都 東，王 鵬，鄒怡蓉，張 驊，王 力

(清華大學(xué)機(jī)械工程系先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 前言

在熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）過(guò)程中，焊絲端部熔滴向熔池的過(guò)渡可能呈現(xiàn)短路過(guò)渡、大滴狀過(guò)渡、噴射過(guò)渡等多種形態(tài)。其中，短路過(guò)渡形式一般出現(xiàn)在細(xì)絲小電流活性氣體保護(hù)焊（CO2/MAG）的工業(yè)應(yīng)用中，而熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）大多采用噴射過(guò)渡以達(dá)到穩(wěn)定電弧和深熔焊接的工藝效果。但在某些特定場(chǎng)合，如本研究提及的大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體葉面的立焊修復(fù)作業(yè)，MIG焊接熔滴短路過(guò)渡也有用武之地。

1 MIG焊接熔滴短路過(guò)渡的形態(tài)[1]

熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過(guò)渡形式，與被焊金屬和焊絲種類(lèi)、焊絲直徑和干伸長(zhǎng)、保護(hù)氣體成分、焊接電流和電弧電壓等因素相關(guān)[1]。為觀察MIG焊接過(guò)程的熔滴過(guò)渡現(xiàn)象，專(zhuān)門(mén)采用機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中采用馬氏體不銹鋼母材及相應(yīng)配套焊絲，通過(guò)調(diào)節(jié)弧焊電源輸出和送絲速度等參數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了焊接熔滴的短路過(guò)渡、大滴過(guò)渡和噴射過(guò)渡，其平均電弧電壓和焊接電流值范圍如圖1所示。由圖1可知，其中短路過(guò)渡的電弧電壓和焊接電流值都明顯低于噴射過(guò)渡。在實(shí)驗(yàn)中，還特別采用高速攝像系統(tǒng)觀測(cè)了MIG向下立焊過(guò)程的熔滴過(guò)渡形態(tài)，穩(wěn)定的熔滴短路過(guò)渡過(guò)程如圖2所示，其相應(yīng)的電弧電壓和焊接電流的瞬態(tài)變化如圖3所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以歸納出短路過(guò)渡MIG焊接工藝的特點(diǎn)：（1）采用惰性保護(hù)氣體，滿足高合金鋼或有色金屬的焊接要求；（2）采用熔化極，熔敷效率較高；（3）采用短路過(guò)渡形式，有利于適應(yīng)全位置焊接成形需求。

圖1 馬氏體不銹鋼MIG不同形式熔滴過(guò)渡的焊接參數(shù)范圍

圖2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)MIG向下立焊過(guò)程中的熔滴短路過(guò)渡

圖3 短路過(guò)渡MIG向下立焊過(guò)程電弧電壓和焊接電流的變化

圖4 大型電站水輪機(jī)葉片表面磨蝕情況

2 短路過(guò)渡MIG焊接工藝的應(yīng)用[2-3]

在大型電站水輪機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行中，其轉(zhuǎn)輪體葉片會(huì)出現(xiàn)局部磨損和空蝕[2]，如圖4所示。為縮短電站停機(jī)維修工期，發(fā)展基于機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)的葉輪原位維修技術(shù)具有重要意義[3]。研究提出的維修作業(yè)流程：采用電弧氣刨工藝對(duì)葉片受損局部進(jìn)行清底→采用熔化極氣體保護(hù)焊接工藝對(duì)清底后的葉片局部進(jìn)行補(bǔ)焊→對(duì)局部補(bǔ)焊表面進(jìn)行修形以滿足葉片形貌流線的要求。其中，原位自動(dòng)補(bǔ)焊是關(guān)鍵工序。

大型電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體葉片材料為馬氏體不銹鋼（0Cr13Ni5Mo），此類(lèi)材料的弧焊過(guò)程應(yīng)采用惰性保護(hù)氣體。對(duì)于（如三峽電站）混流式轉(zhuǎn)輪體，其原位焊接作業(yè)空間近乎立焊位置，還考慮補(bǔ)焊強(qiáng)調(diào)的是熔敷效率而非深熔成形，因此提出選擇基于短路過(guò)渡而非脈沖噴射過(guò)渡的MIG焊接工藝方案。

為給實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對(duì)葉片局部試件進(jìn)行補(bǔ)焊實(shí)驗(yàn)研究。向下立焊，氬氣保護(hù)，焊絲直徑1.2 mm，干伸長(zhǎng)12 mm，反極性焊接，電流平均值140 A，電弧電壓平均值19 V，焊絲擺動(dòng)頻率0.5 Hz，焊接速度80 mm/min。補(bǔ)焊試件焊縫表面和截面如圖5所示。針對(duì)預(yù)置多種凹坑的立焊試板表面，先以機(jī)器人等離子弧氣刨工藝進(jìn)行自動(dòng)清底，再以機(jī)器人MIG工藝進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)焊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MIG短路過(guò)渡立焊成形良好，可以滿足葉片維修質(zhì)量要求，為將來(lái)的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖5 葉片局部試件MIG短路過(guò)渡向下立焊焊縫表面和成形截面

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)調(diào)節(jié)焊接規(guī)范參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的MIG短路過(guò)渡過(guò)程?；谠摴に嚳稍诹⒑肝恢眠M(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)焊作業(yè)，熔接可靠，熔敷效率高，焊縫成形良好，為將來(lái)實(shí)際應(yīng)用于大型電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體馬氏體不銹鋼葉片受損局部的自動(dòng)修復(fù)提供了基礎(chǔ)，為解決類(lèi)似的高合金鋼或有色金屬全位置自動(dòng)補(bǔ)焊技術(shù)提供了參考。

[1]殷樹(shù)言.熔化極氣體保護(hù)電弧焊，焊接手冊(cè)（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：201-254

[2]P Kumar，R P Saini.Study of cavitation in hydro turbines：A review[A].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：374-383.

[3]D Frunzaverde，C Campian，V Cojocaru.Influence of welded layers thickness on the cavitation erosion resistance[R].Selected Topics in Energy，Environment，Sustainable Development and Landscaping，2010：316-320.