接，焊接電流范圍為400A～580A。根據焊接熱輸入公式E = UIη0/V[1]，計算各道焊縫的熱輸入。具體參數(shù)和熱輸入大小見表1。

表1 焊接參數(shù)和熱輸入

圖1 對接焊縫形式

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫外觀及飛濺

大電流MAG 焊的4 件焊接試板焊縫勻直，焊縫與母材過渡平滑，無卷邊、咬邊等缺陷，符合我公司焊縫外觀檢驗要求，與常規(guī)工藝焊接試板無明顯差異。

相比常規(guī)工藝5#試板，大電流MAG 焊焊接試板飛濺更少，可減少焊接飛濺清理時間，有利于提高結構件制造效率。

2.2 無損探傷

對5 件焊接試板對接焊縫進行超聲波探傷，均符合《GB/T 11345-2013 鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷》標準要求。對焊接試板端頭進行磁粉探傷，收弧弧坑處未發(fā)現(xiàn)裂紋，均符合《JB/T 6061-2007 無損檢測 焊縫磁粉檢測》標準要求。

2.3 焊縫接頭金相組織

常規(guī)工藝的5#試板焊縫接頭母材區(qū)、正火區(qū)、過熱區(qū)組織均為鐵素體+珠光體，如圖2 所示。焊縫區(qū)組織呈柱狀晶分布，晶界處為粗針狀、塊狀先共析鐵素體，晶內為針狀鐵素體和珠光體，呈魏氏組織分布。焊縫熱影響區(qū)和焊縫區(qū)均未出現(xiàn)貝氏體、馬氏體等淬硬組織。

圖2 5#試樣各區(qū)域金相組織

采用大電流MAG 焊的四組試板焊接接頭各區(qū)域組織無明顯區(qū)別，以焊接電流以及熱輸入最大的4#試板為例，焊接接頭各區(qū)域金相組織如圖3 所示。母材區(qū)組織為塊狀鐵素體+珠光體，為SS400 板材的正常狀態(tài)。正火區(qū)組織為均勻分布的鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒較細。過熱區(qū)組織為塊狀鐵素體+珠光體，熔合線附近組織為條狀、塊狀鐵素體+珠光體，晶粒相對略大一些。焊縫區(qū)組織為針狀、塊狀先共析鐵素體，晶內為針狀鐵素體和珠光體，呈魏氏組織分布。大電流MAG 焊焊縫區(qū)組織中，對焊縫韌性有益的針狀鐵素體未完成長大，對焊縫區(qū)的沖擊性能有重要作用。

圖3 4#試樣各區(qū)域金相組織

從焊縫接頭組織構成看，焊縫接頭各區(qū)域未出現(xiàn)貝氏體、馬氏體等淬硬組織。這是因為焊接線能量較大，焊接接頭冷卻速度適中，避免出現(xiàn)焊縫金屬中形成又硬又脆的馬氏體組織，降低焊縫的淬硬傾向[2]。同時，母材SS400-W 為低碳鋼，含碳量≤0.20%，焊接性能良好，焊縫淬硬傾向很小。

從晶粒大小看，熔合線附近部分細針狀鐵素體在熱影響下轉變?yōu)閴K狀鐵素體，熱影響區(qū)晶粒有一定長大，但未出現(xiàn)明顯組織粗大現(xiàn)象。這與試驗所用的JM-58 焊絲有關，JM-58 焊絲中添加了少量Ti 元素，焊接過程中形成有益夾雜物TiO，能誘導一次晶內鐵素體形核、長大，并促進二次晶內鐵素體形核、長大，使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒細化，避免組織過于粗大[3]。

2.4 硬度試驗結果

對焊接電流和熱輸入較大的2#、4# 試板進行焊接接頭的硬度試驗，檢測蓋面層附近的焊縫硬度，并與常規(guī)工藝的5#試板進行對比分析，結果如圖4 所示。

圖4 2#、4#、5#試板焊縫接頭硬度分布

大電流MAG 焊2#、4#試樣焊縫區(qū)硬度均值分別為195HV10、214HV10，5#常規(guī)工藝試板焊縫區(qū)硬度為177HV10，大電流MAG 焊試板焊縫區(qū)硬度相對略高一些（表2）。大電流MAG 焊2#、4#試板的焊接速度較快，高溫停留時間較短，冷卻速度快，鐵素體不能充分析出，焊縫中珠光體比例相對較高，導致蓋面層焊縫硬度相對較高。

表2 2#、4#、5#試板焊縫接頭硬度統(tǒng)計HV10

三種焊接接頭熱影響區(qū)硬度均介于焊縫區(qū)和母材區(qū)之間，硬度較低，未出現(xiàn)明顯的淬硬現(xiàn)象。

綜合來看，大電流MAG 焊和常規(guī)工藝焊接試板焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度均遠低于380HV10 的要求，焊接接頭硬度處于較低的水平。

2.5 橫向拉伸試驗結果

從本試驗5 件試板分別截取并制作焊縫接頭橫向拉伸試樣，按《GBT 19869.1-2005 鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》進行拉伸試驗，試驗結果見表3。

表3 焊縫接頭橫向拉伸結果

1#～4# 大電流MAG 焊試樣焊縫接頭抗拉強度均大于400 MPa，大于母材SS400-W 抗拉強度的下限值，符合《GB/T 19869.1 鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》要求。試驗采用高強匹配，橫向拉伸試樣斷裂部位均為母材區(qū)，符合工藝要求。從試驗數(shù)據看，大電流MAG 焊試樣與常規(guī)工藝試樣抗拉強度無明顯差異。

2.6 彎曲試驗結果

分別從各試板截取彎曲試樣，按《GBT 19869.1-2005 鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》進行彎曲試驗。5 組試樣均未出現(xiàn)裂紋欠缺，彎曲性能符合要求，與JM-58 常規(guī)工藝試樣無明顯差異。從試驗數(shù)據看，大電流MAG 焊焊接接頭對彎曲性能無明顯影響。

2.7 沖擊試驗結果

分別從各試板焊縫區(qū)、焊縫熱影響區(qū)截取沖擊試樣，按《GBT 19869.1-2005 鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》進行常溫下沖擊試驗。試驗結果顯示，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)試樣沖擊吸收功單值均大于18.9J，符合焊接工藝評定試驗要求。1#～5#試板焊縫區(qū)沖擊吸收功均值分別為96J、78J、62J、91J、75J，均符合≥27J 標準要求；1#～5# 試板焊縫熱影響區(qū)沖擊吸收功均值分別為129J、118J、131J、135J、124J，均符合≥27J標準要求。

試板各道焊縫熱輸入大小（表1），其中3#和4#試板蓋面層的熱輸入達到48 kJ/cm，而5#常規(guī)工藝試板蓋面層熱輸入為39 kJ/cm，3#和4# 試板蓋面層的熱輸入比5#常規(guī)工藝試板提高了23%。從試驗結果看，各試板沖擊吸收功數(shù)據無明顯差異。查閱相關文獻，在一定范圍內，熱輸入對低碳鋼焊接接頭性能影響大不[4]。結合試驗數(shù)據，在本試驗條件下熱輸入對SS400-W 板材焊接接頭沖擊性能影響不顯著。

2.8 熔敷速度

熔敷速度是影響焊接效率的關鍵因素，在滿足焊接質量前提下，提升熔敷速度可以提升工程機械結構件的焊接效率。對各試板熔敷速度進行測算，結果見表4。采用φ1.6 mm 焊絲的1#、2#試板的熔敷速度比常規(guī)工藝的5# 試板熔敷速度分別提升20.1%、32.1%，采用φ1.4 mm 焊絲的4#試板的熔敷速度達到了10.14 kg/h，比常規(guī)工藝5#試板熔敷速度提升了42.2%。主要是因為φ1.4 mm 焊絲大電流MAG 焊在提高焊接速度的同時，大幅提升了送絲速度，達17.5 m/min，從而實現(xiàn)高熔敷速度，提高焊接效率。

表4 熔敷速度對比分析

從試驗數(shù)據可以看出，焊絲直徑也對大電流MAG 焊的熔敷速度產生影響。最大焊接電流均為580 A 時，φ1.4 mm 焊絲大電流MAG 焊的熔敷速度更高，其熔敷速度相比φ1.6 mm 焊絲大電流MAG 焊提升7.6%。

3 結論

通過對不同工藝參數(shù)的大電流MAG 焊接進行試驗，研究SS400-W 母材大電流MAG 焊焊縫接頭的組織與性能，確定可用于實際生產的大電流MAG 焊接工藝參數(shù)，對于提升工程機械結構件焊接效率有重要的作用。

（1）采用基于大容量并聯(lián)焊接電源以及高速送絲系統(tǒng)的大電流MAG 焊，使用SS400-W 母材和JM-58焊絲，最大焊接電流為550A 及580A 時，試板焊縫外觀、焊縫接頭超聲波探傷、磁粉探傷、抗拉強度、彎曲性能、沖擊性能均符合我公司質量要求。

（2）大電流MAG 焊焊縫熱影響區(qū)和焊縫區(qū)均未出現(xiàn)貝氏體、馬氏體等淬硬組織，未發(fā)現(xiàn)嚴重的晶粒粗大現(xiàn)象。焊接接頭熱影響區(qū)硬度較低，未出現(xiàn)明顯的淬硬現(xiàn)象。

（3）在大電流MAG 焊最大熱輸入比常規(guī)工藝提高23%的情況下，焊接接頭機械性能未出現(xiàn)明顯差異。

（4）不同的焊絲直徑對大電流MAG 焊的熔敷速度影響較大，最大焊接電流均為580A 時，φ1.4 mm 焊絲大電流MAG 焊可獲得更高的熔敷速度，其熔敷速度相比φ1.6 mm 焊絲大電流MAG 焊提升7.6%。

（5）最大焊接電流為580 A 的φ1.4 mm 焊絲大電流MAG 焊，在保證焊縫接頭質量的同時，熔敷速度相比常規(guī)工藝φ1.6 mm 焊絲提升42.2%，可顯著提升工程機械結構件的焊接效率。