不锈钢MAG焊接技术探析

1.概述

不锈钢中的铬的质量分数大于12%，在其表面生成一层薄而坚韧的氧化膜，可以防止基体发生进一步的氧化与腐蚀。根据使用环境的不同，还可向不锈钢中加入镍和钼等元素。另外还应限制其碳的质量分数（要低于0.1%）。

不锈钢根据其合金元素的不同，可以有许多种金相组织，如奥氏体组织、铁素体组织、马氏体组织以及双相组织。各种组织的不锈钢均可采用MAG焊接法。因其焊接特点相似，本文以应用最广泛的奥氏体不锈钢为代表，介绍其MAG焊工艺。

2.焊接材料的选择

焊接材料的选择主要是保护气体和焊丝的选择。

（1）保护气体的选择 MAG焊不锈钢一般采用直流电源和DCEP接法。不用纯Ar进行保护，因为这将引起电弧不稳和焊缝成形不良。通常主要选用弱氧化性保护气体，如Ar+O₂（1%～3%）（体积分数）、Ar+O₂（4%～8%）（体积分数）和Ar+O₂（9%～12%）（体积分数），有时还可以选择Ar+CO₂（5%～10%）（体积分数）。焊接厚板时还可以采用Ar+He（30%～50%）（体积分数）的惰性混合气体。

含氧较多时将使焊缝表面失去金属光泽，并有灰色或黑色的细小灰尘落在焊缝表面。在GMAW中，金属元素的过渡系数见表6-25。可以看到不锈钢中的元素烧损以Si、Mn为主，如果含有Ti时，那么Ti的烧损最多。而其中主要合金元素Cr和Ni烧损很少。混合气体中含有CO₂能使不锈钢增碳，所以对耐蚀性要求较高时，不得使用含CO₂比例较多的混合气体。

表6-25 金属元素过渡系数

采用氧化性混合气体保护焊时有如下特点：

1）加入少量氧化性气体，能够降低液体金属表面张力，从而能降低射流过渡临界电流和提高熔滴过渡稳定性。

2）稳定阴极斑点。由于氧化性气氛的作用，在熔池上不断产生新的氧化物和阴极斑点，所以电弧不飘摆，提高了电弧的稳定性。

3）由于电弧稳定和提高了熔池金属流动性，从而改善了焊缝成形，焊道表面美观。

（2）焊丝的选择 不锈钢焊丝有两种：一为实心焊丝，二为药芯焊丝。不锈钢实心焊丝按GB/T 4241—2006标准规定，药芯焊丝按GB/T 17853—1999标准规定。直径有0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm和2.4mm共7种。通常以盘状供应，每盘焊丝重为2kg、5kg、6kg和8kg。焊丝成分与母材成分的对应关系见表6-26。

表6-26 奥氏体不锈钢焊接用焊丝

从表6-26中可见，焊丝中的化学成分与母材成分相近但略高一些。这是因为MAG焊气体是弱氧化性气体，它将烧损熔滴与熔池中的一部分合金元素。

奥氏体不锈钢的实心焊丝与药芯焊丝熔敷金属化学成分、力学性能和用途见表6-27和表6-28。

表6-27 不锈钢焊接用实心焊丝

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表6-28 不锈钢药芯焊丝熔敷金属化学成分 力学性能和用途

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3.焊接工艺

MAG焊接不锈钢是一种高效率的焊接方法，因为不锈钢的电阻率较高，所以焊条电弧焊时经常使用的电流在150A以下，最高达200A。而MIG焊时，焊丝伸出长度较短，所以焊接电流可达到400A。根据其熔滴过渡形态，可分为短路过渡焊接、脉冲MAG焊接、射流过渡焊接和大电流MAG焊。MAG焊不锈钢的熔滴过渡与焊接参数的关系如图6-52所示。(www.xing528.com)

图6-52 MAG焊不锈钢的焊接参数与熔滴过渡的关系

（1）MAG焊短路过渡焊接不锈钢 短路过渡焊时都使用细焊丝和小电流。焊丝直径为φ0.6～φ1.2mm，保护气体为[Ar+O₂1%～5%（体积分数）]或[Ar+CO₂5%～25%（体积分数）]的混合气体。典型焊接参数示于表6-29，主要用于板厚在3mm以下的薄板焊接。

表6-29 不锈钢短路过渡焊接规范

注：t——每米焊缝所需的时间。

（2）MAG焊射流过渡焊接不锈钢 MAG焊喷射过渡适用于单道或多道焊接厚板。对于喷射过渡宜使用Ar+O₂1%（体积分数）的混合气体作为保护气，可以得到较高的屈服强度。而用Ar+O₂2%（体积分数）时可以使焊缝金属具有良好的润湿性，但是所产生的氧化物在焊道出现轻微的黑粉。由于这种保护气体可以获得平坦的焊道，所以仍被采用。

图6-53给出了不同直径不锈钢丝的熔化特性和相应的喷射过渡临界电流值。如φ0.8mm焊丝的临界电流为110A，φ1.2mm为180A和φ1.6mm为225A。

保护气体流量根据电流的大小来选择。短路过渡时选用10L/min左右，射流过渡时应选用18L/min以上。表6-30为射流过滤的典型焊接参数。

图6-53 不锈钢焊丝的熔化特性与临界电流

表6-30 不锈钢MAG焊射流过渡的焊接参数

（3）脉冲MAG焊不锈钢 脉冲MAG焊的飞溅很小，焊接过程稳定，焊缝成形良好。焊接电流范围较大，从喷射过渡临界值左右到几十安的最小电流，如φ1.2mm焊丝的最小电流可以达到80A，φ1.6mm焊丝的最小电流可以达到100A。从而扩大了MAG焊的使用电流区间，使得有可能焊接薄板、全位置焊和热敏感性材料。由于脉冲MAG焊的熔滴尺寸较大，接近焊丝直径，所以熔滴金属的蒸发量少，导致烟雾少和在焊缝表面只有少量黑粉。典型焊接参数见表6-31。

表6-31 不锈钢脉冲MAG焊的典型焊接参数

不锈钢的脉冲MAG焊接条件如图6-54所示。图中给出了φ0.6mm、φ0.8mm、φ1.2mm和φ1.6mm四种焊丝的脉冲临界电流曲线。以φ1.2mm焊丝为例，直流连续电弧的焊接临界电流为170A，随着脉冲时间减小，脉冲射流临界电流按照双曲线规律增加。在采用双曲线之上的焊接参数时，可以实现脉冲射流过渡，而在该曲线之下为大滴过渡。其他直径的焊丝的情况与直径1.2mm焊丝类似，不再一一详解。

（4）大电流MAG焊不锈钢 不锈钢大电流MAG焊适于厚大焊件的焊接。板厚为4～20mm的不锈钢，一般都采用背面加垫板的单面熔透焊道。通常4～8mm厚的不锈钢都采用等离子弧焊，而10～20mm厚的不锈钢最好采用大电流MAG焊。

采用普通MAG焊接不锈钢时焊缝中易出现气孔，难以选择合适的焊接参数。而大电流MAG焊的热输入较大，不存在这个问题。

图6-54 不锈钢脉冲MAG焊的焊接条件

不锈钢大电流MAG焊经常使用较粗的焊丝，其直径为2.4mm和3.2mm。其合适的电流范围如图6-55所示。

图6-55 不锈钢大电流MAG焊焊接电流范围

由图6-55可见，直径为3.2mm焊丝的最大电流可达800A，直径2.4mm焊丝电流最大可达700A。电流过大，将破坏电弧稳定性和焊缝成形。大电流MAG焊的保护气体一般选用Ar+O₂（1%～2%）（体积分数）或Ar+He（25%～50%）（体积分数）。典型的焊接参数列于表6-32。

表6-32 不锈钢MAG焊的焊接参数