Q345 鋼板在CO2 氣體保護焊焊接過程工藝研究

張劍 徐佩嶺 師學(xué)武

中鐵十局第五工程有限公司 江蘇蘇州 215000

隨著改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，對焊接技術(shù)提出了更高的要求。上個世紀最后十年，焊接技術(shù)在我國國民經(jīng)濟建設(shè)各個領(lǐng)域的應(yīng)用在廣度和深度上有了質(zhì)的飛躍，呈現(xiàn)出并存共榮的新格局，高參數(shù)、長壽命、大規(guī)模、超細等特點的焊接產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新程度迅速提高，使用周期大大縮短，焊接材料高效、優(yōu)質(zhì)、焊接設(shè)備系列化和國產(chǎn)化進入了一個新階段。

熔化極氣體保護電弧焊該焊接方式的工作原理在于通過借助于二氧化碳氣體來進行焊接工作。該焊接方法簡單便捷，非常適合進行全方位焊接以及自動焊接。但是在進行焊接的時候需要注意的是不能有風(fēng)，需要在室內(nèi)進行焊接作業(yè)。因為該焊接方法的成本較低，且使用到的二氧化碳氣體生產(chǎn)簡易，所以該焊接方法被很多大型企業(yè)所看重[1]。

二氧化碳熔化極氣體保護電弧焊所采用的保護氣體為二氧化碳。因為該氣體其物理性質(zhì)具有一定的特殊性，所以在焊接的時候需要采用常規(guī)電源，不可在焊絲其端部位置形成平衡的自由軸向過度。所以，相較于熔化極氣體保護焊其自由過度而言，產(chǎn)生的飛濺更大。而要是所使用的焊機其質(zhì)量較高，在進行焊接的過程中較為穩(wěn)定，那么就可以盡可能降低飛濺。二氧化碳氣體較為廉價，并且在焊接過度段時所形成的焊縫較為良好，基于以上優(yōu)點，該焊接方法獲得了非常廣泛的應(yīng)用。

Q345 鋼的廣泛應(yīng)用，以及其較好的焊接性。而CO2氣體保護電弧焊可以焊接可焊接碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金以及CO2氣體保護焊成本低，效率高，操作靈活的優(yōu)點。所以，Q345 鋼的CO2氣體保護焊的焊接工藝也顯得尤為重要。

1 工程概況

主橋為下承式疊式拱橋，整體為連續(xù)體系，主、副拱與主梁固結(jié)，主梁在主、副拱拱腳與混凝土固結(jié)，橋面結(jié)構(gòu)采用縱橫梁體系。

拱肋為鋼箱構(gòu)件，橫橋向分兩片布置，間距 26m 。單片主拱分GL01-GL03 類共3 個節(jié)段，單片副拱分GL04-GL05 類共2個節(jié)段，GL03、GL05 為拱腳，須先預(yù)埋，主拱拱腳處GL03 節(jié)段頂?shù)装濉⒏拱搴穸葹?6mm，主拱拱腳處GL05 節(jié)段頂?shù)装濉⒏拱搴穸葹?2mm，其余節(jié)段頂?shù)装濉⒏拱搴穸染鶠?8mm，加勁肋采用厚度為24mm，鋼材材質(zhì)Q345qD，全部采用CO2氣體保護焊。箱型梁主要截面形式如圖1：

2 CO2 氣體保護焊工藝

2.1 焊前準備

焊前準備工作包括坡口設(shè)計、坡口加工、清理、焊件裝配等。

2.1.1 坡口設(shè)計

CO2氣體保護焊采用細顆粒過渡時，電弧穿透力較大，熔深較大，容易燒穿焊件，所以對裝配質(zhì)量要求較嚴格。坡口開得要小一些，鈍邊適當大些，對間隙不能超過2mm。如果用直徑1．6mm的焊絲鈍邊可留4～6mm，坡口角度可減小到45°左右。板厚在12mm以下開I形坡口；大于12mm的板材可以開較小的坡口。但是，坡口角度過小易形成“梨”形熔深，在焊縫中心可能產(chǎn)生裂紋。尤其在焊接厚板時，由于拘束應(yīng)力大，這種傾向更大，必須十分注意。

CO2氣體保護焊采用短路過渡時熔深淺，不能按細顆粒過渡方法設(shè)計坡口。通常允許較小的鈍邊，甚至可以不留鈍邊。又因為這時的熔池較小，熔化金屬溫度低、粘度大，搭橋性良好，所以間隙大些會燒穿。如果對接接頭，允許間隙為3mm。要求較高時，裝配間隙應(yīng)小于3mm。

圖1

采用細顆粒過渡焊接角焊縫時，考慮到熔深大的特點，其焊角尺寸K 可以比焊條電弧焊時減少10%～20%，見表2-1。因此，可以進一步提高氣體保護焊的效率，減少材料的消耗。

由于鋼拱分階段焊接要求高，因此坡口間隙3mm，坡口角度小于45°，效果如圖2：

圖2

2.1.2 坡口加工方法與清理

坡口加工方法主要有機械加工、氣割和碳弧氣刨等。CO2氣體保護焊時對坡口精度的要求比焊條電弧焊高。定位焊前，應(yīng)在焊件表面涂一層防濺膠，在噴嘴上涂一層噴嘴防堵劑。焊厚板時，氧化皮能影響電弧穩(wěn)定性、惡化焊縫成形和生成氣孔。

本工程在清根工藝上采用碳弧氣刨+砂輪打磨。

2.1.3 定位焊縫

定位焊是為了防止變形和維持預(yù)先的破口而先進行的點固焊。定位焊易生成氣孔和夾渣。也是隨后進行CO2氣體保護焊時產(chǎn)生氣孔和夾渣的主要原因，所以必須認真地焊接定位焊縫。定位焊縫的定位也很重要，應(yīng)盡可能的使定位焊縫分布在焊縫的背面。當背面難以焊接時，可在正面焊一條短焊縫。焊接時此處就不要再焊了。

定位焊縫的長度和間距，應(yīng)根據(jù)焊件厚度決定。薄板的定位焊縫應(yīng)細而短，長度為15～50mm，間距為30～150mm；中厚板的定位焊縫間距可達100～150mm。為增加定位焊縫的焊接深度，應(yīng)適當增大定位焊縫及其長度，一般為15～50mm 長。現(xiàn)場采用100mm，間距100mm 的短焊縫進行定位焊接。

2.2 焊接參數(shù)的選擇

2.2.1 焊絲直徑的選擇

對于鋼板厚度為1～4mm 時，應(yīng)采用直徑為0．6～1．2mm 的焊絲；當鋼板厚度大于4mm 時，應(yīng)采用直徑大于或等于1．6mm 的焊絲。如果電流相同，那么熔深就會和焊絲直徑之間形成反比關(guān)系；焊絲越細，則焊絲熔化速度越高。焊絲直徑可根據(jù)表1 選擇。本工程由于鋼板厚度較厚，分為6-7 層焊接，每層厚度為4mm，選用1．2mm 焊絲。

表1 焊絲直徑的選擇

2.2.2 焊接電流的選擇

（1）對于焊接電流的確定，應(yīng)當依據(jù)焊絲其直徑、母材的厚度還有接頭的位置。

（2）熔深主要受到焊接電流的影響。在電流增大的過程中，熔深也會不斷增加，同時熔寬也會有所增加。

（3）送絲的速度和焊接的電流之間是呈正比關(guān)系。

（4）如果焊接電流較大，那么熔池也就更大，所形成的焊縫也就越大。

（5）如下表2 為各種直徑焊絲其電流范圍。

表2 焊接電流選擇

由于要多層焊接，因此在電流上選擇了160-200 這個范圍。

2.2.3 電弧電壓的選擇

為了確保焊接的效果，對于電弧電壓的確定應(yīng)當加以重視，通常情況下，電壓范圍在1-2v 之間。如下表3 為最佳電弧電壓和電流位置以及大小的關(guān)系。

表3 不同焊接時電弧電壓的選擇

（1）隨著電弧電壓的增加，焊縫寬度明顯增加，焊縫殘余高度和熔深略有下降，焊縫力學(xué)性能有所下降。

（2）如果電弧電壓較高，那么就會導(dǎo)致飛濺以及焊縫氣孔增加。而如果電弧電壓較低，那么焊絲就會插入到熔池當中，電弧不穩(wěn)定，影響焊縫的形成。

現(xiàn)場根據(jù)電流大小選擇了25-36 之間的電壓范圍。

2.2.4 焊接速度的選擇

（1）如果焊接的速度過快，就會破壞氣體保護作用，并且會導(dǎo)致焊接的效果不佳。而如果焊接的速度過慢，非常容易燒穿焊接處，導(dǎo)致出現(xiàn)大面積焊縫。

（2）在進行半自動焊接的過程中，需要將焊接速度盡可能控制到30m/h。在進行現(xiàn)場焊接時，則應(yīng)當將焊接速度控制到25-45cm/min 之間。

2.2.5 焊絲伸出長度的選擇

（1）焊絲其拉伸的長度和焊接的電流、電壓以及焊絲直徑有著較大的關(guān)系[2]。

（2）隨著焊絲拉伸長度的增加，焊接電流減小，熔深減小，焊縫寬度增大。

（3）如果焊絲較長，就會非常容易出現(xiàn)過度熔化和未熔化的情況，導(dǎo)致飛濺增加，對保護作用產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生氣孔，要是焊絲的長度較短，則很難進行對熔池的觀察，而噴嘴也非常容易被飛濺堵塞。

（4）通常情況下，焊絲其延伸的長度是焊絲本身長度的10-15 倍。當導(dǎo)線細（導(dǎo)線直徑1．2mm）時，導(dǎo)線的延伸長度為8-15mm，當導(dǎo)線粗時，延伸長度為15-25mm。為了避免飛濺，需要盡量減少焊絲的延長，然而隨著焊接電流的不斷增大，焊絲其延長長度也會增加。

現(xiàn)場采用1．2mm 焊絲，伸出長度為10mm。

2.2.6 電流極性的選擇

CO2氣體保護焊主要采用直流反接法。不同極性接法的應(yīng)用范圍及特點見表4。

表4 電流極性的應(yīng)用范圍及特點

現(xiàn)場主要采用短路過渡焊接，因此采用直流反接．

2.2.7 氣體流量的選擇

（1）氣體流量直接影響氣體保護效果。當氣體流量太小時，在焊縫中可能會出現(xiàn)諸如氣孔的缺陷。當氣體流量太大時，不僅會造成氣體浪費，而且由于氧化作用的增強會在焊縫中形成氧化皮，從而降低焊接質(zhì)量。

（2）應(yīng)根據(jù)焊接電流、焊接速度、焊絲延伸長度、噴嘴直徑和焊接位置等因素來考慮氣體流量。焊接電流越大、焊接速度越快、焊絲長度越長、噴嘴直徑越大，外焊和后焊位置越大。

（3）當焊絲的直徑小于或等于1．2mm 時，氣體流量為6-151/ min，當焊絲的直徑大于1．2mm 時，氣體流量為15-251/ min。現(xiàn)場為了保證焊接質(zhì)量，采用較大的出氣量，選用了15-25 升/分[3]。

3 Q345 鋼在CO2 氣保焊時常見缺陷及對策

在實際操作中，由于焊件本身、焊接方式和焊接環(huán)境等因素的影響，在焊接時經(jīng)常會出現(xiàn)一些問題或缺陷。如夾渣、裂紋、氣孔等。

3.1 焊接裂紋

焊接缺陷是焊接零件中最常見和最嚴重的缺陷之一。金屬的可焊性包括兩個方面: 一是焊接引起材料性能的惡化，使得焊件失去其原有的獨特性能，如不銹鋼焊接后的耐蝕性等；第二，缺陷，例如焊接接頭或附近母材中的裂縫和氣孔。裂紋影響焊件的安全使用，是非常危險的過程缺陷。焊接裂紋不僅存在于焊接過程中，有些裂紋還具有一定的疾病潛伏期，有些裂紋是在焊后的重新加熱過程中產(chǎn)生的。焊接裂紋可以根據(jù)其位置，大小，原因和機理進行分類。根據(jù)裂紋形成的條件，可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀裂紋。Q345 鋼的焊接裂紋主要是冷裂紋。

3.1.1 冷裂紋

Q345 鋼的焊接裂紋主要是冷裂紋。主要原因可分為淬火裂紋，氫致延遲裂紋和變形裂紋。

3.1.1.1 定義

當焊接接頭冷卻至較低溫度時會發(fā)生焊接裂紋（對于低于毫秒溫度的鋼，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體）。

主要且最常見的冷裂紋是延遲裂紋（在一段時間的焊接后出現(xiàn)裂紋，因為氫是最活躍的起始因素，氫需要時間擴散、積累和引發(fā)金屬中的裂紋）。

3.1.1.2 產(chǎn)生原因

（1）焊接接頭存在硬化組織和脆性。

（2）高擴散氫含量使接頭變脆，在焊接缺陷處氫分子聚集，產(chǎn)生很大的局部壓力。氫是引起延遲裂化的最活躍因素，因此有人稱其為延遲裂化。

（3）有一個很大的焊接拉應(yīng)力。

3.1.1.3 預(yù)防措施

（1）堿性電極的使用減少了焊接金屬中的氫含量并提高了焊接金屬的可塑性。

（2）減少氫源，干燥焊接材料，并清潔接頭（無油，鐵銹和水）。

（3）避免產(chǎn)生硬化的結(jié)構(gòu)，在焊接前進行預(yù)熱以及在焊接后緩慢冷卻（可能會降低焊接后的冷卻速度）。

（4）降低焊接應(yīng)力，采用合理的工藝規(guī)范，進行焊后熱處理等。

（5）焊接后進行除氫處理（即加熱至250°C 并保持約2-6小時，以使氫從焊接金屬的金屬表面擴散出來）。

3.2 氣孔

一般認為焊接熔池中存在溶解的 N2、 CO 和 H2，這些氣體在焊縫金屬結(jié)晶的瞬間由于熔化極氣體保護電弧焊溶解度的突然降低而析出，但是，當這些氣體沒有時間從熔池中逸出時，會在焊縫中形成孔。因此，氣孔分為氮氣、氫氣和一氧化碳氣孔。

3.2.1 N2 氣孔

氮氣孔經(jīng)常出現(xiàn)在焊縫表面，呈蜂窩狀，或者以彌散形式的微氣孔分布于焊縫金屬中，這些氣孔往往在拋光后檢驗或試水壓試驗時才能被發(fā)現(xiàn)。

氮氣來源：一是由于保護效果不良，空氣侵入焊接區(qū)；二是CO2 氣體不純。

實踐表明，要避免產(chǎn)生氮氣孔，最主要的是應(yīng)增強氣體的保護效果。另外，選用含有固氮元素（如Ti 和Al）的焊絲，也有助于防止產(chǎn)生氮氣孔。

3.2.2 H2 氣孔

焊接熔池中氫的含量正比于電弧空間中氫氣的含量。電弧區(qū)中的H2主要來自焊絲，焊件表面的油和鐵銹以及CO2氣體中的水分。例如，隨著CO2氣體中水分的增加，會提高在焊接區(qū)域內(nèi)氫的分壓，電弧區(qū)中的H2 主要來自焊絲，焊件表面的油和鐵銹以及CO2 氣體中的水分。

表5 CO2 氣體中水分與焊縫金屬含氫量的關(guān)系

3.2.3 CO 氣孔

在金屬結(jié)晶的過程中，由于激烈地析出CO 而產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，而CO 氣體不易逸出，因此在焊縫中形成氣孔。如果在焊縫金屬中Si 的含量不少于0．2%時，就可以防止由于產(chǎn)生CO 氣體而引起的氣孔，這是因為Si 在金屬凝固溫度時能強烈脫氧所致。

在大多數(shù)情況下，CO 氣孔產(chǎn)生在焊縫內(nèi)部，并沿結(jié)晶方向分布，呈條蟲狀，表面光滑。如果焊絲的脫氧能力很低時，CO 氣孔還可能成為表面氣孔。

3.3 焊接飛濺

3.3.1 飛濺產(chǎn)生原因

（1）由冶金反應(yīng)引起的飛濺。飛濺的痕跡主要是由CO 氣體引起的。由于CO2氣體的強烈氧化，熔池中的液滴和碳在焊接過程中被氧化成CO 氣體。在高溫電弧的作用下，CO2氣體的體積迅速膨脹，CO 氣體壓力的增加最終突破了液滴并融化。水池表面的限制形成爆炸，產(chǎn)生大量小飛濺物。

（2）極點壓力引起的飛濺。這種飛濺主要取決于電弧的極性，采用正向焊接時，正離子飛向焊絲末端，機械沖擊力大，造成粒子飛濺大。

（3）熔滴短路時引起的飛濺。當發(fā)生短路時，在焊絲與熔池之間形成小液橋。由于短路電流的強烈加熱和電磁收縮力的影響，導(dǎo)致小電橋斷裂，產(chǎn)生細小顆粒飛濺。

（4）非軸向熔滴過渡造成的飛濺。大熔滴過渡焊接時，由于電弧的排斥作用產(chǎn)生飛濺，形成大顆粒飛濺。

（5）焊接工藝參數(shù)選配不當引起的飛濺。在大熔滴過渡焊接過程中，由于電弧的推力作用，焊接過程中飛濺較大。

3.3.2 減少飛濺的方法

3.3.2.1 選配合理的焊接工藝參數(shù)

（1）通過選擇合適的電弧電壓和適當?shù)碾娀‰妷海梢宰畲笙薅鹊販p少飛濺。如焊接電流為220a，焊接速度為30cm/min，電弧電壓為27-28v，采用1．2mm 焊絲時飛濺較小。

（2）選擇適當?shù)暮附与娏髟谶m當?shù)暮附与娏飨逻M行焊接，飛濺最小。采用1．2mm 焊絲時，焊接速度為30cm/min，焊接電流小于280a 時，飛濺隨焊接電流的增大而增大，但當焊接電流大于280a 時，在一定范圍內(nèi)，隨焊接電流的增大飛濺減小。在250 ～ 280a 范圍內(nèi)，熔滴以液滴形式過渡，造成大量飛濺。

（3）選擇合適的焊接速度，隨著焊接速度的增加，飛濺也隨之增大。

（4）當金屬絲長度過長時，金屬絲很容易過熱而斷成段。焊絲的干伸長度應(yīng)為焊絲直徑的10-12 倍。

（5）選擇合適的焊接電路電感值，采用合適的焊接電路電感值，可以調(diào)節(jié)短路電流的增加速度，從而減少短路飛濺。

（6）掌握適當?shù)膰姌尳嵌龋驗閲姌尳嵌认蚝髢A斜或向前傾斜會使噴槍飛濺增大，所以應(yīng)選擇適當?shù)膰姌尳嵌取?/p>

3.3.2.2 適當控制操作條件及調(diào)整焊接設(shè)備

（1）清潔焊接部位。焊接前，對焊接部位及其周圍的生銹、污垢等進行清理，以減少飛濺。

（2）焊接送絲必須保持穩(wěn)定。最好用導(dǎo)線卷成線圈，送絲軟管可以直線排列；用干燥的壓縮空氣吹出軟管內(nèi)的灰塵、污垢等；時刻檢查導(dǎo)電噴嘴前面是否有粘附飛濺；檢查導(dǎo)電噴嘴磨損情況，如果磨損嚴重應(yīng)及時更換。

（3）確保焊機與地線的輸入連接良好。

（4）焊接電纜的長度必須適當，焊接電纜過長，會增加飛濺。

（5）直流反極性電源，反極性時飛濺小，電弧穩(wěn)定。

（6）焊接時應(yīng)盡量避免磁性吹擊。

（7）二氧化碳氣體的純度應(yīng)足夠，用于焊接的二氧化碳氣體的純度應(yīng)不低于99．5% 。新填充的二氧化碳氣瓶含有水分，直接用于焊接時容易形成氣孔和飛濺，應(yīng)去除氣瓶中的水分。首先將新的灌裝筒倒置1-2 小時，然后打開閥門，排出沉積在筒體下部的游離水。將水排干后，將圓筒放回直立位置。氣體仍然需要放氣2～ 3 分鐘才能使用，放氣的氣體可能含有水從鋼瓶的頂部。

采用 co2+ 30% ar 作為保護氣體的 co2+ ar 混合熔化極氣體保護電弧焊，熔滴過渡細小，電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小，焊縫成形美觀，焊接波形好。

為了防止少量飛濺接觸工件，可在焊縫附近涂抹適當?shù)幕刍蚴宜繉樱行Х乐癸w濺接觸工件。

4 結(jié)語

本文通過對Q345 鋼的CO2 氣體保護焊的工藝分析得出以下結(jié)論：

（1）通過對Q345 鋼的物理化學(xué)性能的分析，可以看出該鋼種碳含量低，焊接性好，應(yīng)用范圍廣。但是在焊接方面還有很多問題，我們需要改進。

（2）二氧化碳熔化極氣體保護電弧焊具有許多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的焊接，對提高焊接生產(chǎn)率起著重要作用。

（3）二氧化碳熔化極氣體保護電弧焊的焊接工藝嚴格，是保證其焊接性能的關(guān)鍵。

（4）Q345 鋼可以很好地利用二氧化碳熔化極氣體保護電弧焊，但在焊接過程中會出現(xiàn)一些焊接缺陷，我們需要采取一些措施盡量避免這些缺陷，以便更好地滿足生產(chǎn)需要。

（5）通過工藝分析，焊接可以采取坡口形式，焊縫位置，焊接參數(shù)，焊接順序控制可以很好的進行焊接。