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带状电极窄间隙MAG焊_郑森木

第48卷第8期2012年4月

机械工程学报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.48 No.8

Apr. 2012

DOI：10.3901/JME.2012.08.074

带状电极窄间隙MAG焊

郑森木高洪明周淋

(哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨 150001)

摘要：为解决窄间隙焊接中普遍存在的侧壁和焊缝根部熔合不良的问题，基于减小间隙宽度让电弧直接加热间隙侧壁的思路，提出采用矩形截面的带状电极代替常规的圆形焊丝作为熔化极伸入到间隙中进行焊接，利用特殊形状的带状电极在间隙中自动形成的摆动电弧来改善对间隙侧壁和根部的加热，实现窄间隙焊接。研制专用的焊枪，研究间隙宽度、电弧电压和送带速度对间隙中带极端部电弧行为的影响。试验发现，电弧在间隙中的摆动受间隙宽度、电弧电压和送带速度的影响程度依次降低。间隙宽度对电弧的摆动具有决定性作用，间隙太宽电弧不能摆动；电弧电压过高导致电弧沿侧壁攀升得不到抑制，而送带速度主要与电弧电压搭配，保证焊接过程的稳定性，二者对间隙中电弧的摆动行为影响较小。结果表明，合理匹配间隙宽度、电弧电压和送带速度可以实现稳定的摆动电弧，获得侧壁和焊缝根部熔合良好的窄间隙焊缝。

关键词：窄间隙熔化极活性气体保护焊带状电极摆动电弧焊缝成形

中图分类号：TG444

Narrow Gap MAG Welding Using Strip Electrode

ZHENG Senmu GAO Hongming ZHOU Lin

(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

Abstract：In order to solve the common problem of incomplete fusion at the groove walls and roots in narrow gap welding, based on the consideration that make the welding arc heat the groove wall directly by decreasing the groove width, a new narrow gap metal active-gas(MAG) welding method is brought forward, in which the strip electrode with rectangular cross section is used as the consumable electrode instead of the traditional round wire. The welding arc automatically swings at the electrode end and so it can improve the heating effect on the groove walls and roots. Special welding torch is designed. And the effect of groove width, arc voltage and strip electrode feed speed on the arc behavior is studied. It is found that the groove width has the decisive effect on the weaving arc phenomenon while the arc voltage and strip electrode feed speed have not much effect. The welding arc does not swing when the groove width is too big, and it can climb up along the groove wall without restriction when the arc voltage is too high. The strip electrode feed speed is mainly set to match the arc voltage and make sure the welding process stable. The results indicate that the steady weaving arc can be realized by adjusting the groove width, arc voltage and strip electrode feed speed properly, and the narrow gap weld with groove walls and roots of well fusion is obtained. Key words：Narrow gap metal active-gas(MAG) welding Strip electrode W eaving arc W eld formation

0 前言

随着现代工业日趋大型化，厚板、超厚板结构的应用愈来愈广泛，对焊接工艺的效率和接头质量提出了越来越高的要求。采用减小接头截面尺寸的窄间隙熔化极活性气体保护(Metal active-gas, MAG)焊接工艺大大降低了焊缝金属的填充量，提高了焊接效率和接头性能，是一种高效、高质、节能的焊接方法。自从美国Battelle研究所于1963年开发出窄间隙焊接技

20110928收到初稿，20120210收到修改稿术以来[1]，该工艺就成为了实际应用和研究的重点。

但是，由于MAG 焊电弧的张角较小，电弧集中作用在坡口底部，对于间隙侧壁和每层焊道的根部加热较弱，由此容易产生侧壁和根部未熔合，这是窄间隙MAG焊技术面临的最关键问题。所以窄间隙MAG 焊的核心思想就是加强电弧对间隙侧壁的加热效果，保证侧壁熔合，改善焊缝成形，防止焊接裂纹。解决这一问题的根本措施是让电弧靠近间隙侧壁燃烧，增强对侧壁的热输入。为了解决这一核心问题，国内外研究人员采用相关措施开发了一些新型的窄间隙MAG焊工艺。具有代表性的有以下几种：HIDEHIKO[2]和MORTVEDT [3]采用的波浪式或麻花状弯曲焊丝焊

2012年4月郑森木等：带状电极窄间隙MAG焊75

接方法、LASSALINE等[4-5]开发的双丝焊接方法、SUGITANI等[6-7]开发的旋转电弧方法、NAKAMURA 等[8]开发的脉冲电流和脉动送丝协同控制的超窄间隙焊接、KANG等[9]采用磁场使电弧在间隙中摆动的方法以及郑韶先等[10]采用超细颗粒焊剂约束电弧的方法。这些方法或者需要附加复杂的电弧摆动/旋转机构，或者需要特殊的焊接电源等措施以便控制电弧在窄间隙中的行为，这必然会增加窄间隙焊接系统的复杂性，在实际应用中也存在其自身的局限。

本文提出了一种带状电极窄间隙MAG焊接方法，该方法不需要附加任何电弧运动控制措施，用矩形截面的带状电极作为熔化极伸入间隙中进行焊接。文中研制了专用的带状电极窄间隙MAG焊枪，研究了间隙宽度、电弧电压和送带速度对间隙中电弧在带极端部的动态变化的影响，分析了电弧、带状电极、间隙两侧壁三者之间的相互作用关系，找到了焊缝成形良好的焊接参数匹配范围。

1 带状电极窄间隙MAG焊实现原理

如果直接将焊丝伸入窄间隙中进行焊接，由于其电弧的张角小，不能对间隙侧壁和根部实现充分加热而产生缺陷。解决该问题的直观想法就是减小间隙宽度直到电弧能对侧壁进行有效的加热。根据相关研究，要实现这一想法必须尽量减小间隙宽度，但电弧在过小的间隙中很不稳定，将会沿间隙侧壁向上燃烧，并从间隙中攀升出来，无法实现正常的焊接。因此，在较小的间隙中必须解决电弧攀升的问题。避免电弧攀升的想法之一就是阻止电弧在间隙侧壁的固定位置燃烧，如采取措施让电弧在间隙中摆动。

基于上述思路，文中提出了带状电极窄间隙MAG焊这一新工艺，其实现原理如图1所示。该方法的特征是用矩形截面的带状电极代替常规熔化极焊接工艺中的圆形焊丝，焊接时带状电极的宽度方向与焊接方向垂直，保证间隙大小和带状电极的宽度搭配适当，在合理的焊接参数(主要是电弧电压和送带速度)匹配范围内，带状电极两侧与间隙侧壁的距离L w 不大于电弧燃烧时的弧长L a，这样电弧不能始终在带状电极和间隙底部之间燃烧，而是在间隙的两侧壁以及底部轮流燃烧，这就导致带状电极的端部与间隙两侧壁和底部的距离发生周期性的变化；随着带状电极的不断送入，间隙内便形成垂直于焊接方向具有一定摆动频率的横向摆动电弧，从而增强对侧壁的加热实现窄间隙焊接。

图1 带状电极窄间隙MAG焊示意图

2 带状电极窄间隙MAG焊试验

带状电极窄间隙MAG焊试验装置如图2所示，其核心就是窄间隙焊枪。文中根据窄间隙焊接的特殊要求和带状电极的特点设计了专门的带状电极窄间隙MAG焊枪。如图2所示，带状电极由送带轮传送经过导带杆导向进入与之连接的电极夹，同时焊接电流也从导带杆引入，最后带状电极在间隙中建立起电弧实现焊接。导带杆是用矩形截面的纯铜棒在其截面中央部位加工出矩形的槽，主要是防止薄而软的带状电极在传送过程中弯曲或打折而影响带极的传送，其次也起导电杆的作用，将焊接电流引入带状电极；电极夹的构造与导带杆相似，但为了让带状电极与电极夹接触良好，同时又不能阻力过大而阻碍带状电极的顺利送进，因此电极夹的中央加工出适当尺寸的弧形槽；保护气由与电极夹绝缘的前后枪体同时通入间隙中，确保整个焊接区域得到良好的保护，同时前后枪体有循环水冷却。整个枪体厚度为8 mm，可以完全伸入到间隙中，这样即可根据焊接工件间隙的深度更换对应的导带杆而不需改变其他部件，整个焊枪结构简单、紧凑。

图2 带状电极窄间隙MAG焊枪结构示意图

试验用的熔化极为SUS304不锈钢带，宽度与厚

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度为6 mm×0.2 mm，截面积与直径1.2 mm焊丝相当。试验中待焊试件由三块Q235钢板点固而成，如图3所示。其中底板试件的规格为200 mm×120 mm×12 mm，间隙侧壁试件的规格为180 mm×23 mm×23 mm，即间隙深度为23 mm。考虑到多层焊接过程中的收缩变形使坡口变小而导致焊枪无法在间隙中行走，间隙侧壁试件开有单边角度为3°的V形坡口，根部间隙为8～11 mm。保护气为95%Ar+5%CO2，流量为20 L/min，焊接速度20 cm/min。

试验中采用Dalsa-CA-D6型黑白高速摄像机匹配适当的减光片拍摄带极端部的焊接电弧在间隙中的行为变化，其图像采集速度为955帧/s。由于焊接时，带极是按带极宽度方向垂直于焊接方向伸入间隙中的，摄像机水平对准间隙槽口，并聚焦在带极上，所以摄像机拍摄的电弧是沿带极宽度方向在间隙中及两侧壁间的燃烧情况。

图3 窄间隙焊接试件尺寸

3 试验结果与分析

3.1 间隙宽度对电弧行为的影响

图4是三个典型间隙宽度下的电弧动态变化过程。当间隙为8 mm时，对于6 mm宽的带极其两侧与间隙侧壁的距离仅有1 mm，由于间隙中自由空间较小，电弧被约束的程度较大，此时电弧在所设定的电弧电压下的对应弧长大于间隙中的自由空间的大小，电弧不能自由扩展，只能在带极一侧与间隙对应侧壁建立电弧。如图4a所示，当电弧在间隙左侧燃烧时，间隙右侧没有电弧产生。此时，带极端部左侧部分在电弧热的直接作用下熔化较快，而右侧几乎不熔化；随着带极的不断送进，其左侧与间隙侧壁的距离越来越大，电弧长度也逐渐拉长，右侧部分与间隙底部的距离越来越近，电弧逐渐从左侧过渡到带极端部进而转移到右侧壁燃烧，如图4a的第3～5幅图片所示。随着焊接过程的进行，电弧在间隙两侧壁间发生明显的摆动。

当间隙宽度增大到10 mm时，如图4b所示，带极两侧与间隙侧壁的距离达到2 mm，此时电弧可以有较大空间自由扩展，电弧受约束的程度减弱，但电弧仍然是在间隙两侧壁轮流燃烧，发生摆动现象，但摆动的幅度与8 mm间隙相比减小了很多。

当继续增大间隙宽度到11 mm，如图4c所示，此时电弧在间隙中有足够的自由空间可以扩展，电弧受约束的程度较弱。从图4c中可以看出，电弧形成于整个带极端部，始终在带极端部和间隙底部的熔池之间稳定的燃烧，基本不发生摆动。

(a) 8 mm间隙，23.2 V，

9 m/min

(b) 10 mm间隙，24.8 V，

10 m/min

图4 不同间隙宽度中的电弧行为(间隔1.05 ms)

对于图4a和4b中电弧发生摆动的情况，当电弧摆动到带极端部左右两侧时，电弧将在侧壁的一定高度处燃烧，对侧壁的加热作用增强，间隙宽度影响电弧所能加热到的侧壁高度。从图4可以看出，随着间隙宽度的增大，电弧在间隙内左右摆动到侧壁的高度减小。此外，虽然电弧可以摆动到侧壁一定高度燃烧，但并不发生电弧攀升现象，这主要是由于电弧的摆动抑制了电弧沿侧壁继续攀升。所以，当参数匹配合适时，电弧会在带极端部左右摆动，并能抑制电弧攀升。

间隙宽度对带状电极窄间隙MAG焊电弧行为产生的上述影响，主要是由于带极窄间隙MAG焊的特殊环境以及在这种环境下带极电弧燃烧的特性所导致的。与平板堆焊上电弧自由燃烧相比，电弧在窄间隙中燃烧受到约束。此时电弧不只是在底部燃烧，当带极端部到坡口侧壁的距离小于电弧长度时，电弧将在坡口一侧面上燃烧。间隙较小时，电弧受侧壁约束较大，容易满足带极端头与侧壁的距离小于弧长的条件，从而在底部与侧壁之间轮流燃烧，且间隙越小电弧在侧壁燃烧的位置越高。而当间隙较大时，电弧燃烧受到的约束较小，在侧壁燃烧的情况相对较少，主要在间隙底部稳定燃烧。试验还发现，当间隙宽度小于8 mm时，电弧将只在坡口侧壁上燃烧而不形成摆动电弧，发生电弧攀升现象且得不到抑制，焊接过程

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无法进行；而间隙宽度大于等于11 mm 时，不管如何匹配其他焊接参数，电弧只在间隙底部燃烧，不发生摆动。

3.2 电弧电压和送带速度对电弧行为的影响从前面的观察和分析可知，间隙宽度是影响电弧在窄间隙中行为变化的首要因素。当间隙宽度确定后，再通过匹配不同的电弧电压和送带速度研究二者对电弧在间隙中的行为的影响才有意义。针对图4中的8 mm 和10 mm 间隙宽度，图5是在相同间隙宽度下不同电弧电压和送带速度匹配时的电弧行为变化情况。

(a) 8 mm 间隙，24.0 V ，

9 m/min

(b) 10 mm 间隙，25.3 V ，11 m/min

图5 电弧电压和送带速度对电弧行为的影响(间隔1.05 ms)

图5a 是保持图4a 中其他参数不变而将电弧电压从23.2 V 提高到24.0 V 时电弧在间隙中的燃烧情况。与图4a 相比，图5a 中由于提高了电弧电压，则电弧的长度和体积都要增大，但受到间隙的约束，电弧弧长和体积的增大受阻，在最小电压原理的作用下，电弧主要在距离带极最近的间隙侧壁燃烧。从图5a 的第2、3幅图片可以看出，由于电弧电压提高但送带速度不变，电弧在间隙侧壁燃烧的高度增大，已经不能加热到间隙根部，且在侧壁一侧持续燃烧的时间增长，发生明显的沿侧壁攀升而得不到抑制。此外，由于带极端部与间隙底部的距离较大，当电弧过渡到间隙底部燃烧时，如图5a 的第4、5幅图片所示，电弧弧长较长，形态比较发散，稳定性较差。通过比较可知，对于一定宽度的间隙，电弧电压的设定有一范围，过低将导致短路，过高将导致电弧沿侧壁攀升而不能抑制，都使焊接过程不能稳定地进行。试验中发现，间隙宽度越大，电弧能稳定燃烧的可用电压范围越大。

图5b 是保持图4b 中其他参数不变而匹配较大送带速度和较高电弧电压时电弧在间隙中的燃烧情况。比较图4b ，图5b 的电弧发生了明显的摆动，焊接过程也比较稳定。这说明，在一定间隙宽度下可以适当地增大焊接参数来实现电弧在间隙中的摆动。但试验中发现，焊接参数的增大对电弧摆动的影响是有限的，且间隙宽度越大，这种影响越弱。当间隙较大时，不能通过调节电弧电压和送带速度使电弧摆动。

3.3 焊缝成形

图6是典型参数下带状电极窄间隙MAG 焊单层焊缝横截面形貌。由于8 mm 间隙下电弧摆动明显，且电弧摆动到侧壁的高度合适，对间隙两侧壁加热效果较好。所以从图6a 可以看出，间隙两侧壁没有出现咬边，熔合良好。当间隙增大到10 mm ，电弧摆动减弱，对侧壁的加热作用也减弱，从图6b 可以看出，间隙侧壁的熔深比图6a 小。当间隙宽度为11 mm 时，电弧在间隙中不摆动，这就导致电弧对间隙侧壁几乎没有加热作用，且电弧张角不够扩展不足以有效加热间隙侧壁，从图6c 可以看出，间隙侧壁基本没有熔化，而间隙底部的熔深却较大，甚至有指状熔深产生的趋势。

(a) 8 mm 间隙，23.2 V ，9 m/min (b) 10 mm 间隙，24.8 V ，10 m/min

图6 单层焊焊缝横截面形貌

在图6的焊缝成形中，8 mm 和10 mm 间隙的焊缝表面呈凹形，11 mm 间隙的焊缝表面比较平坦且整体有外凸的趋势。在窄间隙焊接中，焊缝表面呈凹形有利于下一层焊接时熔池金属对侧壁的润湿和铺展，可以增加侧壁的熔深，防止多层焊接时层间未熔合以及夹渣等缺陷的产生，外凸形焊缝则产生相反的作用。所以，凹形焊缝是期望得到的而外凸形焊缝应该采取措施加以消除。对于带状电极窄间隙MAG 焊工艺，焊缝表面呈凹形还有利于电弧在间隙中的摆动。由于焊缝表面呈凹形，所以焊缝根部与带极端部的距离比间隙底部与带极端部的距离短，则电弧优先在侧壁和根部燃烧，有利于电弧摆动，从而增强焊缝根部的加热和熔合。

从图6所示的焊缝截面形貌可知，随着间隙宽度的增大侧壁熔合的程度降低，即使在增大间隙的同时增大焊接参数提高电弧热输入也不能改善侧壁的熔合情况，关键是要保证电弧在间隙中发生一定程度的

2 mm 2 mm

2 mm

5 mm

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摆动。所以，结合前面焊接参数对间隙中电弧行为的

影响，间隙宽度仍然是影响侧壁熔合程度的决定因素。此外，图6a～6c中的焊缝都采用的是V形坡口，

在第一层的焊缝根部都存在未熔合，且随间隙的增大

越明显，通过调节间隙宽度、电弧电压以及送带速度

等参数并不能保证消除未熔合现象。这是因为第一层

焊接时，侧壁和底面的拐角接近直角，在侧壁和底部

燃烧的电弧作用不到这一拐角区域，导致加热不充分，产生未熔合。而当多层焊接焊缝呈现凹形时，侧

壁和每层底部的拐角呈钝角，电弧对拐角区域的有效

加热面积增大；同时，如前所述，凹形焊缝有利于产

生摆动电弧，增强了该区域的加热。采用U形坡口可

以从根本上消除这种焊接未熔合的缺陷，如图6d 所示。

根据上述试验结果，优化选取焊接参数对23 mm

深以及底部间隙8 mm的V形坡口进行了窄间隙单道

三层焊接试验，其中第1、2层送带速度为9 m/min，

电弧电压为23.0 V，第3层的送带速度为10 m/min，

电弧电压为24.0 V。图7是焊缝外观成形和横截面形貌。由图7可见，多层焊时层与层之间熔合情况良好，

并且在焊缝侧壁上形成了足够的熔深，没有出现未熔

合等焊接缺陷，焊缝表面成形美观。

(a) 焊缝外观(b) 截面形貌

图7 多层焊焊缝成形

4 结论

(1) 利用矩形截面的带状电极在窄间隙中自动形

成的摆动电弧对两侧壁及其根部进行加热，保证可靠

熔化，同时还能有效抑制窄间隙中电弧的攀升，因而

能够实现窄间隙焊接。

(2) 电弧在间隙中的摆动受间隙宽度、电弧电压

和送带速度的影响程度依次降低。间隙太宽电弧不能

摆动，电弧电压过高使电弧沿侧壁攀升得不到抑制，

送带速度主要与电弧电压搭配，避免短路过渡产生飞溅，确保焊接过程的稳定性。

(3) 电弧在间隙中摆动是实现带状电极窄间隙MAG焊接的关键，合理匹配间隙宽度、电弧电压和

送带速度可以形成稳定的摆动电弧，获得侧壁根部熔

合良好的窄间隙焊缝。

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作者简介：郑森木(通信作者)，男，1982年出生，博士研究生。主要研究方向为高效焊接工艺。

E-mail：zsmhit1@https://www.wendangku.net/doc/6017091721.html,

高洪明，男，1968年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机器人焊接、遥控焊接、焊接新工艺及焊接电弧光谱诊断。

E-mail：gaohm@https://www.wendangku.net/doc/6017091721.html,

2 mm