tig-mag双电弧复合焊与单mag焊接成形对比.doc

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1、 摘要近些年来随着我国焊接技术发展迅速，对工业制造的要求也越来越高。因此有着高效率和高质量的TIG-MAG双电弧复合焊接工艺也被更多焊接工作者重视。本课题研究单MAG电弧焊与TIG-MAG双电弧焊的焊缝成形不同，通过单MAG焊、TIG-MAG焊、MAG-TIG焊三种焊接方式的成形样貌对比得出结论。试验结果表明：MAG-TIG双电弧复合焊焊接相比单MAG电弧焊焊接低合金高强钢Q345-B，焊缝余高从2.5 mm增大到2.67 mm，焊缝熔宽从4.33 mm增宽到4.67 mm；TIG-MAG双电弧复合焊相比单MAG电弧焊焊接低合金钢Q345-B，焊缝余高从2.5 mm增大到2.83 mm，焊缝熔

2、宽从4.33 mm增宽到6.17 mm；TIG-MAG双电弧复合焊焊相比MAG-TIG双电弧复合焊焊接低合金高强钢Q345-B，焊缝余高从2.67 mm增大到2.83 mm，焊缝熔宽从4.67 mm增宽到6.17 mm。关键词：MAG-TIG复合焊 单MAG焊 焊接成形 AbstractIn recent years, with the rapid development of welding technology in China, the requirements for industrial manufacturing are becoming higher and higher. Th

3、erefore, TIG -MAG hybrid welding technology with high efficiency and high quality has been paid more attention by welding workers. In this study, the welding seam forming of single MAG arc welding is different from that of TIG-MAG double arc welding. A conclusion is drawn by comparing the forming ap

4、pearance of three welding methods: Single MAG welding, TIG-MAG welding and MAG-TIG welding. The test results show that compared with the Single MAG arc welding of low alloy and high strength steel Q345B, the residual weld height increases from 2.5 mm to 2.67 mm, and the weld weld width increases fro

5、m 4.33 mm to 4.67 mm. Compared with the Single-MAG arc welding of low-alloy high-strength steel Q345B, TIG-MAG dual-arc composite welding increased the residual weld height from 2.5 mm to 2.83 mm and the weld weld width from 4.33 mm to 6.17 mm. Compared with MAG-TIG dual-arc composite welding for lo

6、w-alloy high-strength steel Q345B, the residual weld height increased from 2.67 mm to 2.83 mm, and the weld weld width increased from 4.67 mm to 6.17 mm. Key words: TIG -MAG hybrid welding Single MAG welding welding formation第一章 绪论1.1课题的背景及意义随着航天航空、交通运输、海军制造等工业的快速发展，其外形尺寸、重量结构、质量要求也不断提高，焊接工作量逐步上升，优质

7、高效焊接技术已经成为焊接工作者的研究对象，经数据统计，我国焊接工作量已经处于世界强国水平1。为了提高焊接生产效率，有焊接方面的学者将双弧焊应用于中厚板的实际生产2。双电弧复合焊由两种焊接共同并列焊接完成，生产效率大大提升。并且运用两种电弧的作用可以有效降低焊前预热温度，甚至可以实现高强度焊前不预热3。因为焊前预热要求也很高4，焊前预热有一定程度会导致焊接环境产生变化，影响焊缝质量和工厂生产效率，因此双弧焊有避免焊前预热的优势，提高了生产质量和工作效率。如今，常用的中厚板焊接方法有TIG电弧填丝焊和有着辅助措施的熔化极气体保护焊MAG。TIG电弧填丝焊接过程较为稳定，但是因为熔化能力不足的原因，

8、焊接速度也不快，导致焊接效率偏低。为了大大提高焊接生产过程的工作效率，以及提高焊缝焊接质量，使用更高效率和更高质量的TIG-MAG双电弧复合焊接工艺方法对其进行焊接，从而解决焊道不美观，焊接速度不快，焊接效率低，焊接质量低等问题5。双电弧焊作为结合传统弧焊和复合热源工艺技术结合的新型焊接方法，深受焊接工作者的重视，它是采用两个热源工作，所以相对于单电弧而言它的参数可调范围有很大幅度增大，改善了单电弧焊接时根部熔透难控制等问题6。TIG-MAG双电弧复合焊接继承了TIG焊质量高、焊缝稳定的优点，还具备熔深大、焊缝成形好、飞溅少、节省工序等优势。目前双电弧焊焊接工艺已有初步研究，本文对TIG-MA

9、G双电弧焊接与单MAG电弧焊焊缝成形的对比进行试验与研究，焊接试验完成后，需将焊缝切割，打磨试块，观察试验后焊缝的余高、熔宽和熔深，以得到哪一种焊接方法焊缝成形最优。1.2课题的研究现状及发展趋势双弧焊既能提高生产效率还能很有效防止焊后变形，熔池稳定焊缝成形良好7。还有焊接工作者分析分析了双电弧焊接与单MAG电弧焊接焊缝成形，分析结果表明双弧焊能有效降低热输入，并且在很高焊速下依然可以形成良好无瑕疵的焊缝，且焊后焊缝的熔深比单弧焊焊缝熔深更大8。海外学者研究双电弧焊碳钢焊接工艺，有了TIG电弧的并列焊接改变了单电弧的热输入效率，在两个电弧之间存在稳定的电弧，在单电弧的基础上引入TIG电弧能更好

10、在焊接过程中产生稳定且均匀向前上方运动的熔池，从而获得更好成形的焊缝9。秦国梁等人10,研究了复合对接和堆焊工艺，焊速为3.5 m/min的状态下依然可以形成良好的焊缝。另外还有学者通过研究双面双弧焊缝成形，实现了双弧焊焊接厚板不需要清根，节省了工序，提升了整个焊接效率11。TIG-MAG双电弧焊运用TIG焊进行打底随后进行MAG焊盖面，这样的焊接方法使得盖面更容易成形优良焊缝。TIG-MAG双电弧复合焊接是一种很大程度提高生产效率、改善焊接低质量的焊接方法。而且TIG-MAG双电弧复合焊接可以将两个电弧优势克服各自不足之处，既存在着MAG焊接的高效率，又有着TIG焊接的高焊缝质量12。近些年

11、常用的手工钨极氩弧焊(TIG)就存在焊接效率低的问题，二氧化碳气体保护焊也有焊接接头质量问题。所以实现焊接效率高且焊接接头质量也不低的焊接方法就是进行双电弧复合焊接，通过对比研究单MAG电弧与双电弧TIG-MAG双电弧焊缝成形，选择一个更好的焊接方式以解决实际生活中的问题，让TIG-MAG双电弧焊朝着实用化及高效的的方向发展。1.3 TIG-MAG双电弧复合焊接的原理及特点TIG-MAG双电弧焊是将TIG电弧焊与MAG电弧焊并列焊接，结合传统弧焊和复合热源工艺技术结合的新型焊接方法，如图1.1为TIG-MAG双电弧复合焊的原理图。TIG-MAG复合焊接就是通过采用不同种类的电弧或热源相结合进行

12、焊接，由于双电弧焊增加了热源，提升了焊丝熔化效率和熔覆效率。有了TIG电弧的引入，能更好的维持MAG电弧稳定性，从而起到整个焊接过程一定保护作用13，并且可以有效地改善焊接过程让MAG电弧焊接处更好质量的焊缝。图1.1TIG-MAG双电弧复合焊原理图TIG-MAG双电弧焊接成本低，二氧化碳气体的价格相对便宜，并且二氧化碳气体保护焊所用到的焊丝价格廉价，焊接能量消耗也很低，焊缝成形稳定且无瑕疵质量高，因此降低了设备和生产成本。且MAG焊中二氧化碳气体能给焊缝形成保护层使得焊缝的抗热防锈抗蚀能力强，且二氧化碳对空气之中的油污不敏感，抗裂抗蚀性能好，因此 TIG-MAG双电弧焊焊缝质量好。TIG焊中

13、的氩气气体是一种无色惰性有机气体，在高温下热稳定性好。在这种高温下它既不可以溶于任何液态有机金属，也不会与其他金属起任何化学反应，被用于焊接的金属材料与焊缝中的其他合金金属元素很少发生燃烧现象，所以先用TIG焊接再用MAG焊接，能起到保护焊缝作用。采用二氧化碳气体保护电弧焊在采用复合焊接方式进行焊接时，焊接电流密度大，电弧焊内热量集中，熔透散热能力强，熔敷速度快，且焊后试件可以不需要进行清渣处理，因此焊接效率高14。双电弧TIG-MAG不仅适用于各种薄板焊接，同时它还可以直接应用于各种厚板的焊接;由于二氧化碳的气流不仅能有效起到保护的作用，还能很大程度上有效地防止薄壁构件产生烧穿的问题，还可以

14、降低薄壁焊件的焊接变形。1.4课题的主要研究工作观测双电弧焊接与单电弧焊焊接12 mm的Q345-B低合金高强钢焊缝成形的对比。还有其熔深、余高、焊接熔宽的研究，本课题的任务是：1）熟悉单MAG电弧与双电弧复合焊焊接技术的原理与特点；2）分析Q345-B低碳合金钢的焊接性；3）确定12 mm板厚Q345-B的单MAG电弧焊与双电弧复合焊接的焊接工艺参数范围；4）进行观测单MAG电弧焊与双电弧复合焊接成形形貌的对比，并记录金相试验结果；5）分析单MAG电弧焊与双电弧复合焊焊缝成形形貌及金相试验熔宽、余高、焊缝熔深等数据，得出单MAG电弧焊与双电弧复合焊成形规律。第二章 试验材料、设备及方法2.1

15、试验材料实验使用的Q345-B低合金结构钢，含碳量为0.20 %，抗拉强度等于470-630 MPa。Q345-B钢的合金含量较少，焊接性良好，焊接前一般不需要预热15。而且Q345-B钢还是目前我国应用最广的低合金钢。Q345-B低合金结构钢的母材显微组织如图2.1所示。其化学成分和力学性能如表2.1，表2.2所示。图2.1 母材Q345-B金相显微组织表2.2 Q345-B的化学成分牌号CSiMnPCrCuMoNiQ345-B0.200.501.700.0350.300.300.100.50表2.1 Q345-B的力学性能牌号公称厚度屈服强度抗拉强度拉伸试验冲击试验Q345-B12 mm3

16、45 Mpa470-630 Mpa20%34 JQ345-B是一种钢材的材料，它有很多特点比如，低温性能好，焊接性能好，综合性能好等。Q345-B广泛应用于大型建筑，应用领域广。Q345-B为低合金结构钢，质量等级为B级，有冲击试验要求，一般在热轧或正火状态下使用，其本身为非热处理用钢16，主要通过加入合金元素进行固溶强化和沉淀强化从而来提高强度，通常在厚度30 mm以下焊接不需要预热。这次实验所以这次我们选用的焊丝材料的牌号为CHW-50C6R，焊丝的直径为1.2 mm。根据GB/T17493-2008低合金钢药芯焊丝和GB/T47853-1999不锈钢药芯焊丝等中国药芯焊丝的国家标准。CH

17、W-50C6R二氧化碳气体保护焊焊丝的标准为NB/T 47018.3 ER50-6和GB/T8110 ER50-6。药芯焊丝与实芯焊丝的主要区别在于所用的焊丝构造不同，药芯焊丝是内部装有药芯或金属粉末混合物的一种焊丝，焊接时在电弧热的作用下，熔化状态的药芯、焊丝、母材和保护气体之间共同发生冶金作用，形成一层较薄的液态熔渣包并覆盖熔池，对熔化金属形成更深一层的保护17。保护气体的选用至关重要，保护气体可以保护焊接时焊缝表面不受环境空气的影响，同时带走部分焊接热量。焊接保护气可以在焊接时对焊缝进行一个保护作用可以尽可能阻隔外来杂质对焊缝的影响。焊接保护气也可以更好的使焊缝美观。本次的试验MAG焊使

18、用的保护气是二氧化碳气体，TIG焊使用的保护气体是氩气，两个气体的气体流量都选择10 L/min。MAG焊中二氧化碳气体充当的是电弧介质，同时起着保护焊接区域的作用。MAG焊接技术现在是目前我国焊接质量较好的技术之一，成本低且焊接成型的产品抗裂性能好，该焊接技术也在工业领域颇受欢迎。二氧化碳(CO2)气体保护焊的焊接方法效率高、质量好、适用范围广，而且CO2气体价格便宜所以在现实生产的应用中也越来越广泛。氩气(Ar)是目前在日常焊接中保护应用很广的气体。碳钢在没有活性气体氧时，熔池是相当的粘滞的，有了氩气的保护作用下，表面张力增大，有助于焊缝成形。氩气化学性能不活泼因此安全性非常的高，所以它通

19、常会被当作保护气体使用。试板用砂轮机把表面磨光滑，然后用锉刀把两侧磨得齐平，然后用小锉刀去除两面的毛刺和其他杂质，紧接着我们需要或者用丙酮用来擦干净试件表面的油污。先用角磨机适当擦除表面氧化膜，最后再用钢丝刷去除试件表面氧化膜。2.2试验设备TIG-MAG双电弧焊试验装置分为手工钨极氩弧焊和二氧化碳气体保护焊两个装置组成。试验设备如图2.2所示。TIG的钨极氩弧焊装置由焊接电源、焊接送丝系统、焊枪、水冷及供气系统等部分组合而成。钨极氩弧焊焊接系统的焊接电源型号为NB-400如图2.2(a)（引弧、稳弧隔直装置和控制系统与电源组为一体）。MAG的二氧化碳气体保护焊焊接系统包括焊接电源、送丝系统、

20、气路系统、氩气保护气体以及焊枪组成。二氧化碳气体保护焊的焊接焊机型号为WSM-400如图2.2(b)所示。 (a) TIG焊机 (b) MAG焊机图2.2试验设备2.3试验方法在此次焊接试验中，需要以下三种焊接方式来进行焊接成形的对比，本次试验一共是三组，试验是在打磨好的Q345-B钢板上进行堆焊研究。三种焊接方法分别是：1、进行单MAG电弧焊；2、先进行MAG-TIG双电弧焊的堆焊焊接方式；3、TIG-MAG双电弧焊的堆焊焊接方式，然后再进行三个方法的互相的对比试验来观测三种不同方式焊接出来的焊缝焊道的不同之处。即其他量都不变的前提下，然后对焊接的方向进行改变，从而可以看出在其他的参数都在不

21、变的情况下，三种不同方式的焊接方法对焊后成形形貌及其对应的力学性能的变化，最后在焊接完成后，检测焊缝的形貌、熔宽、熔深。改变焊接方向的焊接对比成形试验，我们选用了12 mm的Q345-B钢板进行堆焊，电流为180 A、电压为20 V，焊枪角度45。表 2.3 焊接参数试验参数MAG焊接TIG焊接焊接电流175 A120 A电弧电压20V11V保护气种类Ar(80%)+ CO2(20%)Ar(99.9%)焊后拿着试板用线切割将试块切成20 mm20 mm的小样，依次用了180#、800#、1500#、2000#的金相磨砂纸对试块进行摩擦，要按照同一方向摩擦，依次垂直摩擦，最后一个流程是采用粒度为

22、W1.5的研磨抛光膏进行抛光，抛光机用的是机型为YMPZ-2的自动金相试样磨抛机如图2.3所示。在抛光期间要间断地加适当的抛光膏，再用清水冲洗后用吹风机吹干，抛光后的试样需要浸于盛在玻璃器皿的3 %的硝酸酒精溶液腐蚀液中进行腐蚀，将试样在器皿里轻微晃动，让其试样腐蚀，最后用清水冲洗干净，然后再使用吹风机吹干，以便接下来更好的观测。首先通过肉眼（此时也可使用放大镜）的观察，观察焊后是否存在气孔、夹渣等明显的焊接缺陷，并且获取焊缝横截面的熔合情况；然后测量焊缝成形的余高、熔宽、焊接的熔敷高度、焊接热影响区宽度等数据，并记录。金相制样的目的是腐蚀后的金相试样可以利用光学显微镜下清楚有效地观察到宏观组

23、织。图2.3 YMPZ-2型自动金相试验机6第三章 单MAG焊与双电弧复合焊成形对比3.1单MAG焊与TIG-MAG双电弧焊焊接成形对比本部分比较单MAG电弧焊接与双电弧复合焊接焊接成形形貌，我们可以从图3.1焊缝成形中看出MAG-TIG双电弧焊与TIG-MAG双电弧焊焊缝都比单MAG焊缝宽度更大一些，成形样貌也稍好些。在其他因素不变的情况下，双电弧焊焊缝成形比单电弧焊焊缝成形更美观，焊缝更均匀，更稳定。TIG-MAG双电弧焊接由于TIG电弧的引入，从一个热源变成两个热源，可调节参数范围变广，有了稳定的TIG电弧能在焊接整个过程中产生稳定且均匀向前上方运动的熔池，从而形成非常良好稳定的焊缝。

24、TIG-MAG双电弧焊接由于TIG电弧焊作为打底层的焊接，使得电弧、焊丝母材和钢板更好的熔化成液体金属，在熔池中停留时间变长，更好地促进MAG电弧焊的堆焊焊接。(a) 单MAG焊(b) MAG-TIG焊(c) TIG-MAG焊图3.1 单MAG焊与双电弧复合焊焊缝成形3.2 双电弧焊接与单电弧焊接熔深的对比测量焊缝余高和焊缝宽度都是取焊缝整体的三个点作为余高的值然后三个值取平均值，三个点分别在焊缝前端一段取任意一个点、焊缝中间、焊缝后端一段去任意一个点。首先焊接的单MAG电弧焊焊缝见图3.2(a)，在我整个焊接的过程中熔池运动状态不太稳定，成形形貌有缺陷不平稳，它的焊缝余高三个值分别为2.5

25、mm、2.5 mm、2.5 mm。也就是它的焊缝余高为2.50 mm；它的焊缝宽度三个值分别为4.0 mm、4.0 mm、5.0 mm。所以它的焊缝宽度为4.33 mm。再看由MAG-TIG双电弧焊接的焊缝图3.2(b)，它的焊缝余高三个值为2.5 mm、2.5 mm、3 mm。也就是它的焊缝余高为2.67 mm；它的焊缝宽度三个值分别为4.5 mm、4.5 mm、5.0 mm。所以它的焊缝宽度为4.67 mm。3.2(b)比3.2(a)成形的焊缝熔深和熔宽有明显的增大，3.2(b)也比3.2(a)熔透要更均匀一点，焊道更美观一点，也相对更稳定均称一些。多了TIG焊的打底，在我焊接过程中明显感

26、受到MAG-TIG双电弧焊接要比单MAG焊接熔池的产生更稳。再观察由TIG-MAG双电弧焊接的图3.2(c)焊缝，它的焊缝余高三个值分别为2.5 mm、3.0 mm、3.0 mm。也就是它的焊缝余高为2.83 mm；它的焊缝宽度三个值分别为6.0 mm、6.0 mm、6.5 mm。所以它的所以它的焊缝宽度为6.17 mm。我们对比3.2(c)与3.2(a)的两张图可以看出，3.2(c)的焊道明显比3.2(a)的焊缝余高更深，焊缝宽度更宽，在我焊接完MAG电弧的打底后，由TIG电弧盖面时，明显地感觉到比单MAG电弧焊焊接时更好焊，盖面焊接时能感受到熔池流动状态更为均匀，电弧中焊丝与板材共同作用下

27、直至熔化成液态金属，熔池中液态金属方向一直为向前流动，引领着你往前走，更好的焊接出基本无瑕疵的焊道，而且焊接速度更快，焊接效率也因此提高，而单MAG焊接时就没有那么均匀的熔化。我们再对比3.2(b)与3.2(c)两个都是双电弧焊接的焊接方法，它们不同的就是焊接的方向先后顺序的差别。一个是先焊接的是MAG焊，另一个先焊接的是TIG焊，相比它们的焊缝余高和焊缝宽度都是后者比前者的值大见图3.2(b)与3.2(c)。但是图3.2(c)跟图3.2(b)相比还是3.2(c)的焊缝宽度更宽些。因此TIG-MAG双电弧焊要比MAG-TIG双电弧焊更适合于焊接缝隙大的物件。在其他参数不变的情况下，单MAG电弧

28、焊焊后的焊缝熔深为4.83 mm见图3.4(a)所示；MAG-TIG双电弧焊焊后焊缝熔深为5.47 mm见图3.4(b)所示；TIG-MAG双电弧焊焊后焊缝熔深为5.81 mm见图3.4(c)所示。由此可见，双电弧焊接的熔深比单电弧熔深更大，而且熔宽更宽。TIG-MAG电弧焊的焊缝要比MAG-TIG电弧焊的焊缝更均匀、更光滑、更美观、更稳定，也可以看出TIG-MAG焊接焊缝比MAG-TIG焊接焊缝的熔深稍大一点，熔宽也稍大一些，相比单MAG电弧焊焊后焊缝成形，TIG-MAG双电弧焊焊缝熔透均匀、成形稳定，可以在与单MAG电弧焊参数不变的情况下，实现双弧焊焊缝成形，且焊缝余高适中，焊缝熔深更大。

29、TIG-MAG双电弧焊比MAG-TIG成形要更好一些，而TIG-MAG电弧焊和MAG-TIG电弧焊都比单MAG焊的焊缝成形更好。其原因为：首先双电弧焊接是由两个电弧进行堆焊的焊接方式，由一个电弧先焊接再由另个电弧立马焊接，这样可以让焊接的时候电弧中的焊丝与板材更好地熔化形成液态金属。其次双电弧焊接焊接时由于已有第一层的焊道并且处于高温的状态，再焊第二层的时候明显地能发现比单MAG焊接时更好地熔化成熔池，也就更好地形成焊缝。最后，双电弧能很大程度地提高焊接生产制造的效率，也能保证有效率的同时确保焊接的质量。 （a）单MAG焊 （b）MAG-TIG焊 （c）TIG-MAG焊图3.2 单MAG焊与双

30、电弧复合焊熔深横截面3.3焊缝金相组织分析及分析图3.3所示为单MAG焊与双电弧MAG-TIG焊的a，b，c三个区域，a为焊缝区，由图上可见两个焊缝区都较为良好。母材与焊缝的交界区为熔合区b，是指焊接接头中焊缝金属向热影响区过渡的区域，它的两侧分别是完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区，所以也称其半熔化区。最下面c部分就是不完全熔化的热影响区，在焊接热循环的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化，经过退火之后形成带状的组织，珠光体的含量也高于母材，我们可以知道焊缝的硬度高于母材，因此得知焊缝的硬度高于母材。图上母材组织块状多面体组织为铁素体，黑色多面体为珠光体，两者分布均匀，

31、并没有什么差别。由图3.3(a)、3.3(b)和3.3(c)焊缝图可以看出，图3.3(b)与图3.3(c)热影响区粗晶区上的铁素体和焊缝区的柱状晶明显比图3.3(a)上细小，晶粒越粗大，焊缝质量越不好，说明双电弧焊接要比单电弧焊接焊缝质量越好。a b c a b c a bc (a) 单MAG电弧 (b) MAG-TIG电弧 (c) TIG-MAG电弧图3.3焊接接头金相组织结论针对板厚为12 mm的Q345-B低合金钢在TIG-MAG双电弧焊与单MAG电弧焊不同焊接方法焊后成形形貌、焊接熔深、焊接熔宽及焊缝余高进行研究，得出如下结论：（1） MAG电流为180A，电压为20 V，TIG电流为

32、120A，电压为12V，在这些参数下，TIG-MAG双电弧复合焊接焊缝成形最佳。（2） TIG-MAG双电弧焊相比单电弧焊接Q345-B低合金钢时，焊缝熔深从4.83 mm增大到5.81mm，熔深增加，焊缝余高从2.50 mm增大到2.83 mm，焊缝余高增加，焊缝熔宽从4.33 mm增大到6.17 mm，焊缝熔宽有大幅度增加。（3） TIG-MAG双电弧焊相比MAG-TIG双电弧焊，在各参数不变的情况下，焊缝熔深从5.47 mm增大到5.81mm；焊缝余高从2.67 mm增大到2.83 mm，焊缝熔宽从4.67 mm增大到6.17 mm。焊缝熔深、焊缝余高增大不明显，焊缝熔宽有大幅度增大。参

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