王蓮芳 陳鐵堅 劉瑋 劉松良 劉海文

摘要：文中介紹了應(yīng)用等離子-MAG復(fù)合焊接技術(shù)于中厚板焊接的一個工業(yè)化應(yīng)用案例，研究結(jié)果表明等離子-MAG復(fù)合焊可工業(yè)化應(yīng)用于批量中厚板高強鋼焊接，等離子-MAG復(fù)合焊接8mm以下低碳鋼及低合金鋼可以不用開坡口一道焊接至完全熔透。焊縫間隙保證在0～1.2mm范圍內(nèi)可以確保等離子-MAG復(fù)合焊接12m長直焊縫的完全熔透且正反面成形美觀。在同樣屈服強度960MPa母材及焊絲匹配的情況下，焊接接頭抗拉強度等離子-MAG復(fù)合焊略高于普通MAG焊，-40℃低溫沖擊韌性等離子-MAG復(fù)合焊稍低于普通MAG接頭。

關(guān)鍵詞：等離子-MAG復(fù)合焊;中厚板焊接;工業(yè)化應(yīng)用;Q960鋼;焊接接頭性能

中圖分類號：TG47

0前言：等離子電弧復(fù)合焊接是將等離子弧與MIGMAG電弧有機復(fù)合形成的一種高效優(yōu)質(zhì)、低成本、較高的間隙適應(yīng)性的焊接新技術(shù)。等離子-電弧復(fù)合焊有效利用等離子束流高能量密度、高射流速度、強電弧力的特性，在焊接過程中形成穿孔熔池，實現(xiàn)中厚板單面焊雙面成形。等離子-MAG焊接過程中，在等離子弧和MAG電弧的作用下，焊絲加熱并熔化，形成金屬熔滴，進入熔池。等離子弧為負極，MAG電弧為正極，電流通過兩個電極相互作用下產(chǎn)生電磁力，電磁力牽引等離子弧向焊接熔池前方移動，等離子弧在高速焊接過程中尾隨焊槍軸線［1］。通常情況下，等離子-MAG焊接過程中需要軸向送進的焊絲和MAG電弧都被等離子氣包圍。等離子弧是壓縮電弧，具有能量密度高，電弧剛度大等特性，保證了焊接熔深。該壓縮電弧有一定的清理和輔助攪拌作用，不僅保證焊縫中產(chǎn)生的氣體有足夠的時間逸出，而且在焊接過程中產(chǎn)生的氧化物及其他雜質(zhì)都被“陰極霧化”除去，這樣焊縫比較干凈，也有效地防止了焊縫缺陷的產(chǎn)生［2］。與等離子弧并存的MAG電弧，有較強的焊縫填充金屬能力，保證了焊接高效的進行。

與傳統(tǒng)的MIGMAG焊比較，等離子-MIG焊有以下優(yōu)勢：焊縫質(zhì)量顯著提高，焊縫區(qū)的晶粒細小，焊接能量更集中，熱影響區(qū)域較小，焊接變形小，焊接效率提升。不過等離子-MIG焊接過程中的參數(shù)多，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。等離子-MAG復(fù)合焊是一種適合于碳鋼、低合金鋼及鋁合金的一種高效焊接工藝。

早在二十世紀八十年代，西德的國際原子公司在焊接由32個直徑為165cm鋁制管所組成的管簇結(jié)構(gòu)的鋁管時，考慮到其結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，該公司采用了Plasma-MIG焊進行焊接，試驗結(jié)果表明，在X射線檢驗下，焊縫質(zhì)量明顯提高，但沒有大量應(yīng)用［6］。

1995年，PlasmaLaserTechnologies（簡稱PLT公司）在以色列成立，該公司成功的研發(fā)出等離子-MIG焊系統(tǒng)，后來PLT公司被Hellerindustries收購成立WELDBOT公司，該公司提供等離子電源及一體式等離子焊槍。

美國Cummins公司將等離子-MIG焊接成功應(yīng)用于排氣管的自動焊接中，提高了生產(chǎn)效率降低了生產(chǎn)成本。美國BabcockPower公司采用plasmaMAG焊替代了原有的TIG焊在保證焊接質(zhì)量的同時管子對接焊的效率提高了10倍［1］。

20世紀80年代后，中國的相關(guān)機構(gòu)和人員對等離子-MIG焊接方法做過一些研究，截至目前，較少報道有工業(yè)化應(yīng)用案例。李德元教授對等離子-MIG焊的起弧過程，焊接鋁合金的規(guī)范優(yōu)化和組織分析進行探索研究，其研制的等離子-MIG焊接設(shè)備成功地應(yīng)用于三峽電站大型開關(guān)斷路器的焊接。

目前在世界上等離子-MAG復(fù)合焊的工業(yè)化應(yīng)用案例較少。經(jīng)過多年深入研究，等離子-MAG復(fù)合焊已成功應(yīng)用于焊接Q960等高強鋼汽車起重機吊臂。

1汽車起重機Q960鋼吊臂應(yīng)用等離子-MAG焊的優(yōu)勢

汽車起重機吊臂為減輕自重提升起重量，大量應(yīng)用Q960等高強鋼。Q960鋼為低合金高強鋼，交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，鋼板橫向力學性能屈服強度≥960MPa，抗拉強度≥980MPa，斷后伸長率≥12%，-40℃低溫沖擊韌性≥34J。Q960鋼焊接的難點是容易產(chǎn)生冷裂紋，需要控制熱輸入。焊接過程如果熱輸入過大或冷卻速度太慢，在焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生軟化現(xiàn)象；若冷卻速度較快，焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織，有出現(xiàn)冷裂紋和韌性下降的傾向；因此應(yīng)該兼顧兩者的冷卻速度的范圍。這個范圍的上限取決于不產(chǎn)生冷裂紋，下限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化的混和組織。正確選擇熱輸入和預(yù)熱溫度（包括道間溫度）是保證不出現(xiàn)裂紋、脆化和軟化的關(guān)鍵［7］。等離子-MAG復(fù)合焊的焊接能量集中，熱影響區(qū)域較小，加上等離子-MAG復(fù)合焊的等離子弧在前穿孔，有一定的預(yù)熱作用，可以降低母材的預(yù)熱溫度25～30℃，正好能滿足Q960鋼焊接的較小熱輸入及預(yù)熱溫度的要求。

汽車起重機吊臂主焊縫長達12m，為上下蓋板壓型后形成的對接接頭，下蓋板單側(cè)50°坡口。汽車起重機吊臂主焊縫之前工藝為采用普通MAG焊人工打底焊，再自動焊蓋面，其缺點是（1）工序時間長焊接效率低，成為吊臂產(chǎn)能提升瓶頸；（2）焊接填充量大，易導致焊接變形吊臂的焊后變形量大多在5mm以上，且為典型的波浪式失穩(wěn)變形，焊后矯正困難，焊后矯形溫度過高，又將給Q960鋼吊臂帶來未知的性能影響；（3）需要銑坡口工序，銑坡口工序占用設(shè)備、場地、人員，且工序間轉(zhuǎn)儲及等待行車需要占用大量時間，影響整個生產(chǎn)線的效率；（4）無法焊縫全長單面焊雙面成形實現(xiàn)焊縫全熔透，（5）焊絲用量較大，焊后飛濺多。

采用等離子-MAG復(fù)合焊則能解決上述問題。相比之前普通MAG焊，采用等離子-MAG復(fù)合焊有諸多優(yōu)勢：可實現(xiàn)8mm及以下板厚吊臂不需加工坡口，一道焊接完成且焊縫完全熔透，焊縫質(zhì)量顯著提升；取消銑坡口及打底焊兩道工序，并減少場地及人員，單道焊縫焊接速度可達到950mmmin，單道焊縫焊接效率提升1.5倍以上，總體生產(chǎn)效率大幅提升，相比原普通MAG焊工藝，，單根吊臂的焊接時間就原48min減少至24min，單根吊臂節(jié)省銑坡口時間約20min，銑坡口到焊接完成由原68min減少至24min，加上取消兩道工序后節(jié)省的轉(zhuǎn)序等環(huán)節(jié)時間，總體生產(chǎn)效率提升3倍以上；且取消人工打底焊使吊臂結(jié)構(gòu)制作產(chǎn)線實現(xiàn)智能無人化生產(chǎn)成為可能，對汽車起重機制造廠家來說具有非常重要的意義；焊材用量減少30%，焊接能量更集中，熱影響區(qū)域較小，焊接變形小、焊接無飛濺等。

2汽車起重機吊臂等離子-MAG復(fù)合焊自動生產(chǎn)線

2.1等離子-MAG復(fù)合焊工藝特點

文中涉及的等離子-MAG復(fù)合焊采用旁軸式復(fù)合焊，將高能束等離子弧和可靠的氣保電弧整合于同一焊槍中，等離子弧在前面引導MAG弧，并在前方開槽，形成坡口，用緊隨其后的MAG焊絲和熔化的母材來填充，從而加倍提升了單道焊接熔深和焊接速度，等離子-MAG復(fù)合焊電弧形成示意圖如圖2所示。等離子-MAG焊接設(shè)備由兩個獨立的電源分別產(chǎn)生MAG弧和等離子弧，由于需要同時產(chǎn)生兩種電弧，因此焊接參數(shù)的協(xié)調(diào)和穩(wěn)定十分重要。相比普通MAG焊，等離子-MAG復(fù)合焊焊接能量更集中，熔深更大，熱影響區(qū)域較小，等離子-MAG復(fù)合焊與MAG焊的宏觀金相圖如圖3所示。2.2等離子-MAG復(fù)合焊自動生產(chǎn)線

為將等離子-MAG復(fù)合焊實際應(yīng)用于生產(chǎn)制造，設(shè)計建造了一條等離子-MAG復(fù)合焊自動焊接生產(chǎn)線，生產(chǎn)線單元包含2個的復(fù)合焊工作站，一個單獨的工作站包含焊接機器人系統(tǒng)、Super-MIG等離子-

MAG復(fù)合焊設(shè)備和HD復(fù)合焊槍、MAG電源，龍門行走系統(tǒng)、背襯墊系統(tǒng)、激光跟蹤器、中頻預(yù)熱系統(tǒng)、橫向?qū)χ卸ㄎ粰C構(gòu)、縱向定位機構(gòu)、滾筒支撐架、液壓系統(tǒng)等組合而成。焊接過程中，工件吊臂不移動，背襯墊系統(tǒng)與懸掛于龍門行走系統(tǒng)上焊槍的行走速度同步，跟隨焊槍一起移動，保證焊接過程中焊縫不會因焊透而產(chǎn)生焊瘤。等離子-MAG復(fù)合焊生產(chǎn)線的所有部件全部自動控制及協(xié)同作業(yè)，可實現(xiàn)完全的生產(chǎn)線智能化，整個產(chǎn)線只需一個人值守。

機器人焊接生產(chǎn)線主要應(yīng)用于吊臂縱向焊縫的自動化焊接，采用Super-MIG等離子-MAG復(fù)合焊，針對8mm及以下壁厚吊臂筒體對接直焊縫焊接可不用開坡口（板厚以厚板板厚為準）。因為吊臂焊縫長達12m，全長焊縫間隙的保證對實現(xiàn)等離子-MAG復(fù)合焊單道焊接完全熔透成形至關(guān)重要，經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，焊縫間隙保證在0～1.2mm范圍內(nèi)可以確保等離子-MAG復(fù)合焊接12m長吊臂焊縫的既完全熔透又焊縫正反面成形美觀。

第一個機器人焊接工作站為雙工位，第一工作站焊接好一根吊臂的一條縱向焊縫后，吊臂被傳送到下一個機器人焊接工作站，翻身后開始焊接吊臂的另一條焊縫，然后工件流走，依此循環(huán)，實現(xiàn)高效、高自動化作業(yè)，等離子-MAG復(fù)合焊生產(chǎn)線示意圖如圖4所示。

自動生產(chǎn)線上采用的等離子電源及焊槍為WELDBOT公司生產(chǎn)，等離子電源功率為25kVA@100%dutycycle，等離子焊槍為液體冷卻焊槍，最大承載電流360A；MAG電源選用福尼斯TPS5000電源。

3Q960鋼等離子-MAG復(fù)合焊與普通MAG焊焊接接頭性能對比

3.1試驗材料及方法

焊接試驗用鋼板為8mm厚調(diào)質(zhì)態(tài)Q960鋼板，試板尺寸為8mm×130mm×400mm，試驗鋼板的化學成分及力學性能見表1、表2。試驗用焊絲為實心焊絲，直徑Φ1.2mm，焊絲熔敷金屬抗拉強度≥940MPa，屈服強度為≥890MPa，斷后伸長率≥12%。-40℃低溫沖擊吸收能量≥32J。所有試板均單側(cè)開30°坡口，坡口無鈍邊，兩塊試板對接形成60°坡口，通過等離子-MAG復(fù)合焊及普通MAG焊兩種不同焊接方法進行試驗對比，兩種試驗采用同樣的母材及焊絲的匹配組合，一種在新的焊接生產(chǎn)線上采用等離子-MAG復(fù)合焊一道焊接成形，另一種則用普通MAG焊機分三道焊接，焊接時環(huán)境溫度28℃，空氣濕度47%，生產(chǎn)線采用的等離子鎢極直徑為直徑2.4mm，等離子電弧壓縮氣體為99.99%，接頭示意圖如圖5所示。試驗焊接參數(shù)見表3。由于等離子-MAG復(fù)合焊的等離子弧在前穿孔，有一定的預(yù)熱作用，經(jīng)評估采用等離子-MAG復(fù)合焊可以將預(yù)熱溫度從75℃降到50℃。

3.2兩種焊接方法焊接接頭性能對比

兩組試板焊后48h超聲波探傷均完全熔透無缺陷，兩組試樣的機械性能結(jié)果見表4。以上試驗結(jié)果表明采用同樣的Q960鋼母材及焊絲匹配情況下，等離子-MAG復(fù)合焊的焊接接頭抗拉強度略高于普通MAG焊焊接接頭，而-40℃低溫沖擊韌性稍低于普通MAG接頭。究其原因，采用等離子-MAG復(fù)合焊接的焊接接頭能量更集中，熔深更大，熱影響區(qū)域較小，所以等離子-MAG復(fù)合焊的焊接接頭抗拉強度略高于普通MAG焊焊接接頭；同時等離子-MAG復(fù)合焊總的熱輸入小，焊縫冷卻速度快，焊縫中低溫組織（馬氏體）量增加，所以帶來焊接接頭強度增加，而韌性降低。

4等離子-MAG復(fù)合焊吊臂批量產(chǎn)品應(yīng)用及意義

等離子-MAG復(fù)合焊自動焊接生產(chǎn)線目前已成功焊接400多根產(chǎn)品吊臂，所有吊臂均符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，并應(yīng)用于產(chǎn)品中，銷售后市場無任何質(zhì)量反饋，等離子-MAG復(fù)合焊接后吊臂焊縫外觀質(zhì)量如圖5所示。

等離子MAG復(fù)合焊接的成功工業(yè)應(yīng)用案例，可以促進等離子MAG復(fù)合焊的應(yīng)用和推廣。Q960鋼等高強度鋼可以保證焊接接頭的質(zhì)量，則其他碳鋼和低合金鋼也可以毫無困難地應(yīng)用；等離子-MAG復(fù)合焊自動焊接生產(chǎn)線解決了長薄壁構(gòu)件對接焊縫無法實現(xiàn)一道焊接完全熔透的行業(yè)難題，汽車起重機的吊臂的長直焊縫可以成功應(yīng)用，其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的對接焊縫也可以參考和應(yīng)用。

5結(jié)論

（1）等離子-MAG復(fù)合焊可工業(yè)化應(yīng)用于批量中厚板焊接。

（2）等離子-MAG復(fù)合焊接8mm以下低碳鋼及低合金鋼可以不用開坡口一道焊接至完全熔透；相比原普通MAG焊工藝，采用等離子-MAG復(fù)合焊可取消銑坡口及人工打底焊兩道工序，單道焊縫焊接速度是普通MAG焊的1.5倍以上，總體生產(chǎn)效率提升3倍以上。

（3）焊縫間隙保證在0～1.2mm范圍內(nèi)可以確保等離子-MAG復(fù)合焊接12m長直焊縫的完全熔透且正反面成形美觀。

（4）在同樣Q960母材及匹配焊絲的情況下，焊接接頭抗拉強度等離子-MAG復(fù)合焊略高于普通MAG焊，-40℃低溫沖擊韌性等離子-MAG復(fù)合焊稍低于普通MAG接頭。

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收稿日期：2023-12-20

王蓮芳簡介：1972年出生，高級工程師，本科學歷，湖南長沙人，從事焊接技術(shù)工作29年，主要從事高強鋼焊接技術(shù)及結(jié)構(gòu)件工藝研究。Email：wanglianfang525@163.com。