管板MIG自动焊工艺优化.docx

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管板MIG自动焊工艺优化

管板MIG自动焊工艺优化

TheProcedureOptimizationofAutomaticMIGWeldingofTubeandSheet

学院：

材料科学与工程学院

专业班级：

材料成型及控制工程0901班

学号：

090201007

学生姓名：

指导教师：

刘政军（教授）

2013年6月

摘要

在石化、军工、电站辅机、核能设备和锅炉压力容器制造中，特别是管壳式换热器的制造中，集束管板焊接成为制造过程中的关键工序。

集束管板焊接接头不仅数量多，而且质量要求高、操作难度大。

常规的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊对人员操作技术要求高，劳动强度大，焊接变形大，焊接质量得不到有效保障等缺陷已不适应大规模生产制造业发展的需求，高效、优质的自动氩弧焊技术必将成为管板焊接的主流焊接工艺方法。

现阶段的焊接技术研究学者，做了许多关于管板焊接的研究。

但是我们只知道结果，并不了解其研究过程。

为了能够更好的了解管板焊接的工艺方法，本课题研究了MIG管板自动焊接过程。

选取的母材材质为Q235B，焊丝牌号为RM-56，直径为1.2mm，保护气体为80%Ar+20%CO2的二元混合气，采用了6组焊接工艺参数对管板进行自动化焊接。

焊接过程表明，管板焊接打底焊技术含量最高、难度系数最大，并且决定整个实验的成败。

另一个需要注意的问题是自动焊接过程中，一定要保证管板与焊丝端部同心，一旦出现偏心，就有可能将薄壁管焊穿，这是坚决不能允许的。

经本实验验证，管板MIG自动焊接时，当管子属于薄壁管时，一定不能选择大电流，否则焊接的过程将很难控制。

一旦某个环节出现问题，都有可能产生将管子烧穿的缺陷。

结合本次实验焊接成果，对于3.5mm厚度的薄壁管来说，焊接电流采用200A左右时最合适。

焊接时，电弧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅较小，焊接过程顺利，没有发生烧穿现象，并且焊缝成形美观，焊缝缺陷少。

若将此焊接参数应用于生产上，能够大幅度提高生产效率。

关键词：

管板；高效；优质；MIG自动焊；焊接参数

Abstract

Inthemanufacturingofpetrochemical,militaryindustry,powerstationauxiliaryequipment,nuclearequipmentandboilerandpressurevessel,especiallyinthemanufacturingofshellandtubeheatexchanger,theweldingofclustertubesheetisbecomingakeyprocessinthemanufacturingprocess.Thenumberoftheweldedjointsofclustertubesheetisnotonlylarge,butalsoneedshighqualityrequirements,andtheoperationisdifficult.ConventionalGTAWandSMAWneedhightechnicalrequirementsforpersonneltooperate,laborintensityisheavy,theweldingdeformationisbig,theweldingqualitycannotbeeffectivelyguaranteed,etc,theynolongermeetthedemandsofthedevelopmentofmassproductionandmanufacturing.EfficientandofhighqualityautomaticTIGorMIGwillbecomethemainstreamofthetubesheetweldingprocesses.

Thecurrentweldingresearchscholarshavedonealotofresearchesonthetubesheetwelding,weonlyknowtheresultsbutnotknowtheprocesses.Toknowhowithappens,IhavedonearesearchabouttheprocessofMIGautomaticweldingoftubesheet.ThematerialofselectedbasemetalisQ235B,thetrademarkofsolderwireisRM-56,whichdiameteris1.2mm.Theprotectivegasis80%Arand20%CO2.Ihaveadopted6groupsofweldingparameterstocarryontheautomaticweldingexperimentsonthetubeplates.

Theprocessofexperimentsshowsthatduringthetubesheetwelding,thebackingweldingisthemostimportantfacet,itisakeytosuccessofthewholeexperiments.Whenbackingwelding,youneeduselittlecurrent.Duringtheprocessofautomaticwelding,anotherissueweneedtobecarefulisthatwemustguaranteethetube-plateandweldingtorchisconcentricallthetime.Oncetheyareeccentric,theweldingarcmayburnthroughthethintube,itisabsolutelynotallowed.AndtheexperimentsverifythatduringtheprocessofMIGautomaticweldingoftubesheet,whenthetubeisthin,wemustnotchoosebigcurrent,ortheprocessofweldingwillbeverydifficulttocontrol.Oncesomelinkshaveerrors,thedefectofburningthroughthetubemayhappen.Combinedwiththeresultsofthisweldingexperiment,

for3.5mm-thicktube,theweldingcurrentis200Aorsoisthemostsuitable.Whenwelding,theweldingarcisstable,thedroplettransferisstabletoo,andthesplashissmall.Theprocessofweldingisverysmooth,withoutthephenomenonofburningthroughthetubes.Andtheweldinggapisbeautiful,weldingdefectsarealsofewer.Ifthisparameterisusedintheproductionofwelding,theproductionefficiencycanbeimproved.

Keywords:

tubesheet;efficiency;highquality;MIGautomaticwelding;weldingparameters

目录

摘要I

第1章绪论1

1.1序1

1.2MIG焊的概述1

1.2.1MIG焊的焊接工艺特点2

1.2.2MIG焊的发展趋势3

1.3管板焊接接头连接形式3

1.3.1端面接头式4

1.3.2内孔角接头式和对接内孔接头式4

1.3.3伸出角接头式5

1.4管板MIG自动焊接的应用5

1.4.1管板自动焊的特点5

1.4.2管板MIG自动焊与手工氩弧焊焊接技术采用的的不同措施6

1.4.3管板MIG自动焊技术操作要求6

1.5管板MIG自动焊的焊接操作时需要注意的问题7

1.6管板自动焊焊接变形及防止措施8

1.6.1管板焊接变形的形式8

1.6.2管板焊接变形的主要原因8

1.6.3管板自动焊接变形的防止措施8

1.7本课题研究的主要内容9

第2章实验方案拟定10

2.1实验材料10

2.1.1实验母材及规格10

2.1.2焊接材料10

2.2实验设备11

2.2.1焊接设备11

2.2.2其他实验设备13

2.3焊接方法的确定14

2.4管板MIG自动焊焊接之前需要做的准备工作15

第3章实验过程与结果分析18

3.1焊接参数工艺优化选择18

3.2管板MIG自动焊焊接过程23

3.3管板自动焊成品盖面层焊缝外观展示及分析27

3.3.1管板自动焊环形角焊缝外观展示27

3.3.2管板自动焊环形角焊缝外观分析29

3.4管板环形角焊缝焊脚尺寸测量结果及分析30

3.5管板环形角焊缝横截面宏观图及缺陷分析33

3.5.1组号1管板焊缝截面宏观图及外观分析34

3.5.2组号2管板焊缝截面宏观图及外观分析36

3.5.3组号3管板焊缝截面宏观图及外观分析37

3.5.4组号4管板焊缝截面宏观图及外观分析38

3.5.5组号5管板焊缝截面宏观图及外观分析39

3.5.6组号6管板焊缝截面宏观图及外观分析40

第4章结论42

参考文献43

致谢45

第1章绪论

1.1序

在石化、军工、电站辅机、核能设备和锅炉压力容器制造，特别是管壳式换热器的制造中，集束管板焊接成为制造过程中的关键工序。

集束管板焊接接头不仅数量多，而且质量要求高、操作难度大；许多大型热交换器在制造过程中无法实行立装，而必须采用卧式组装，从而要求以全位置焊接来完成管板焊接施工任务；常规的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊对人员操作技术要求高，劳动强度大，焊接变形大，焊接质量得不到有效保障等缺陷已不适应大规模生产制造业发展的需求，高效、节能、优质、环保的自动氩弧焊技术必将成为管板焊接的主流焊接工艺方法[1]。

同种工况条件下，管板自动钨极氩弧焊与焊条电弧焊和手工钨极氩弧焊存在较大的差异，从操作技术上来说，自动钨极氩弧焊很大程度上取消了人为因素对焊接质量的影响：

焊接过程种避免因焊接位置的变化给操作带来的难度系数，自动填丝杜绝了焊接加热与填丝动作的不协调性，使得焊接加热与填丝动作更加有规律；焊接过程中焊接电流随焊接位置变化的递增或衰减得到控制，确保焊缝成型有章可寻；焊接电弧长度得到可靠的限制，确保焊接热源集中稳定地对工件的加热，减小因弧长变化造成的热能损耗[2]。

从焊接工艺上的科学性来说：

除焊接参数设定外，自动控制实现了焊接过程由机器取代人工焊接操作，确保焊接过程平稳进行；在整个设备制作焊接过程中，焊接参数设定后确保每一个焊接接头都在相同的工艺下进行焊接，使得焊件受热均匀，变形得到有效控制，焊接质量得到大幅度提高。

由于焊接过程实现了自动化，减轻了劳动强度，同时减小了近距离焊接烟尘和热辐射对人体的危害。

可见，管板自动化焊接工艺以其特有科学性、先进性、和实用性应得到大力的推广和应用[3,4]。

1.2MIG焊的概述

MIG焊是熔化极惰性气体保护焊的的简称，是目前常用的电弧焊方法之一。

这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的。

适用于焊接低碳钢、低合金钢、不锈钢、有色金属及其合金。

MIG焊可以采用半自动或全自动焊接，应用范围较广。

MIG焊可以对各种材料进行焊接，但近年来由于碳钢和低合金钢等更多的采用富氩混合气体保护焊进行焊接，而很少采用纯惰性气体保护焊，因此熔化极惰性气体保护焊一般常用于焊接铝、镁、铜、钛及其合金和不锈钢。

熔化极惰性气体保护焊可以焊接各种厚度的工件，但实际生产中一般焊接较薄的板，如厚度2mm以下的薄板采用熔化极惰性气体保护焊的焊接效果较好。

熔化极惰性气体保护焊可以实现智能化控制的全位置焊接。

MAG焊因为电弧气氛具有一定的氧化性，所以不能用于活泼金属（如Al、Mg、Cu及其合金）的焊接[5-8]。

熔化极活性气体保护焊多应用于碳钢和某些低合金钢的焊接，可以提高电弧稳定性和焊接效率。

熔化极活性气体保护焊在汽车制造、化工机械、工程机械、矿山机械、电站锅炉等行业得到了广泛的应用[9]。

MIG焊分半自动和自动两种。

自动MIG焊适用于较规则的纵缝、环缝及水平位置的焊接；半自动MIG焊大多用于定位焊、短焊缝、断续焊以及铝容器中封头、管接头、加强圈等焊件的焊接[10]。

随着MIG焊应用的扩展，仅以Ar或He作保护气体难以满足需要，因而发展了在惰性气体中加入少量活性气体如氧气、二氧化碳等组成的混合气体作为保护气体的方法。

通常称之为熔化极活性气体保护焊，简称MAG。

 在焊接结构生产中，特别是在高合金材料和有色金属及其合金材料的焊接生产中，MIG焊占有很重要的地位。

1.2.1MIG焊的焊接工艺特点

MIG焊通常采用惰性气体氩、氦或它们的混合气体作为焊接区的保护气体，是一种自动气体保护电弧焊接方法，在这种方法中，电弧在保护气体屏蔽下在电流载体，金属丝和工件之间稳定发热，机器送入的金属丝作为焊条，在自身电弧下熔化。

一般采用纯氩气（纯度为99.99﹪），气体流量以20～25L/min[11]为宜。

熔滴向熔池过渡的形式采用喷射过渡，电压要调整到弧长在4～6mm的程度。

MIG焊接容易受到风的影响，易引起气孔的产生，风速在0.5m/s以上时应采取防风措施。

其在焊接工艺上有如下特点：

（1）惰性气体几乎不与任何金属产生化学作用，也不熔于金属中，所以几乎可以焊接所有金属。

由于经济的制约，目前主要用于焊接铝、镁及其合金、不锈钢和某些低碳钢。

（2）焊丝外表没有涂料层，焊接电源可提高，因而母材熔深较大，焊丝熔化速度快，熔敷率高，与TIG焊相比，其生产效率高。

（3）熔滴过渡主要采用射流过渡形式。

短路过渡仅限于薄板焊接时采用，而滴状过渡在生产中很少应用。

焊接铝、镁及其合金时，通常采用亚射流过渡，因阴极雾化区大，熔池保护效果好，且焊缝成型好、缺陷少。

（4）若采用短路过渡或脉冲焊接方法，可以进行全位置焊接，但其焊接效率不及平焊和横焊。

（5）一般都采用直流反接，这样电弧稳定、熔滴过渡均匀，飞溅少，焊缝成型好。

但惰性气体价格贵，成本高，对母材及焊丝的油、锈很敏感，容易生成气孔。

与二氧化碳焊相比，其熔深较小，抗风能力弱，不宜室外焊接。

1.2.2MIG焊的发展趋势

在传统MIG焊技术基础上，各国焊接研究者对MIG焊不断进行研究和探索，出现了上述各种新型MIG焊接工艺，焊接质量控制和自动化水平也在不断提高。

随着电子技术、传感技术、计算机技术、自适应控制技术及信息和软件技术相继引入焊接领域，MIG焊的发展将趋于高效化、数字化，可望进一步实现MIG焊接的柔性化和智能控制技术[12]。

近年来，新开发的一系列高效MIG焊工艺方法,由于具有高效、优质、低成本一系列优点，在工业生产中迅速得到了推广应用，取得了可观的经济效益。

现代焊接设备先进的设计和制造技术，为高效MIG/MAG焊的工业应用提供了可靠的保障，并加快了高效MIG焊生产过程的机械化和自动化。

双丝串列电弧MIG焊工艺方法是效率最高、焊缝质量最优的高效MIG焊方法，对焊接设备的工作特性和自动化程度提出了更高的要求。

其目前已在许多技术领域取得了突破性的进展，促使这项先进焊接工艺方法在一系列高端工业部门得到成功的应用[13,14]。

世界工业现代化的进展和市场竞争的加剧，促使各种先进高效焊接工艺方法的快速发展，尤其是高效MIG焊的开发取得了令人瞩目的成就，开创了一个崭新的发展时期。

1.3管板焊接接头连接形式

世界各国换热器生产中采用的管子管板接头形式主要有：

端面接头焊接式（如图1-1），内孔角接头式和对接内孔接头式（如图1-2），伸出角接头式（如图1-3）。

管板有开坡口、不开坡口和开环形槽等。

由于受工艺水平的限制，目前实际生产中采用最多的是伸出角接头式。

1.3.1端面接头式

a）开环形沟槽式b）端面接头式

图1-1端面接头形式

图1-1为端面接头式，管板不做任何机械加工，管子与管板平面齐平，采用氩弧焊。

由于其金属熔池的建立、形成、不易连续控制，熔化的金属极易流入管内，从而减小管口的有效截面，影响后道工序胀接的进行；由于熔涂不均匀，气体保护效果差，焊接效率低，在运行中容易产生泄漏；管口长期处于应力状态，使管子与管板产生分裂，给维修带来不便。

由于上述原因，实际生产中很少采用端面接头焊接式。

1.3.2内孔角接头式和对接内孔接头式

a）内角接头式b）部分对接内孔式c）对接内孔接头式

图1-2内孔角接头式和对接内孔接头式

图1-2a）为内角接头式，这在国外换热器中采用较多。

它的优点是省工时、焊接接头质量稳定。

缺点是材料组合上可能造成间隙腐蚀且不能进行焊接检验。

图1-2b）为部分对接内孔接头，这种接头不存在间隙腐蚀，焊透的可靠性高，能较容易地用

和X射线进行焊缝全面检验[15]。

图1-2c）为内孔对接接头式，它能消除上述接头接式的缺点并获得全焊透的接头，使其疲劳强度大为提高；无端面接头的切口应力集中，不易产生焊接缺陷；能利用外部射线源进行射线检查。

内孔角接头式和对接内孔接头式的结构在较为发达的国家采用较多，国内只个别厂家采用过[16]。

1.3.3伸出角接头式

a）不开坡口式b）开45º坡口式c）开R坡口式

图1-3伸出角接头式

伸出角接头式这种接头形式可开R或45º坡口和不开坡口，管子伸出长度不大于4mm。

此种接头型式为横焊、采用全位置脉冲自动旋转角环缝氩弧焊。

焊接时，热输入量可控制，故可达到理想的熔涂的焊缝，熔化金属不会流入管内，且气体保护效果好、不影响换热、焊接效率较高。

这种结构因加工容易装配方便而被广泛采用，但从力学角度和焊接工艺上说这种结构并不合理[17]。

依据上述几种管子与管板接头形式和焊接工艺方法比较及国外有关文献介绍可知：

端面接头型式已被淘汰；伸出角接头式，使用安全可靠；发达的国家内孔角接式和对接内孔接头式新工艺已广泛用于核电站蒸发器的管子管板接头上。

1.4管板MIG自动焊接的应用

1.4.1管板自动焊的特点

管板焊接的焊缝为圆形，在管子平放时，进行自动化焊接，必然会形成平焊、仰焊、上坡焊和下坡焊，即全位置焊接。

这是管板自动焊工艺的显著特点之一。

熔池金属会受到重力、电弧吹力和表面张力的综合作用并随焊接位置的变化而不断改变，直接影响焊缝成形。

因此，管板自动焊宜采用直流正接的脉冲焊方式，焊接过程的电流变化可分为电流上升、脉冲焊接和电流下降3个阶段：

在电流上升阶段，电流以一定的斜率上升到给定值，防止电流冲击影响焊接效果；在脉冲焊接阶段，电流为脉冲式电流，峰值电流阶段熔化金属，基值电流阶段维持电弧稳定燃烧；而在电流下降阶段，焊接电流以一定的斜率下降到零，收弧控制。

这样可实现焊接热输入的精确控制，使熔池深而窄，电弧稳定，减少热影响区。

管板自动焊工艺的另一个显著特点就是，焊接电流的变化过程要与机头的运动相互配合。

引弧成功后，进入电流上升阶段，同时启动机头旋转；之后开始进入正常焊接阶段，此时机头已转过一定角度；此后，机头继续旋转一周到达起弧位置，圆形焊缝也已焊接完毕，但由于最开始的一段焊缝是在电流上升阶段成形的，成形效果不理想，需继续焊接，此时进入电流下降阶段，利用电流下降阶段对电流上升阶段的焊缝进行补焊，改善成形，至此整个焊接过程结束，机头停止旋转。

因此，在每个圆形焊缝的焊接过程中，机头的旋转运动要多于一周。

1.4.2管板MIG自动焊与手工氩弧焊焊接技术采用的的不同措施

采用手工氩弧焊时，由于其操作灵活，尽管管板的加工质量粗糙、精度低，但可以正常完成焊接工作。

采用管板MIG自动焊后，发现原来的管板加工精度已完全不能适用于管板MIG自动焊接。

原来的管孔坡口不均，管孔偏差很大，而自动焊是匀速焊接，要求焊道各处状况是一致的，并无可见缝隙，否则将会因管孔椭圆形状或间隙过大引起焊丝伸入缝隙无法正常焊接，及因有间隙造成熔合不良，因坡口形状不匀导致焊道各处金属填充量不同，而造成焊缝表面成形不良。

加工管板时，要求管孔按1级精度加工，采用二次钻扩孔，以保证管孔尺寸精度和表面粗糙度要求[18,19]。

1.4.3管板MIG自动焊技术操作要求

管板MIG自动焊与手工钨极氩弧焊对管道伸出长度要求不同。

使用管板MIG自动焊，要求管与板，伸出长度控制在3mm-4mm。

施焊两遍，第一遍填丝保证可靠密封；第二遍填丝施焊，保证接头性能及成形美观。

通过两次施焊可有效控制接头熔合不良、咬边和外观成形等问题。

在焊接过程中，管板MIG自动焊对管板和管道上的油污、水分和铁锈特别敏感。

用角磨机对坡口100mm范围内进行除锈。

管板里的油污和水分要用气焊火焰进行清除。

在温度较低，湿度较大时要进行焊前预热。

管板自动焊机与管道的定位是依靠定位轴头插人管中，保持二者同心。

焊嘴围绕定位轴头旋转进行焊接。

但实际上由于管道与定位轴头之间存在间隙，必然导致管道与定位轴头二者之间不能严格保持同心，通过焊嘴、钨极与管道的间距不能保持一致，易产生咬边。

只能靠减小定位轴头与换热管之间的配合差和焊工的熟练程度来弥补。

1.5管板MIG自动焊的焊接操作时需要注意的问题

（1）管板自动焊机采用高频引弧。

要求焊机必须可靠接地，否则焊机很容易损坏。

焊接操作前，要检查好焊机、焊件及电源箱所有的接地点是否可靠接地。

（2）焊前准备工作应仔细，管与板如需点焊固定，应采用手工氩弧焊或自动氩弧焊，不能用手工电焊条点焊，焊点要细小均匀，管焊缝间隙匀称，焊缝处表面要清理干净。

（3）焊工不能随意改动焊机设备。

有一段时间，管板自动焊出现气孔无法查出原因，后发现是焊机喷嘴内的通气网损坏后，弃之不用，导致氩气形成涡流、分布不均所致[20]。

（4）焊工可以结合实际情况根据焊接工艺对焊接参数在小范围内适当调整，但不允许在未经焊接技术人员许可的情况下，对焊接参数作大的改动，否则无法保证焊接质量稳定可靠。

（5）焊前使管板与焊机机头保持平行，防止不平行而导致夹钨、焊缝出现毛刺等现象。

尽量使用小参数，防止把管子焊穿。

（6）焊接过程中，发生焊接异常中断时，应重新清理焊口，调整参数后，再继续焊接。

（7）焊缝有较严重焊接缺陷时，