二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝分析

趙 鵬

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠， 山西 太原 030053）

引言

隨著鋼結構在項目施工中應用范圍的不斷擴大，對構件之間的連接強度和連接效率要求不斷提高，特別是在關鍵的承重構件上，要求焊接連接區域能夠承受巨大的應力沖擊，因此通常采用氬弧焊的方式進行連接。但在應用中發現在焊接過程中不僅需要多次的翻轉構件，而且要在構件的背面進行清根及焊接，施工工序多，施焊效率低。特別是在空間區域狹小時，焊件背面難以進行徹底的清根，在焊接過程中難以進行觀察，導致焊縫夾渣、咬邊現象嚴重，給焊接效率和焊接質量造成了嚴重的影響。因此，提出了一種新型的二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝。該工藝在焊接時在工件上設置焊接坡口，然后在坡口的背面設置一個襯墊，從而實現在單個方向上施焊在坡口兩側形成焊縫的效果，該方案無需進行專門的背面清根、無需進行背面焊接，有效提升了狹小區域焊接時效率低、成型質量差的難題。

1 焊接坡口及襯墊選擇

在鋼結構工程中，應用最廣泛的材料為Q235鋼材，因此在進行二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝研究時以Q235 鋼板為焊接對象，鋼板的尺寸為250 mm×160 mm×14 mm，保護焊的焊條選用E501T 藥芯焊絲，該焊絲的直徑為1.2 mm，鋼板厚度和焊絲類別均為工程施工中的常用材料。焊接時選用純度為99.5%的二氧化碳氣體作為保護氣體，選用柔性大、耐熱性好、成本低的陶瓷襯墊作為背面的襯墊[1]。

焊接坡口的類型和焊接時兩個零件的配合結構直接影響焊接的質量，經過試驗驗證，影響二氧化碳氣體保護焊焊接質量的坡口參數主要包括了坡口的鈍邊尺寸、零件的反變形量、錯變量以及兩個零件之間的裝配間隙及坡口角度。在各影響參數中坡口角度尺寸尤為重要，坡口角度選擇時應保證電弧能夠順利觸及工件的底部并熔透，根據實際驗證坡口角度設置為45°±5°。焊接坡口鈍邊如果過大則容易造成坡口的底面無法焊透，鈍邊的尺寸不足則極易造成焊接時的燒穿，二者均會造成焊接區域結構強度不足，影響連接可靠性，根據實際驗證工件鈍邊尺寸設置為1～2 mm。兩個零件之間的裝配間隙則會影響到焊接時的焊接效率和成型質量，間隙過大焊接效率高，但工件易熔透，間隙不足時零件難熔透而且焊接效率低下，根據實際驗證設置焊接開始段的焊接間隙為0～2 mm，結束段的焊接間隙為2.5～3 mm。在焊接過程中由于零件受熱膨脹，會導致零件間的間隙發生變化，因此需要預設一定的變形量，抵消焊接時熱脹冷縮的影響，經過大量的實驗驗證后，Q235鋼板的反變形量為2°～3°，兩個零件配合時的錯邊量為1 mm。焊接配合結構如圖1 所示[2]。

2 焊接參數選擇

二氧化碳氣體保護焊在焊接時的焊接速度、焊接角度、干伸長量及保護氣體流速均會對雙面焊接的質量產生影響，在進行單側焊接雙面成型的過程中需要合理地制定焊接工藝參數，確保焊接質量。

圖1 二氧化碳氣體保護焊坡口結構示意圖（單位：mm）

二氧化碳氣體保護焊在進行單側焊接雙面成型的過程中，由于坡口的影響，焊接速度成為影響焊縫質量的核心，根據實驗驗證，當其他焊接參數不變時，焊接速度越大焊縫的寬、深、焊縫余高越小，反之就越大。特別是當焊接速度大于3.9 m/s 后，由于高速的移動導致在保護氣體未形成有效保護區域前就完成了焊接，因此在焊縫中易產生大量的氣孔，焊縫面變窄、余高變低。當焊接速度小于1.5 m/s 時，單個區域的焊接時間增加，焊接熔深大、焊縫余高突出，極易產生燒穿現象。因此在實際焊接時，將焊接的速度設置在1.6～3.8 mm/s 之間，考慮到在開始焊接時工件溫度較低，因此可采用先預熱并低速焊接的方案，待工件溫度升高后再逐級地提升焊接速度，確保焊接效率和焊接質量的統一性。焊接速度過大或者過小時的焊接效果如圖2 所示。

圖2 焊接速度異常情況下的焊縫結構示意圖

在焊接過程中，焊絲和工件之間的傾角不足時容易導致未焊透現象，難以在背面形成焊縫，而當焊絲和工件之間的傾角過大時又容易產生過燒，導致熔池形狀變形、焊絲和熔池分離、焊接中斷。在經過多次試驗驗證后確定焊絲和工件間的焊接傾角在72°～88°之間時具有最佳的焊接效果。

焊接過程中焊絲的干伸長量較大時在移動的過程中容易產生晃動，導致背面焊縫成形不均勻，當干伸長量較小時會導致噴嘴和焊件之間的距離不足，焊接時的焊渣容易堵塞噴嘴，因此當采用自動焊接時焊絲的干伸長量一般保持在9 倍藥芯焊絲的直徑[3]。焊接時一般選擇二氧化碳保護氣體的流速15 L/min。

3 單面焊接雙面成形操作要點

在焊接的過程中首先對焊接區域坡口兩側進行清理，然后利用定位焊對焊板進行固定，在坡口的背面設置陶瓷襯墊，焊件的坡口參數按上文分析進行選擇。定位焊接完成后在焊縫處進行打底焊，為了確保焊接的連續性，焊弧應該穩定在坡口的底面，采用半月形的擺動方式，在擺動的時候需要在坡口的兩邊進行約2 s 的停留，確保焊接區域的坡口徹底熔透。在焊接下一道焊縫的時候需要對連接區域的焊道上的焊渣、氧化皮等清理干凈，避免焊接時出現夾渣和裂紋。待完全焊完并冷卻后除去焊縫背面的陶瓷襯墊，并用鋼刷對背面的焊渣進行清理[4]。

在進行焊接的時候，需要保證焊接的連續性，避免出現接頭，若某些因素影響，導致必須有焊接接頭時，需要在焊接前對焊縫進行拋光處理，使之形成平緩的過渡面，然后在搭接處保證不低于30 mm 的搭接段，從而保證焊縫連接的緊密性。焊接后正面和背面焊縫結構如圖3 所示。

圖3 兩面成型焊接結構示意圖

根據實際驗證表明，采用新的二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝后，對長度為100 m 的焊縫進行焊接，焊接時間由最初的86 s 降低到了目前的67.6 s，焊接速度提升了21.4%。焊接后焊縫位置的抗拉強度為437 MPa，比優化前的421 MPa 提升了3.7%，焊接后的夾渣、裂紋、氣孔等不良率比優化前降低了89.6%。而且優化無需進行工件翻轉、背部焊接等，極大地提升在小空間內的操作可行性，對提升焊接效率和質量具有十分重要的意義。

4 結論

1）坡口角度設置為45°±5°，工件鈍邊尺寸設置為1～2 mm，焊接開始段的焊接間隙為0～2 mm，結束段的焊接間隙為2.5～3 mm，鋼板的反變形量為2°～3°，兩個零件配合時的錯邊量為1 mm，襯墊選用陶瓷襯墊，能夠確保兩面成型過程中的焊接穩定性；

2）二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝能夠將焊接速度提升21.4%，將焊接后的抗拉強度提升3.7%，焊接不良率降低89.6%，極大地提升了在小空間內的操作可行性。