CO2 氣體保護(hù)焊單面焊雙面成形焊接技術(shù)研究

楊家雷

（中核華辰建筑工程有限公司，西安710000）

1 引言

CO2氣體保護(hù)焊是用CO2作為保護(hù)氣體，依靠焊絲與焊件之間產(chǎn)生的電弧來熔化金屬的一種氣體保護(hù)熔化焊方法。它有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）明弧焊接熔池可見度好，便于觀察，操作方便；（2）適用范圍廣，可以進(jìn)行全位置焊接；（3）焊后變形??；（4）生產(chǎn)效率高[1]。

CO2氣體保護(hù)焊單面焊雙面成形工藝是采用連續(xù)擊穿焊法，從坡口面進(jìn)行焊接，在坡口間隙處通過控制焊接時(shí)的熔池金屬來實(shí)現(xiàn)單面焊接雙面同時(shí)形成均勻焊縫的操作方法。本文介紹了一種新型的工藝，通過在背面加襯墊從而達(dá)到單面焊雙面成形的效果，不僅克服了傳統(tǒng)工藝背面穿絲的缺點(diǎn)，也保證了焊接質(zhì)量，降低了操作難度。

2 工程概況

在西北某專項(xiàng)工程鋼結(jié)構(gòu)制作時(shí)，部分板材需進(jìn)行等強(qiáng)拼接，背面焊縫需進(jìn)行清根處理和焊接，焊接過程中需來回多次翻轉(zhuǎn)構(gòu)件，施工工序較多，導(dǎo)致施工效率降低。并且部分構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置存在多個(gè)等強(qiáng)連接的加勁板或連接板，但由于操作空間狹小，刨槍和焊槍伸入較困難，焊接時(shí)熔池?zé)o法觀察，常導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生夾渣、咬邊、未焊透等質(zhì)量缺陷，無法保證焊縫的等強(qiáng)連接強(qiáng)度。采用本工藝時(shí)，通過在坡口背面粘貼柔性襯墊，進(jìn)行單面焊接便能達(dá)到雙面成形的效果，無需進(jìn)行背面焊接，解決了作業(yè)空間狹小節(jié)點(diǎn)焊接困難的問題，減少焊接工序，提高焊接效率。

3 工藝準(zhǔn)備

3.1 需用材料和工機(jī)具

本試驗(yàn)需用的材料為：Q235B 鋼板2 塊，規(guī)格為200mm×150mm×14mm；型號(hào)為E501T-1 藥芯焊絲，焊絲直徑φ1.2mm；型號(hào)為NBC-500 的逆變焊機(jī)，焊接襯墊采用一種柔性陶瓷焊接襯墊，保護(hù)氣體采用純度大于99.5%的CO2氣體。

3.2 坡口形式及組裝

坡口形式和組裝是影響焊縫成形的重要因素，焊縫坡口鈍邊、坡口角度和形式、組對(duì)間隙。坡口角度是影響焊縫成形的主要因素，為了使電弧能深入焊縫根部并熔透，保證背面的成形質(zhì)量，因此，在保證根部熔透和背面成形質(zhì)量的前提下，可減少坡口角度；坡口鈍邊過大時(shí)根部不易焊透，但鈍邊太小時(shí)容易導(dǎo)致燒穿。組對(duì)間隙過大時(shí)工件易被燒穿，但過小時(shí)無法熔透。因焊接時(shí)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生變形，在焊接前需進(jìn)行反變形控制。焊接熱輸入隨著焊接的進(jìn)行而增加，工件的收縮變形也會(huì)增大，終焊端的間隙宜比始焊端大。因此，在經(jīng)過多次試驗(yàn)后，采用表1 中的參數(shù)進(jìn)行焊接時(shí)焊接質(zhì)量良好。

表1 試驗(yàn)采用的裝配參數(shù)

4 主要參數(shù)的選擇

4.1 電流和電壓

焊接電流和電壓是影響焊縫熔深的關(guān)鍵性因素，焊接電壓與焊接電流一般成正比關(guān)系，隨著焊接電流的變化而變化。

4.2 焊接速度

焊接速度對(duì)焊縫的尺寸、形狀、熔深及焊縫組織等都有較大影響。當(dāng)電流和電壓、焊絲的直徑等參數(shù)固定時(shí)，焊縫的熔寬、熔深和余高與焊接速度成反比關(guān)系，會(huì)隨著焊接速度的增大而減小。當(dāng)焊接的速度V＞4mm/s 時(shí)，容易破壞氣體的保護(hù)作用，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生大量的氣孔。同時(shí)，背面焊縫熔寬較窄，余高較低，而且會(huì)產(chǎn)生未焊透等現(xiàn)象，如圖1 所示。而當(dāng)焊接的速度V＜2mm/s 時(shí)，焊縫的熔寬會(huì)隨著焊接速度的變小而顯著增大，焊縫的余高會(huì)增大，熔池的集中熱量過大，從而產(chǎn)生燒穿或焊瘤等缺陷，如圖2 所示。因此，焊接速度宜保持在2～4mm/s。試件開始焊接時(shí)溫度較低，為了保證背面焊縫能夠熔透，焊接速度要緩慢，而隨著焊接熔池的推移，試件的溫度升高，可以適當(dāng)?shù)靥岣吆附铀俣?，確保背面焊縫成形一致性。

圖1 V＞4mm/s 時(shí)的焊縫背面成形

圖2 V＜4mm/s 時(shí)的焊縫背面成形

4.3 焊絲與焊板角度

焊絲與試件的角度是保證封底焊焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，它決定了背面焊縫的成形質(zhì)量。當(dāng)焊槍傾角太小，無法形成熔孔和熔透焊縫根部時(shí)，從而無法形成背面焊縫；當(dāng)焊槍后傾角太大，會(huì)破壞熔池的形狀使焊絲脫離熔池，焊接過程發(fā)生中斷。焊絲的指向方與焊接方向最佳呈70°～90°。

4.4 干伸長量控制

干伸長量會(huì)影響焊接的穩(wěn)定性，當(dāng)干伸長量過大時(shí)，焊接過程不穩(wěn)定，焊縫成形不均勻；當(dāng)干伸長量太小，會(huì)減小噴嘴與工件的距離，噴嘴過熱，使噴嘴被飛濺物堵塞，導(dǎo)致焊道成形不良。一般來說，最佳干伸長度為10d（d為焊絲直徑）。

4.5 氣體流量

氣體的流量對(duì)熔池保護(hù)效果有直接影響，當(dāng)焊接電流較大，相應(yīng)氣體流量也較大，反之則較小。氣體流量一般控制在15～20L/min。

4.6 操作要點(diǎn)

氣體保護(hù)焊是一種明弧焊接工藝，容易觀察熔池的形成，可以控制熔池在焊接過程中的變化和熔孔的形狀，從而保證焊縫成形的一致性。焊接時(shí)采用雙手進(jìn)行操作，要保證焊槍的平穩(wěn)，一般采用一只手的食指按住焊槍的開關(guān)，另一只手握住焊槍的鵝頸部分。

4.7 試驗(yàn)采用數(shù)據(jù)

試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)采用的焊接參數(shù)

5 焊接過程

5.1 定位焊

焊前將試件的坡口及坡口兩側(cè)清理干凈，采用定位焊固定試板，將定位焊縫兩端用角磨機(jī)打磨成斜坡狀，以便焊接時(shí)更好過渡。然后加上引、收弧板，產(chǎn)生一個(gè)大約3°的反變形，在試板背面貼好柔性襯墊。

5.2 打底焊

打底焊的操作要點(diǎn)是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，同時(shí)也是影響背面成形的關(guān)鍵因素，焊接過程中的焊接速度、擺動(dòng)幅度、停留時(shí)間等均會(huì)影響焊縫的成形質(zhì)量。在焊機(jī)啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，引弧時(shí)需在引弧板上進(jìn)行，嚴(yán)禁在其他部位引弧，焊接過程中需保持電弧的穩(wěn)定性，保持電弧在坡口根部進(jìn)行穩(wěn)定的燃燒，擺動(dòng)方式采用月牙形，擺動(dòng)幅度不宜過大，在坡口的兩側(cè)需停留一端時(shí)間，使焊縫根部熔透。焊接過程中需時(shí)刻觀察焊縫熔池和熔孔的尺寸，根據(jù)其變化來調(diào)整焊接速度和擺動(dòng)幅度，從而保證背面焊縫成形的均勻性，一般熔孔的直徑比坡口間隙大0.5～1mm 為宜[2]。

5.3 填充、蓋面焊

填充焊和蓋面焊的操作方法與打底焊基本一致，焊絲伸長量可適當(dāng)增大1～2mm。焊接時(shí)的擺動(dòng)幅度會(huì)隨著焊道的增加而增大，但擺動(dòng)幅度也不宜過大，避免出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，不得破壞坡口的棱角。焊接時(shí)需在工件的坡口兩側(cè)稍加停留，熔化工件表面，避免產(chǎn)生未焊透現(xiàn)象。在焊接下一個(gè)焊道時(shí)，需將上一個(gè)焊道表面的氧化層和飛濺打磨干凈，避免出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象。當(dāng)焊縫焊接完成并完全冷卻之后，將背面柔性襯墊拆除，并采用鋼絲刷將背面焊縫表面清理干凈。

5.4 焊縫接頭

在焊接過程盡量保持每一道焊縫一次成形，避免出現(xiàn)焊接接頭。但當(dāng)出現(xiàn)焊接中斷時(shí)，需磨光機(jī)對(duì)焊縫的接頭部位進(jìn)行打磨成緩坡形，從而保證焊接接頭的平緩過渡。在打磨時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)行大面積的打磨，破壞工件的坡口和已成形的焊縫，從而使焊接過程中產(chǎn)生缺陷。每一道焊縫焊接時(shí)均需引出到收弧板上，保證正式焊縫的質(zhì)量，焊接完成之后需去除引弧板和收弧板。

6 焊縫質(zhì)量

6.1 焊縫外觀

試件焊接完成后用鋼刷清除焊縫及表面的飛濺及焊渣，試件的正反兩面的焊縫外觀均良好美觀，平滑整齊，沒有任何的咬邊、氣孔、未熔合、裂紋和夾渣等缺陷，背面焊縫成形如圖3 所示，正面焊縫成形如圖4 所示。

圖3 背面焊縫成形

圖4 正面焊縫成形

6.2 焊縫內(nèi)部

焊縫內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X 射線100%探傷檢驗(yàn)和超聲波100%探傷檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部沒有裂紋、氣孔、夾渣等任何缺陷。

6.3 力學(xué)性能

將試件按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸、彎曲和沖擊試樣，然后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)到435MPa，且斷在母材上；2 個(gè)面彎和背彎的試樣彎曲到180°以后，試樣的焊縫區(qū)沒有出現(xiàn)缺陷；3 組沖擊試樣分別為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)（距融合線1mm）和熱影響區(qū)（距融合線4mm），3 組沖擊試樣的沖擊功都符合Q235B 的沖擊功的要求。因此，試樣經(jīng)過拉伸、彎曲和沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)，力學(xué)性能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，檢驗(yàn)合格。

7 結(jié)語

通過工藝試驗(yàn)和施工驗(yàn)證，采用加柔性襯墊的CO2氣體保護(hù)單面焊雙面成形工藝不但解決了狹小作業(yè)空間焊接困難的問題，也減少了施工工序，提高了施工效率，同時(shí)，CO2氣體保護(hù)焊單面焊雙面成形焊接質(zhì)量可靠，并有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）正背面焊縫成形美觀一致，焊縫質(zhì)量高、缺陷少；

2）焊接速度快、焊接效率高；

3)操作方法簡單、熔池容易控制，對(duì)焊工的技術(shù)要求較低，易推廣，可以在生產(chǎn)中取得良好的效果；

4）前景良好，在此基礎(chǔ)上可以采用自動(dòng)化單面焊雙面成形焊接。