CO2气体保护堆焊

CO2气体保护堆焊（精选九篇）

CO2气体保护堆焊 篇1

1 可焊性分析

以往, 对于多数含有油挡配合面的零件由于焊接修复时不发生变形, 常采用手工电弧堆焊进行修复。例如, 平衡肘、曲臂、侧减速器被动轴等。而对于易变形的薄壁零件用手工电弧焊的方法显然不适合。因为用这种方法很容易造成更大的变形。另外, 这类零件由于数量多、尺寸大、重量大、形状不规则的原因, 修复起来比较困难。而CO2气体保护焊在这些方面就比较有优势。它有如下特点:

1.1 生产效率高

由于此方法焊丝给送自动化, CO2电弧的穿透力强, 焊接时电流密度大, 熔敷系数高, 因此提高了生产率。另外, 焊丝没有焊渣, 特别是多层焊时, 节省了层间清渣时间, 较适合于批量修复。生产率可比手工电弧焊提高3倍。

1.2 焊接成本低

CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品, 价格低廉, 焊丝代替了焊剂和焊条, 而且电能消耗少, 因而CO2气体保护焊的成本只是埋弧焊和手弧焊的40~50%左右。

1.3 抗氧化能力强

CO2焊时采用高Si高Mn型焊丝, 由于焊丝含有较多的Si、Mn等元素。它具有较强的还原抗氧化能力。因此焊层不易氧化, 不易产生气孔, 故亦有较强的抗裂性, 比较适合于低中碳钢及合金钢的焊接。

1.4 操作性能好

因为此方法为明弧焊, 能清楚地观察焊接过程的情况, 可以随时发现问题。同时, 它具有手工电弧焊的方便、灵活和适应性强的优点, 而又不象手弧焊那样需要更换焊条可以进行连接及全位置焊接。尤其是半自动化CO2气体保护焊。

1.5 可焊的板厚范围大

CO2气体保护焊焊层最薄可达1mm左右, 最厚几乎不受限制 (可用多层焊) 。

一般焊丝 (实芯焊丝) CO2气体保护焊在具上述优点的同时, 还有一些缺点, 如焊接过程有金属飞溅, 焊接外形较为粗糙及电弧气氛具有较强的氧化性等。而如采用目前比较先进的药芯焊丝CO2气体保护焊, 它除具备实芯焊丝CO2气体保护焊及手弧焊的共同优点外, 还摒弃了他们的弊端, 更具优势。

1.5.1 焊接质量高

由于焊接熔池受到CO2气体和熔渣 (来源于药芯) 两方面的保护 (即气—渣联合保护) , 所以药芯焊丝CO2气体保护焊抗气孔、抗蚀、抗裂能力比实芯焊丝CO2气体保护焊强。

1.5.2 焊接飞溅少

由于这种焊丝的药芯中加入了稳弧剂, 而使电弧稳定燃烧, 导致熔滴为均匀地喷射状过渡。所以焊接飞溅少, 而且飞溅颗粒也小, 减少了清理焊渣的工时及对非焊工作表面的伤害。

1.5.3 焊缝 (层) 成形美观

药芯焊丝熔化时产生的熔渣覆盖在熔池表面, 对于焊缝成形起着良好的保护作用。焊缝成形类似于手弧焊, 较一般焊丝CO2焊美观得多。

1.5.4 有利于焊层合金化

利用药芯焊丝CO2气体保护焊时, 可以通过调整或选择粉剂的成分来焊接不同的钢种或零件, 而不象冶炼实芯焊丝那样复杂。在堆焊试验研究和生产中尤为方便。

2 焊接工艺参数的选择

在采用药芯焊丝CO2气体保护半自动焊堆焊坦克零件上的各种油挡配合面时, CO2气体的纯度、焊接速度、电感值、焊丝伸出长度、导电嘴孔径以及气体流量等工艺规范与使用实心焊丝时一致, 只是关键要注意三个问题:一是焊丝的选择;二是对焊接设备的要求;三是电弧电压及焊接电流的确定。

2.1 药芯焊丝的选择

2.1.1 焊丝截面形状

药芯焊丝是由08A冷轧薄钢带 (经光亮退火) 经轧机纵向折叠加粉后拉拔而成的, 截面形状种类颇多, 但简单地可分为两大类:简单截面的“O”形和复杂断面的折叠形。折叠形中又可分为“T”形、“E”形、“梅花”形和“中间填丝”形等, 如图1。通常, 药芯焊丝截面形状越复杂, 越对称, 电弧越稳定, 药芯的冶金反应和保护作用越充分, 熔敷金属中含氢量越少。由于小直径折叠焊丝制造较困难, 因此一般d<2.4m m时焊丝均制成“O”型;d>2.4m m时焊丝可制成折叠型。由于修复油挡配合面时堆焊层厚度一般在1mm左右, 所以可采用φ28“E”形或“中间填丝”形截面的焊丝。

2.1.2 药芯材料

药芯焊丝按其内部填充材料不同可分为:油造渣剂的造渣型及无造渣剂的金属型。金属型药芯焊丝的焊接特性类似于实芯焊丝, 在抗裂性和熔敷效率等方面优于造渣型药芯焊丝, 但其保护效果不同造渣型焊丝。目前正逐步取代实芯焊丝。在修复油挡配合面时, 若要求薄的堆焊层, 需采用多层焊时, 可采用金属型药芯焊丝。这样可以不必采用中间除渣的工序, 有利于焊接连续进行, 提高了生产效率, 并且还可以向熔池中过渡一些合金元素 (例如Mn、Si等) , 从而有利于焊层的合金化, 提高零件表面的耐磨性。

2.2 对焊接设备的要求

在使用实芯焊丝CO2气体保护焊时, 对电源的动特性和外特性较高的要求。而在药芯焊丝CO2气体保护焊中, 由于焊丝中粉剂改变了电弧的特性, 因此直流、交流、平特性或下降外特性的电源均可使用。采用直流电源时, 仍采用直流反接法。

由于药芯焊丝是由薄钢皮卷成的, 所以与实芯焊丝相比, 其刚性较差, 焊丝体较软。因此对送丝机构的要求和实芯焊丝不一样。送丝滚轮的压力不能太大, 否则会使焊丝变形。为了增加送丝滚轮与焊丝的接触面, 以增加送进力, 通常配备两对主动送丝滚轮, 甚至可以配备三对送丝滚轮。送丝机构中最好还要设置焊丝校直机构, 焊丝盘应采用开式的, 盘绕后的焊丝应曲率均匀, 不应有局部弯曲。

2.3 电弧电压和电流强度的确定

药芯焊丝CO2气体保护焊要求的电弧电压在25~35V之间, 若选用φ2.8的焊丝, 可以使用400A左右的电流。

3 操作时应注意的几个环节

3.1 引弧

引弧前要把原灭弧的焊丝头所形成的球状端头剪去, 因为它在引弧时会引起极大的飞溅。

3.2 采用环形螺焊

环形螺焊时焊枪通常位于焊件中心垂直位置。并以一定的速度沿轴长方向运动, 呈螺旋进给, 施焊时焊件放在旋转工作台上转动, 如图2:

3.3 收弧

收弧方法十分重要。基本方法是采用断续送丝填满弧坑, 并在熔池未凝固前不停CO2气体的进给, 否则易产生弧坑、气孔和裂纹。

摘要：本文通过对中型坦克部分零件采用药芯焊丝CO2气体保护堆焊可焊性的分析, 介绍了焊法、焊接工艺参数的选择及焊接时应把握的环节, 探讨了药芯这种新型的焊接材料在坦克零件修复过程中的应用前景。

CO2气体保护堆焊 篇2

一、氮气孔

产生原因：CO2气流保护不好或CO2纯度不高而造成的。当N2大量地熔于金属熔池中，焊缝金属结晶凝固时，氮在金属中的熔解度突然降低，来不及逸出，从而形成气孔。

控制措施：保证C O2气体流量在15-25L/min以内，实际生产中常用80%Ar+20%CO2。由于Ar的稳定性高，保护效果会更好。

二、CO气孔

产生原因：脱氧不足，以致大量FeO不能还原而熔于金属熔池中，凝固时与C发生反应，生成Fe和CO，CO气体来不及逸出，形成气孔。

控制措施：焊丝有足够的脱氧元素（Si,Mn），严格控制焊丝含碳量，即可减少CO气孔。

三、氢气孔

产生原因：其形成过程与氮气孔形成过程相同，氢的来源和焊件、焊材表面的铁锈、水分、油污等杂物有关，也与CO2气体含水分、酒精等有关。这些水份，油污，酒精在高温作用下会产生H2，在治金冷却过程中来不及逸出，就会产生氢气孔。

控制措施：严格清理焊件与焊丝表面杂物，控制CO2气体纯度，可有效防止氢气孔的产生。

实际操作过程中如果产生气孔：可按如下顺序自查：

1、气体流量不足;

2、风速是否大于1m/ s；

3、焊枪喷嘴是否堵塞；

4、气管是否漏气；

5、焊枪过高；

CO2气体保护堆焊 篇3

关键词：CO2气体保护焊 飞溅

【中图分类号】TG44

引言

CO2气体保护焊作为一种高效率的焊接方法，已得到广泛应用。其主要的缺点是飞溅大，飞溅高达10%左右，从而给企业造成很大的经济损失。同时为获得良好的表面质量，去除飞溅，要花费大量的人力物力，所以减少CO2气体保护焊在焊接过程中产生的飞溅是应用中的重要问题之一。

一、CO2气体保护焊产生飞溅的原因

CO2气体保护焊产生飞溅的主要原因是由于CO2气体物理性质决定的，CO2气

体在电弧温度区间热导率较高，加上分解吸热消耗电弧大量热能，从而引起弧柱和电弧斑点强烈收缩。即使增大电流，弧柱和斑点直径也很难扩展，而弧柱和斑点直径太小，极易引起飞溅。

二、采取的措施

1、改善焊接电源

脉冲CO2焊接法

1）脉冲可控过度CO2焊接法。其原理是在溶滴形成的后期加入方波脉冲，实现每

个脉冲间有一溶滴过度到母材上。这种方法的关键是加入的时间要恰当，要保证电流脉冲在溶滴形成后期加入，这样能使弧根扩展上爬，实现非短路过渡。

2）负脉冲电流诱导过渡CO2焊接法。这种方法的原理是用一个负脉冲电流讯导号

发生器，在溶滴短路之前发生一个负脉冲，使焊接电流迅速降低下来，减小溶滴中积累的能量，从而减少由于电爆炸带来的飞溅。当溶滴与熔池短路时负脉冲电流讯号发生器输出信号为零，这时短路电流比常规CO2焊接电源大得多的短路电流上升率上升，这有利于利用电磁收缩效应加速溶滴过渡。该方法燃弧时间可控，溶滴過渡有规律，溶滴颗粒均匀，电弧稳定飞溅大大减少。

2、正确选择工艺参数

1） 焊接电流与电弧电压

电弧电压（电弧电压、焊接电压、修正电压）过高或过低对焊缝成形飞溅、气孔及电弧的稳定性都有不利的影响。短路过渡时，如果电弧电压太低，则弧长很短，短路频率很高，电弧燃烧时间短，可能焊丝端部还来不及熔化就插入熔池，会发生固体短路。因短路电流很大，致使焊丝突然焊断，使气体突然膨胀，从而冲击熔池，产生严重飞溅，如果电弧电压过高，则由短路过渡变成上挠排斥过渡。在保证焊透、成形良好的情况下，尽可能采用大电流。但电流过大，使工件变形增大，飞溅增大。

2） 焊枪角度

焊枪的倾角决定了电弧力的方向，当CO2气体保护焊焊枪垂直焊接时飞溅率最小， 焊枪倾角越大， 飞溅越多，一般焊枪倾角最好不超20°。

3） 焊丝伸出长度

当送丝速度不变时，焊丝的预热作用随焊丝伸出长度的增加而增强。焊丝伸出长度短时，电阻预热作用小，电弧功率大、熔深大、飞溅小；伸出长度长时，电阻对焊丝的预热作用强、电弧功率小、熔深浅、飞溅多。

3、焊接材料控制飞溅的措施

在焊丝中加入稳弧剂和脱氧剂，以控制飞溅。稳弧剂不仅可使熔滴表面张力下降、细化熔滴，还可使电弧中电弧气体的有效电离电位降低，促进弧根扩展，电磁收缩力的轴向分力变成推动熔滴过渡的作用力，从而减少飞溅。脱氧剂使FeO脱氧，同时对烧损的合金元素予以补充。这样使CO2气体的氧化性造成的飞溅可得以控制，因此在焊丝中加入一定量的脱氧剂（与氧亲合力比铁大的合金元素），使FeO中的铁还原。

1）用实芯焊丝焊接时，应采用Si、Mn等脱氧元素的焊丝。同时，在保证机械性能前提下，降低焊丝含碳量可减少飞溅。此外，焊丝拔丝工艺对金属飞溅量也有影响，不同工厂生产的焊丝，尽管化学成分相类似，但在焊接过程中产生的飞溅量大小往往不一样。

2） 药芯焊丝。由于药芯焊丝为气—渣联合保护，且药芯成分中有稳弧剂， 因此电弧稳定， 熔滴为均匀的喷射状过渡，飞溅少。通常药芯焊丝CO2气体保护焊的飞溅率约为实心焊丝的35%。

4、颗粒过渡焊接时在气体中加入Ar

在CO2气体中加入Ar，可以改变纯CO2气体的物理性质和化学性质，随着Ar比例增大，飞溅率将逐渐减少，80%Ar+20%CO2是最为理想的配比，飞溅率最低。所以在CO2气体中加入Ar是减少焊接飞溅产生的有效途径。

5、限制金属液桥的爆断能量

CO2气体保护焊短路过渡时， 在短路末期短路液桥缩颈电爆炸飞溅是产生飞溅的主要形式， 即在短路过程中形成的液桥被急剧加热， 过量的能量积累导致液桥气化爆炸而引起飞溅， 因此设法使短路液桥的金属过渡趋于平缓是减少飞溅的有效措施。可采取下面的方法。

1）直流回路电感法。在焊接回路中， 为使焊接电弧稳定和减少飞溅， 一般需串

联合适的电感， 即在焊接回路中串接电抗器、电阻或增大电源变压器的阻抗， 这样可以限制短路电流增长速度及峰值电流， 可以控制引起飞溅产生时的能量，一旦焊接过程稳定下来以后， 就不要随便改动。

2） 电流切换法。在短路过渡时， 即在金属液桥缩颈达到临界尺寸之前短路电流逐渐增大， 在短路电流增大前进行电流切换， 将电流从高值切换到低值， 这样液桥缩颈便处于小的电磁收缩力的作用下，而缓慢断开， 这就消除了液桥爆断产生飞溅的因素， 飞溅率可降低2%～3%。

3） 电流波形控制法。通过控制输出电流波形，使金属液桥在较低的电流时断开， 而在将临短路时，再由高值电流改变成低值电流，使短路时的电流较低，而处于高温状态的熔滴形成的短路液桥温度较高，施加很小的能量就能实现金属的过渡与爆断，从而限制了金属液桥爆断能量，能够降低飞溅。

三、结束语

CO2气体保护焊产生飞溅的因素是多方面的，通过一定得材料措施可以有效控

CO2气体保护焊焊接工艺参数分析 篇4

关键词：CO2气体保护焊,对接焊缝成型,焊接工艺参数

0 引言

焊接技术是制造业重要的组成部分, 现代制造技术的发展离不开焊接技术, CO2气体保护焊以其独特的优势在工业生产中发挥着极其重要的作用。对接焊缝是最好的接头形式, 它在钢结构件承受静载和动载时安全可靠, 疲劳强度较高, 应力集中和变形较小。所以, 对接焊缝是制造业当中选用最多的接头形式, 也是焊接质量要求较高的焊缝。

1 CO2气体保护焊的特点

CO2气体保护焊的电弧热量集中、电流密度大、穿透力强、受热面积小、对铁锈敏感度低, 焊件焊后变形小, 不易出现氢气孔和氢致冷裂纹, 适用于焊接低碳钢和低合金高强度结构钢, 尤其在焊接低合金高强度结构钢时, 比手工电弧焊有质量保证。

CO2气体保护焊是气体保护, 明弧焊接, 没有熔渣, 焊缝成型后表面会出现一层灰色渣皮 (焊缝金属高温冷却过程中形成的氧化物) , 可用钢丝刷清理后露出金属光泽。熔池可见性好, 焊工在施焊时便于根据熔池形状和温度控制熔焊过程, 焊缝的宽度和余高容易把握, 焊缝的外部成型效果良好。

2 CO2气体保护焊相关工艺参数及准备过程

2.1 对焊单面焊双面成型坡口形式及装配要求

CO2气体保护焊一般采用V形坡口, 装配质量要求较高, 包括坡口角度、钝边和装配间隙, 以及对接不错边, 点焊定位牢固等。

坡口角度大小对电弧能否深入到焊缝的根部影响较大, 因为CO2气体保护焊喷嘴较粗, 焊丝刚露出喷嘴, 如果坡口角度过小, 喷嘴伸不进去, 电弧很难达到, 根部就不易焊透, 再加上喷嘴遮挡弧光, 容易出现焊偏、熔合不良等缺陷。实践证明, 要想获得较好的单面焊双面成型效果和焊接质量, 选择60°±5°型坡口角度是最合适的。

CO2气体保护焊钝边比手工电弧焊稍大, 宜选用2mm~3mm的钝边, 装配间隙稍小, 为0mm~2mm, 间隙过大时容易烧穿和焊漏, 给背面焊道成型带来难度, 须打磨清根。为了保证起头和收尾焊接质量, 可选择两块厚度、材质、坡口形式和母材相同的废钢板做引弧板和熄弧板, 焊于焊道两端。

2.2 焊接电流

焊接电流应根据焊件厚度、焊丝直径、施焊位置及熔滴过渡形式确定。焊接电流决定了熔深及生产效率, 对焊缝成型效果有决定作用。过大的焊接电流, 会增大飞溅, 产生气孔、烧穿、焊瘤等焊接缺陷;过小的焊接电流, 会造成电弧燃烧不稳定, 焊道未熔合等缺陷。在实际生产和实习教学法中一般选用半自动焊接, 它的送丝方式为等速送丝, 焊接电流由焊丝送丝速度决定, 当送丝速度快时, 会出现顶丝现象, 说明焊接电流太大;当送丝速度慢时, 焊丝时断时续, 说明焊接电流太小。实践表明, 当选用直径为1.2mm焊丝时打底层焊接电流在180A~200A范围内选择, 其它各层焊道宜采用200A~250A的焊接电流。

2.3 电弧电压

为保证焊接过程的稳定性和良好的焊缝成型, 电弧电压必须与焊接电流配合适当。因为CO2气体保护焊电弧静特性呈上升特性, 所以电弧电压应随焊接电流增大而增大或减小而减小。如果在两者不匹配的情况下拉长电弧, , 则熔深变小;压低电弧, 焊丝插入熔池, 电压过低或出现负值, 电弧燃烧极其不稳定, 焊缝成型效果极差。因此电弧电压一定要选择合适, 只有与焊接电流合理匹配, 才能达到良好的焊接效果。焊接电流与电压可参照表1数据合理调节:

2.4 焊接速度

在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压条件下, 焊缝的熔深、宽度和余高都会随着焊接速度的变化而变化。如果焊接速度增加, 容易产生咬边、未熔合等缺陷, 气体的保护作用也受到破坏, 焊缝冷却快, 焊缝外观粗糙, 而且易出现氮气孔。如果焊接速度太慢, 焊缝的宽度和余高都会增加, 熔池的热量过分集中, 合金元素也会过多的烧损, 对热影响区的组织性能也有一定影响。实践证明, 选择20cm/min~40cm/min的焊接速度比较合适。

3 操作要领

CO2气体保护焊是明弧焊接, 熔池的可见度好, 可操作性强, 出现问题能及时调整处理。由于CO2气体保护焊自动化程度较高, 中间不需要更换焊丝, 接头少, 出现缺陷少。但因技能不熟练或操作不当也会影响焊接质量, 所以在操作时应当做到心中有数, 规范操作。

3.1 焊丝伸出长度

焊丝伸出长度也称为干伸长, 是指从导电嘴到焊丝端部的距离。焊丝干伸长影响电弧的稳定性。焊丝干伸长过长, 飞溅严重, 电弧燃烧不稳定, 气体保护效果变差, 严重时会因焊丝电阻值过大而导致焊丝成段熔化;当焊丝干伸长过小, 喷嘴与焊件的距离缩短, 飞溅物易粘住或堵塞喷嘴, 影响气体的流通, 也影响保护效果。因此, 焊丝干伸长度一般选择焊丝直径的十倍左右为最佳, 且不超过15mm。

3.2 焊枪角度

焊枪与母材及焊道的角度也是保证焊道成型质量的关键, 焊枪与焊道两侧母材的夹角一般为90°左右, 前倾角为10°~15°左右。

3.3 焊缝接头

焊缝接头容量出现缺陷的地方, 应尽可能少, 而且多层多道焊时, 接头尽可能错开10mm以上。接头时, 为了使接头不超高或脱节, 可用手动角磨机把弧坑部位打磨成缓坡形, 保留坡口边缘, 焊丝对准坡顶内侧面起弧, 当观察到熔池与坡顶边缘熔合为一体时小幅摆动缓缓回焊至缓坡最薄的位置, 然后正常摆动。注意, 起弧前必须将焊丝前端小球用克丝钳剪掉, 以免影响焊道质量。

3.4 焊接操作过程

打底焊是对接焊缝单面焊双面成型的关键, 也是操作的重难点。熟练掌握操作要领, 选择合理的焊接电流, 平稳耐心地操作, 才能保证焊接质量。

打底焊时应选用月牙形摆动, 在焊缝边缘作1秒左右的停留, 摆动时保证焊道顺直, 焊枪把握平稳。

打底焊前应检查导电嘴的内径是否合适, 喷嘴内部的飞溅物是否堵塞喷嘴, 焊丝是否够用, CO2气瓶是否打开, 气体流量合适与否等相关问题, 尽可能规范操作, 减少打底层的缺陷。

中间熄弧或打底焊焊完时, 立即松开焊枪开关, 但不要马上抬离焊枪, 防止产生缩孔、气孔及弧坑裂纹等。

中间填充层的操作同打底焊基本一样, 焊层之间的氧化物和飞溅及时清除。最后一道填充焊层要预留1 mm深度 (可用砂轮修磨平滑) , 为盖面焊打好基础。

盖面焊时也可选用月牙形摆弧, 关键要控制好熔池大小一致、摆弧幅度大小一致及焊接速度的一致, 余高要控制在1 m m左右。使焊缝与母材能平缓过渡, 降低应力集中。

3.5 接头组织对比

通过试验得出, CO2气体保护焊采用H08Mn2Si A焊丝与E5015手工电弧焊焊接接头组织对比见表2:

试验结果表明:CO2气体保护焊采用H08Mn2Si A焊丝进行单面焊双面成型对接焊时, 与E5015手工电弧焊焊接接头的性能相近 (焊缝组织主要都是铁素体和珠光体) , 但手工电弧焊焊接接头性能略高于CO2气体保护焊焊接接头的性能, 其原因在有两点:一是CO2的强氧化性烧掉了焊缝中大部分合金元素, 焊丝中的硅锰难以弥补;二是E5015焊条中的碳及合金含量较高, 其强度高于国家规定标准。

4 焊缝质量

1) 焊缝外观成型良好, 过渡平滑整齐, 焊缝宽度和余高附和对接焊缝尺寸公差要求。

2) 焊缝内部质量经X射线探伤及超声波探伤检验表明, 合格率都高于手工电弧焊。

参考文献

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CO2气体保护焊的飞溅与气孔 篇5

1 飞溅

一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外, 飞到熔池之外的金属称为飞溅。特别是粗焊丝CO2气体保护焊大参数焊接时, 飞溅更为严重, 飞溅率可达20%以上, 这时就不可能进行正常焊接工作了。飞溅是有害的, 它不但降低焊接生产率, 影响焊接质量, 而且使劳动条件变差。由于焊接参数的不同, CO2焊具有不同的熔滴过渡形式, 从而导致不同性质的飞溅。可分为熔滴自由过渡时的飞溅和短路过渡时的飞溅。

1.1 熔滴自由过渡时的飞溅

熔滴自由过渡时, 在CO2焊中, 大部分焊丝熔化金属可过渡到熔池, 在CO2气氛下, 熔滴在斑点压力的作用下上挠, 易形成大滴状飞溅。这种情况经常发生在较大电流焊接时, 如用直径1.6mm焊丝、电流为300~350A, 当电弧电压较高时就会产生。如果再增加电流, 将产生细颗粒过渡, 这时飞溅减小, 主要产生在熔滴与焊丝之间的缩颈处, 该处的电流密度较大使金属过热而爆断, 形成颗粒细小的飞溅。在细颗粒过渡焊接过程中, 可能由熔滴或熔池内抛出的小滴飞溅。这是由于焊丝或工件清理不当或焊丝含碳量较高, 在熔化金属内部大量生成CO等气体, 这些气体聚积到一定体积, 压力增加而从液体金属中析出, 造成小滴飞溅。大滴过渡时, 如果熔滴在焊丝端头停留时间较长, 加热温度很高, 熔滴内部发生强烈的冶金反应或蒸发, 同时猛烈地析出气体, 使熔滴爆炸而生成飞溅。

1.2 熔滴短路过渡时的飞溅

飞溅总是发生在短路小桥破断的瞬时。飞溅的大小决定于焊接条件, 它常常在很大范围内改变。产生飞溅的原因目前认为是当熔滴与熔池接触时, 熔滴成为焊丝与熔池的连接桥梁, 所以称为液体小桥, 并通过该小桥使电路短路。短路之后电流逐渐增加, 小桥处的液体金属在电磁收缩力的作用下急剧收缩, 形成很细的缩颈。随着电流的增加和缩颈的减小, 小桥处的电流密度很快增加, 对小桥急剧加热, 造成过剩能量的积聚, 最后导致小桥发生气化爆炸, 同时引起金属飞溅。

根据不同熔滴过渡形式下飞溅的不同成因, 应采用不同的降低飞溅的不同成因, 应采用不同的降低飞溅的方法:

1) 在熔滴自由过渡时, 应选择合理的焊接电流与焊接电压参数, 避免使用大滴排斥过渡形式;同时, 应选用优质焊接材料。如选用含C量低、具有脱氧元素Mn和Si的焊丝H08Mn2Si A等, 避免由于焊接材料的冶金反应导致气体析出或膨胀引起的飞溅。2) 在短路过渡时, 可以采用 (Ar+CO2) 混合气体代替CO2以减少飞溅。如加入φ (Ar) =20%~30%的Ar。这是由于随着含氩量的增加, 电弧形态和熔滴过渡特点发生了改变。燃弧时电弧的弧根扩展, 熔滴的轴向性增强。这一方面使得熔滴容易与熔池会合, 短路小桥出现在焊丝和熔池之间。另一方面熔滴在轴向力的作用下, 得到较均匀的短路过渡过程, 短路峰值电流也不太高, 有利于减少飞溅率。

2 气孔

CO2电弧焊时, 由于熔池表面没有熔渣盖覆, CO2气流又有较强的冷却作用, 因而熔池金属凝固比较快, 但其中气体来不及逸出时, 就容易在焊缝中产生气孔。

可能产生的气孔主要有3种:一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。

2.1 一氧化碳气孔

产生CO气孔的原因, 主要是熔池中的Fe O和C发生如下的还原反应:Fe O+C==Fe+CO

该反应在熔池处于结晶温度时, 进行得比较剧烈, 由于这时熔池已开始凝固, CO气体不易逸出, 于是在焊缝中形成CO气孔。

如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn, 以及限制焊丝中的含碳量, 就可以抑制上述的还原反应, 有效地防止CO气孔的产生。所以CO2电弧焊中, 只要焊丝选择适当, 产生CO气孔的可能性是很小的。

2.2 氢气孔

如果熔池在高温时溶入了大量氢气, 在结晶过程中又不能充分排出, 则留在焊缝金属中形成气孔。

电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污及铁锈, 以及CO2气体中所含的水分。油污为碳氢化合物, 铁锈中含有结晶水, 它们在电弧高温下都能分解出氢气。减少熔池中氢的溶解量, 不仅可防止氢气孔, 而且可提高焊缝金属的塑性。所以, 一方面焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈, 另一方面应尽可能使用含水分低的CO2气体。CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。

另外, 氢是以离子形态溶解于熔池的。直流反极性时, 熔池为负极, 它发射大量电子, 使熔池表面的氢离子又复合为原子, 因而减少了进入熔池的氢离子的数量。所以直流反极性时, 焊缝中含氢量为正极性时的1/3~1/5, 产生氢气孔的倾向也比正极性时小。

2.3 氮气孔

氮气的来源:一是空气侵入焊接区;二是CO2气体不纯。试验表明:在短路过渡时CO2气体中加入φ (N2) =3%的氮气, 射流过渡时CO2气体中加入φ (N2) =4%的氮气, 仍不会产生氮气孔。而正常气体中含氮气很少, φ (N2) ≤1%。由上述可推断, 由于CO2气体不纯引起氮气孔的可能性不大, 焊缝中产生氮气孔的主要原因是保护气层遭到破坏, 大量空气侵入焊接区所致。

造成保护气层失效的因素有:过小的CO2气体流量;喷嘴被飞溅物部分堵塞;喷嘴与工件的距离过大, 以及焊接场地有侧向风等。因此, 适当增加CO2保护气体流量, 保证气路畅通和气层的稳定、可靠, 是防止焊缝中氮气孔的关键。

另外, 工艺因素对气孔的产生也有影响。电弧电压越高, 空气侵入的可能性越大, 就越可能产生气孔。焊接速度主要影响熔池的结晶速度。焊接速度慢, 熔池结晶也慢, 气体容易逸出;焊接速度快, 熔池结晶快, 则气体不易排出, 易产生气孔。

以上是我关于CO2气体保护焊的飞溅和气孔问题的一些总结, 希望同学们看了会在头脑中产生清晰的条理, 去更好的理解和应用CO2气体保护焊。

摘要：CO2气体保护焊是目前工业生产上应用十分广泛的一种焊接方法, 具有成本低、焊后变形小、抗锈能力强、焊缝的抗裂性高和操作简单生产率高等多项优点。但是这种焊接方法最难克服的缺点就是焊接时飞溅比较大、容易受到气流的干扰产生气孔。

关键词：CO2气体保护焊,飞溅,气孔

参考文献

[1]张洪流.电焊工工艺学[M].中国劳动社会保障出版社.

CO2气体保护堆焊 篇6

汽车传动轴总成是汽车驱动系统中的重要构件,其结构如图1所示。

传动轴在汽车行驶过程中,除了传递力矩外,还承受较大的弯矩和扭矩,为了满足使用要求,传动轴应具有足够的强度、刚度和韧性,产品的技术要求为:焊缝外观光滑饱满无可见欠缺,焊缝宽度13—16mm,屈服扭矩≥22000Nm,超声波探伤一周36d B60%—80%,最高38d B80%,长度小于25mm.因此传动轴材料的选用和焊接质量将直接影响传动轴的机械强度,进而影响整车的可靠性和使用性能。本文在对传动轴所用不同从材料(B480QZR钢和40Cr钢)焊接性能分析的基础上,研究和制定了传动轴的焊接工艺方案,并应用于生产实践,取得了良好的效果。

2. 传动轴材料及其焊接性能分析

从图1可以看到,由于传动轴总成零部件多,结构复杂,装配后各部件的的加工位置受限,无法焊后进行机械加工,因而在传动轴总成制造时,采用先将凸缘叉、十字轴总成、轴叉总成、花键套、轴管、万向节叉等零部件机械加工成形、装配后,再依次组装于轴管上,最后通过焊接完成传动轴总成的制造,因此传动轴总成的焊接结构,主要是由花键套与轴管的焊接结构。

2.1 传动轴材料的化学成分和机械性能

传动轴总成的轴管的材料是B480QZR-Q/BQB310-2009;花键套的材料是40CrGB/T3077-1999。

B480QZR钢为制造汽车传动轴管用低合金高强度钢,其主要化学成分和机械性能见表1。

40Cr为中碳合金结构钢,主要化学成分和机械性能见表2。

2.2 两种材料的焊接性能分析

B480QZR钢与40Cr钢虽然同属于珠光体钢,但它们在元素性质、物理性能、化学性能等方面具有显著差异[1],因而它们的焊接性能有很大的差异。

1.2.1B480QZR钢的焊接性能分析

根据表1中B480QZR钢的化学成分,按国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量公式[2],可以计算出B480QZR钢的碳当量Ccq≈0.41,因此这种钢在焊接时,焊接热影响区的组织与性能对焊接热输入较敏感,热影响区易产生淬硬的马氏体组织或马氏体+贝氏体+珠光体混合组织,对氢致裂纹(焊接冷裂纹)的敏感性较大。因此在焊接时应注意控制焊接热输入的大小,以降低淬硬倾向和防止冷裂纹的产生。

1.2.240Cr的焊接性能分析

40Cr是中碳调质钢,计算其碳当量Ccq=0.61—0.79,因此,40Cr的焊接性能较差,主要问题是焊接裂纹及焊接热影响区性能发生变化:

(1)冷裂纹

中碳调质钢在快速冷却时,从奥氏体转变为马氏体的起始温度MS较低,焊后热影响区极易产生大量硬度很高的马氏体组织,因此,热影响区的硬度及脆性较大,对冷裂纹的敏感性较大。

(2)热裂纹

40Cr钢含碳量及合金元素的含量较高,焊接熔池凝固时液-固相区间较大,结晶偏析严重。在焊接过程中,碳及合金元素溶解于焊缝,增加了焊缝的含碳量及合金元素量,在硫等杂质的作用下,易形成热裂纹。

(3)过热区的脆化

40Cr由于碳当量较高,有较大的淬硬性,因而在焊接热影响区的过热区很容易形成硬脆的高碳马氏体,冷却速度越大,生成的高碳马氏体越多,脆化越严重。

2.3 B480QZR+40Cr焊接难点分析

从表1和表2可以看到B480QZR钢和40Cr的成分和物理性能相差很大,焊接性能存在着较大的差异,因而这两种钢在焊接时主要存在以下问题:

(1)成分、组织及性能的不均匀性极为突出

异种金属熔化焊接时,焊缝两侧金属及熔化金属的合金成分存在明显的浓度差别。焊接时,因焊缝形状、母材厚度、焊接材料、焊接规范、焊接位置等不同,焊接熔池的行为也不一样,使得焊缝金属与母材熔化区化学成分浓度的相互稀释作用也不同。因此在采用熔焊时,更要注意对稀释率的控制。

由于接头化学成分的不均匀性,在焊接热循环作用下,接头的各个区域会出现复杂的组织结构,同时也与焊接方法、焊接工艺过程有关,因而合理选用焊接材料和焊接方法,可以使组织的不均匀得到一定改善。

接头各区化学成分与金相组织的差异也带来了性能的不同,沿整个焊接接头各个区域的强度、硬度、塑性、韧性都有很大的差别,这些物理性能的差异主要表现在热膨胀系数和导热系数上,这可能导致焊接过程中产生大的热应力。

(2)界面组织的不稳定性

在实际的焊接冶金条件下,在焊缝和母材之间的融合区存在显著的成分梯度,具有明显的宏观化学不均匀性。正是这种化学不均匀性引起界面组织的不均匀,给接头的物理化学性能、力学性能等带来较大的影响,会引起接头力学性能的下降;并且焊件在服役时,焊缝金属与母材的溶质原子加剧相互扩散,会引起焊缝组织和性能的变化,直接影响接头的强度和零件的使用寿命。

(3)脆性倾向增大

异种钢接头在界面附近由于化学元素浓度的稀释,将出现淬硬性的马氏体组织,这就必然导致该处的韧性下降;同时异种钢接头处由于碳的迁移也将形成熔合线两侧的增碳层,会增加接头的淬硬性。淬硬脆性和碳迁移引起的脆性共同作用将导致焊接接头脆性倾向的增大。但这类影响可以通过制定合理的焊接工艺来改善,使接头具有能满足安全性的最低限度的韧性和塑性。

3. 焊接工艺方案

3.1 焊接工艺方法和焊接设备选择

根据传动轴总成的结构特点和使用性能要求,确定采用CO2气体保护焊焊接方法来实现传动轴总成的焊接。这是因为CO2气体保护焊的电弧加热集中,工件受热面积小,寒焊缝的热影响区小,焊接应力和残余应力较小,工件不易变形;同时由于CO2气体的保护作用,焊缝含氢量低,焊缝金属具有良好的综合性能和抗裂性能。另外CO2气体保护焊还具有成本低、生产效率高、操作方便等特优点,适合于大批量生产。

为了保证焊接质量和提高生产效率,我们选用了DZH05-500型和SHF-I型环缝自动CO2气体保护焊焊机,这种焊机具有较宽的电流调节范围,能有效地控制焊接热输入,并且可在较小的平均电流下实现熔滴喷射过渡,因而焊接过程非常稳定,飞溅极小,焊缝成形好,易于得到高质量的焊缝。

3.2 焊接材料的选用

选用焊接材料时,首要考虑的是如何保证焊缝金属的强度、塑性、韧性等力学性能与母材相匹配,综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及抗裂性能。

根据上述B480QZR+40Cr异种金属化学成分和焊接性能特点的分析,我们对几种焊丝进行了化学成分及机械性能的比较,表3、表4列出了几种焊丝和母材的化学成分和机械性能的比较。(焊丝的标准为“GB/T8110-2008气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝”)

通过表3、表4的比较,我们选用了ER49-1焊丝,规格为φ1.2mm。这种焊丝中的Si,Mn元素具有较强的脱氧能力,Mn还具有脱硫作用,可以降低焊缝由S引起的热裂;同时,Mn也是钢材中的重要合金元素,也是重要的淬透性元素,它对焊缝金属的韧性有很大影响。Cr能提高钢的强度和硬度而塑性和韧性降低不明显。

3.3 接头形式

传动轴环形焊缝接头形式采用V90°对接接头,钝边1mm。

3.4 焊接参数的确定

3.4.1 焊接电流和电弧电压

焊接电流的大小是确定熔深的主要因素,电弧电压的大小对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的机械性能有很大的影响。根据焊件结构和使用要求,确定焊接电流I=200—240A;焊接电压V=22—24V。

3.4.2 焊接速度

焊接速度对焊缝成形、接头的机械性能以及气孔等缺陷的产生都有影响。随着焊接速度增大,焊缝熔宽降低,熔深及余高也有一定减少,焊接速度过快会引起焊缝两侧咬肉,焊接速度过慢则容易产生烧穿和焊缝组织粗大,生产率低,焊接变形增大,同时气体保护效果变坏,可能产生气孔。根据以往经验和工艺试验结果,确定焊接速度为15—20cm/min。

3.4.3 焊丝伸出长度

焊丝伸出长度是一个重要参数。在送丝速度不变情况下,焊丝伸出长度增加,将降低焊接电流,容易引起未焊透和未熔合、气保护效果变差等缺陷;焊丝伸出长度小,则提高熔滴温度和溶池温度,可能在某些方位引起熔池铁水流失。根据生产实践经验,确定焊丝伸长为12—18mm。

3.4.4 CO2气体流量

在一般情况下,当焊丝直径d的范围在0.8mm—1.6mm之间时,气体流量控制在15—20L/min时,保护效果较好。

3.5 焊接过程控制

(1)焊接前清除焊件焊缝坡口及周围油污、锈蚀、氧化皮等;检查焊丝,确保焊丝没有无油污、锈蚀现象。

(2)将焊枪导电嘴端面调整至距焊件14—20mm,并对正焊缝宽度中心,调整焊丝伸出长度,使其保持在12—18mm,焊接时随时观察焊缝状态,在参数范围内适当调整电压、电流大小,

(3)在环形焊缝焊接时,为限制因焊接应力而产生的径向变形,使用相应的夹具对焊件进行刚性约束。

(4)控制焊枪角度,使焊枪与焊接方向管切线夹角为70—75°,以减小飞溅和保持焊接过程的稳定性。

4. 焊接质量评定

考虑到公司的试验验条件采用在规定的工艺条件和工艺参数下,以样件焊接后通过目测焊缝外观和对样件进行静扭试验的方式对焊接质量进行评定。样件数量10件。

(1)外观检查。对焊缝表面进行目测检查,焊缝表面均匀,光滑饱满,宽度13—16mm,未见有气孔、砂眼等表面欠缺。

(2)静扭试验前超声波探伤。达到一周36dB60%—80%,最高38dB80%,长度小于25mm的技术要求。

(3)屈服静扭试验。屈服扭矩≥22000Nm,样件焊缝处未见有明显屈服现象,符合传动轴的技术要求。

(4)静扭试验后超声波探伤。达到一周36dB60%—80%,最高38dB80%,长度小于25mm的技术要求。

5. 结论

(1)选用φ1.2mmER49-1焊丝,采用CO2气体保护焊焊接传动轴B480QZR+40Cr异种钢接头的工艺方案和实际操作是可行的,焊接质量满足产品的技术要求。

(2)采用环缝CO2气体保护自动焊生产效率高,焊缝质量能够满足产品设计和使用要求,已经在传动轴大批量生产中广泛应用。

参考文献

[1]元素性质手册李振寰河北人民出版社

CO2气体保护堆焊 篇7

在现实焊接工作中, 总是由于各种原因造成焊接中出现焊接缺陷, 而焊接构件中焊接缺陷的出现会令构件的质量、安全性等都大打折扣, 所以我们需要对焊接缺陷产生的原因进行深入的研究分析, 找出解决办法, 从而令我们的焊接工作能够高质、高效的进行下去, 减少焊接缺陷的发生率。

1 焊接缺陷的外部表现、产生的原因、缺陷的处理方法以及防止缺陷产生的方法

焊缝缺陷的产生会影响人们对焊缝的外部观感, 同时对焊接后的连接强度产生很大的影响, 且焊接产生的应力分布不均匀, 从而使焊件结构的安全性明显下降。焊缝缺陷产生的原因可能有以下几个方面:焊接时参数选择正确、焊件坡口角度不合乎规范、拼装时焊件的间隙不均匀或者是焊接时电流不平稳忽大忽小、焊枪喷焰距离焊件高度过高、焊件摆放位置不当、焊接速度不均匀忽快忽慢等, 二氧化碳 (CO2) 气体主要用于防止焊缝的内部出现缺陷, 缺陷的主要类型有:焊缝产生蛇形焊道、弧坑、烧穿、咬边、焊瘤、严重飞溅等。

下面对焊接缺陷的类型进行分析说明及防止措施:

1.1 蛇形焊道

产生的主要原因:焊工焊接不熟练;干活时焊丝伸长过长, ;焊丝的校正机构调整不正确;导电嘴磨损严重。防止措施如下:将干伸长调整到位, 更换新的导电嘴。

1.2 弧坑

弧坑通俗的将就是焊接后表面留有凹坑或凹坑, 而在弧坑处容易产生裂纹或缩孔。弧坑产生主要是由于在焊接快完成时没有把握好焊枪抬起的时机造成过快或过早, 从而导致焊液未能全部将焊缝填满从而造成弧坑, 或者是焊接人员对收弧电流与电压不熟悉控制不到位等。防止措施如下:收弧时要注意时机, 等待填满弧坑后再熄弧从而防止弧坑, 对收弧电流、电压的控制应将它们调到I=150A、U=19~21V范围内, 在焊缝还剩余约10mm~20mm时用将电流、电压调整到收弧范围进行焊接。

1.3 烧穿

烧穿是由于焊接时电流或电压过大造成局部温度过高、焊接速度慢造成焊接时热量堆积及焊缝根部之间的间隙过大、焊接无法填满焊缝容易烧穿等。防止措施如下:严格控制焊缝的间隙, 而根据焊接构件的厚度, 根据标准选择适当的电流与电压等。

1.4 咬边

咬边主要是由于如焊接速度过高、电流过大、电弧电压太高、停留时间不足或焊枪角度不正确等, 对于由于焊枪角度不正确、焊接构件位置安放不当等造成的咬边, 如咬边较轻微或咬边较浅的可用锉修边, 使其过渡平滑;而如果咬边严重则应进行补焊。防止措施:根据焊接构件的厚度、焊缝的间隙、焊接位置等适当减慢焊接的速度、选择合适的焊接电流、电压, 角缝焊接时要掌握好焊枪角度, 焊接构件摆放要正确, 同时要注意用焊接时产生的电弧力来推动金属流动。

1.5 焊瘤

焊瘤产生的原因是焊接时焊接工艺参数选用不当, 技术不熟练, 焊件位置摆放不当等。一旦出现焊瘤, 可用铲、锉、磨等手工方式或机械除焊瘤。防止措施:选择正确的焊接工艺、对焊缝间隙较大的应采用较小电流、施加工艺垫板、焊件摆放正确、焊丝对准焊缝等都可避免产生焊瘤。

1.6 飞溅

当采用二氧化碳气体保护焊时如飞溅达到40%左右时, 则认为焊接产生了焊接缺陷, 飞溅极大的降低了焊丝的利用率会造成焊接耗时的增加等, 产生飞溅过大的原因可归纳为:电弧电压不稳定或高或低、送丝不均匀、导电嘴磨损过度等。防止措施是:根据电流仔细调节电压使之相匹配, 送丝要均匀, 采用能够使用的导电嘴。

2 焊缝内部的缺陷和缺陷产生的原因以及缺陷处理方法及应采取的防止措施

二氧化碳气体保护焊对焊缝内部造成的缺陷主要有未熔合、未焊透、内里有裂纹、内部有气孔、夹渣等, 如果焊接不合格在焊缝内部产生了缺陷则会形成极大的安全隐患, 尤其当内部缺陷是裂纹时 (含冷裂纹及热裂纹) 则尤为严重。

2.1 未熔合、未焊透的原因及防止方法

未熔合、未焊透产生的主要原因如下:焊缝区表面生锈或含有氧化膜, 接头的设计不合理, 热输入不足, 坡口加工不合适以及焊接技术不过关等。未熔合或未焊透在焊缝中绝对是不允许的, 因为未熔合、未焊透会造成焊缝处的承载横截面积减小, 当焊件承载后, 极易产生裂纹。防止的措施:当接头设计不合理造成未熔合时应将坡口角度增大;使电弧直接加热在底部。选择正确坡口形式使焊融直接发生在底部, 当焊缝区表面生锈或含有氧化膜时应在焊接前对焊缝区和坡口进行处理去除表面氧化层或锈皮。严格按照焊接工艺的规范进行操作, 接头处应注意热量的分布均衡;防止受热不均, 焊接时应注意调整焊枪的角度, 多层焊时应注意各层间温度控制, 焊接时更应注意控制每层焊缝的厚度, 从而造成未融合。一旦发生焊缝未熔合则只能是铲除未熔合处的焊缝金属后再进行焊补, 而对于未焊透的处理则是如下:如果是开敞性好的结构单面未焊透可直接在焊缝背面直接补焊即可, 而对于不能直接焊补的重要焊件, 则应铲去未焊透处的焊缝金属, 重新进行焊接。

2.2 气孔

气孔是由于在二氧化碳气体保护焊焊接中保护气覆盖不足、焊接时速度过快或喷嘴与工件距离过大、工件表面不干净等造成的。防止措施是:采用清洁而干燥的焊丝、做好二氧化碳气体的保护、正确选择焊接工艺参数、对工件进行清洁去除焊件上的油污与杂质等、焊丝的深处长度要适中。

2.3 夹渣

在使用二氧化碳 (CO2) 气体保护焊进行焊接时, 不同于普通的焊条电弧焊, 其焊渣相对较少, 则产生夹渣的可能性也小, 夹渣产生的主要原因如下:采用多道焊短路电弧、高的行走速度。防止措施:在焊接后续焊道之前要清除焊缝边上的渣滓, 减少行走速度, 采用含脱氧剂较高的焊丝提高电弧电压。

2.4 焊接裂纹

焊接裂纹通常可分为热裂纹和冷裂纹, 焊接裂纹是最为严重的焊接缺陷, 造成焊接裂纹的原因非常复杂, 热裂纹产生的主要原因是焊件的材料抗裂性能差、焊接工艺参数选择不当或焊接内应力过大等;而冷裂纹产生的主要原因是焊接的结构设计不合理、焊缝布置不当或焊接工艺不合理等。产生焊接裂纹后的补救办法通常是在裂纹两端钻出止裂孔或铲除裂纹处的焊缝金属, 进行补焊。防止措施:检测工件和焊丝的化学成分焊缝中硫、碳量要低锰含量要高, 增大电弧电压或减小焊接电流, 以加宽焊道而减小熔深, 减慢行走速度以加大焊道的横截面, 采用衰减控制以减小冷却速度;适当的填充弧坑, 在完成焊缝的顶部采用分段退焊技术, 一直到焊缝结束, 此外还有其他防止焊缝金属裂纹的方法这里就不详细表述了。

3 结束语

焊接缺陷的产生是一个复杂的、动态的过程, 上述缺陷虽然是分开来阐述的, 但实际焊接中, 焊接缺陷的产生往往是几种或多种原因的复合。例如:焊接中的冷裂纹和热裂纹可能同时发生;气孔和裂纹也有可能同时产生等等, 以上讲述的防止措施大多是单一的, 但在实际操作时由于产生缺陷的原因大多是两种或多种的复合, 因此应根据实际的情况制定相应的防止措施, 唯有如此, 才能最大限度地保证焊缝质量, 只有对焊接缺陷有一个系统的认识, 从焊接缺陷产生的原因及机理进行分析, 再结合实际生产过程中遇到缺陷, 进行认真地总结、分析, 找出规律, 我们才能制造出符合设计要求的、合格的、满足顾客要求的焊接产品。

摘要：目前, 二氧化碳气体保护焊在焊接生产中的应用越来越广泛, 但二氧化碳气体保护焊在实际焊接中如果焊接材料使用不当、焊接方法不合理、焊接工艺参数不正确和对焊接设备的相关性能不了解等, 都会造成焊接缺陷。文章主要从内外部缺陷的种类、造成缺陷的原因、对缺陷的处理补救方法及预防措施等进行阐述。

关键词：焊接,缺陷,二氧化碳

参考文献

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].机械工业出版社, 2010.

CO2气体保护堆焊 篇8

榆林某化工厂造气车间对裂化气进行氢变换时, 采用中温变换和低温变换两种过程进行。低温变换时的温度大约在150℃～240℃, 压力大约在3 Mpa左右, 该反应在低变炉内进行。该厂造气车间原有几套低变系统, 系统中使用的低变炉的尺寸为:炉体直径3 200 mm, 壳体长度6 300 mm, 壁厚46 mm, 炉体所用为材料16 MnR (相当于Q345R) 。炉内直接装有触媒, 变换气在其中发生氢变换反应, 炉体外壳用保温材料保温。

2013年为扩大合成氨产能, 确定新增一台低变炉。在工艺条件相同的情况下, 设计单位按新标准设计时, 只能采用15Cr Mo钢板作为壳体材料, 导致制造费用大大增加。最后经协商, 壳体材料仍采用Q345R, 但须在低变炉内内衬一定厚度的保温材料, 保温材料表面用1 mm厚的不锈钢板作为衬里。而且炉内上半部分衬里的焊缝要连续焊, 不能漏气, 下半部分的衬里可以采用断续焊的方法进行焊接。

设备安装就位且在炉内内衬了保温材料后, 工厂就开始了不锈钢钢板衬里的安装工作。安装工艺是:根据内衬保温层表面形状下料。上下封头处的衬里采用瓜瓣形式下料, 组装时钢板采用搭接的方法组对, 用氩弧焊点固及焊接。按照工艺要求, 铆工仅用了一个星期时间, 顺利完成了不锈钢衬里的组对和点固任务。

但是搭接焊接时出现了问题:焊接过程中, 尽管焊接电流调整得很小, 但只要焊枪沿焊道移动, 就出现穿孔问题, 无法焊缝成形。可见虽然氩弧焊有热输入量小、焊接电流小、熔池易于控制等优点, 但用氩弧焊焊接方法不能完成此任务。

2 原因分析

(1) 操作规程是否到位:反复尝试后, 排除操作过程的不规范、技艺有缺陷等问题。

(2) 焊接方法是否科学:经过实验比对, 普通电弧焊对于1 mm厚的钢板来说, 由于不能形成稳定熔池, 不能保证焊接质量。而氩弧焊由于电弧电压只有焊条电弧焊的一半, 在同样的焊接电流时 (焊接电流决定着能否焊透) , 热量输入较小, 因而适用于薄板的焊接。可以从设备衬板的顺利组装、点固加以佐证。

(3) 焊缝成形困难原因:经过查找资料, 可能有如下原因:钢板太薄, 导热性差, 热量不易传导出去, 接头处过热, 导致焊穿;由于衬板材料是不锈钢, 不锈钢板的热导率仅为碳钢板的1/3, 相同条件下不锈钢板更易焊穿;衬板外侧贴有保温材料, 阻挡热量从焊缝背面发散, 导致出现穿孔现象。

综合上述分析, 焊接材质及结构影响了焊接成型的过程, 因此应从焊接方法上进行改进。

3 问题解决

调查发现该厂现有埋弧自动焊、焊条电弧焊、钨极氩弧焊和CO2气体保护焊。

CO2气体保护焊是利用CO2气作为保护气体的一种熔化极气体保护焊接方法。由于CO2比空气重, 因此从喷嘴喷出的CO2气体可以在电弧区形成有效的保护层, 防止空气进入熔池;CO2焊根据焊丝直径不同可分为细丝CO2焊 (焊丝直径≤1.2 mm) 及粗丝CO2焊 (焊丝直径≥1.6 mm) , 由于细丝CO2焊的工艺比较成熟, 因此应用最为广泛。CO2气体保护焊的特点:生产率高、成本低, 焊接变形和应力小, 焊缝质量高, 操作简单, 但是飞溅较大, 弧光较强, 很难用交流电源焊接, 焊接设备比较复杂, 在风速大于2 m/s时不易施焊。

CO2焊时, 焊丝既作为填充材料又作为电弧的一个电极, 其端部在焊接过程中不断受热熔化、形成熔滴并陆续脱离焊丝过渡到熔池中去。而熔滴过渡形式主要有两种, 一种是短路过渡, 另一种是粗滴过渡 (喷射过渡是很难出现的) 。当CO2焊采用细丝时, 一般都是短路过渡, 短路频率很高, 每秒可达几十次到一百多次。每次短路完成一次熔滴过渡。而在粗丝CO2焊时, 往往是以粗滴过渡的形式出现, 因此飞溅较大, 焊缝成形也差些, 但由于电流比较大, 所以电流穿透力强, 母材熔深大, 这对中厚板的焊接是有利的。

CO2气体保护焊与氩弧焊两种焊接方法相比有以下异同点:都是采用气体对焊接过程的熔池进行保护;钨极氩弧焊时电极不熔化, 焊接过程可采用加填焊丝或不加填焊丝的方法焊接, CO2气体保护焊焊丝既作为电极又作为填充金属熔化进入焊缝;氩弧焊的氩气是单原子惰性气体, CO2气体保护焊的气体是以分子的形式存在而且是比较活跃的气体。由于两种气体的性质差别, 对焊接电弧及焊缝的影响也不同。二氧化碳气体作为保护气体对焊接电弧有很强的冷却作用, 使得电弧受到压缩而热量集中, 带来的结果就是熔池小、热影响区窄、焊后变形小。同时当二氧化碳气体从焊缝表面向四周扩散时, 也会带走大量的热量, 有助于焊缝迅速凝固。通过资料论证, 由于CO2气体保护焊电流可以进行大范围调节, 因此主要用于焊接厚板及角焊缝, 企业未进行薄板焊接实验, 在排除其他焊接方法后, 决定利用CO2气体保护焊进行尝试。

在经过工艺讨论后, 首先在厚度为1 mm的碳钢板上焊接, 采用和实际衬里相同的搭接焊缝形式进行试焊, 但焊接时采用平焊。将电流调至70 A、电压调至18 V进行试焊, 此时焊缝成型顺利, 未发生焊穿现象。此后将电流调至80 A、电压调至18.5 V进行试焊, 焊缝成型效果良好。薄碳钢板试焊成功后即改变采用不锈钢进行了试验, 也取得了较为满意的效果。随即开始了低变炉衬里焊缝的CO2气体保护焊焊接。当然, 试验时焊缝处于平焊位置, 实际衬里的焊缝各种位置都有, 大大增加了焊接难度。如立焊缝的焊接, 焊接时都是由下向上焊接, 此时发现:若电流大时, 铁水下坠形成焊瘤, 且多烧穿;电流小, 母材不能和焊肉很好地熔合, 造成未熔合、焊肉不连续等缺陷。遂改变焊接方法, 由上向下焊, 电流85 A, 电压19 V, 焊枪左右夹角90°, 枪头向上与未焊的焊缝夹角60°～80°, 以较快速度试焊, 得到了很好的立焊缝。经过多次试验, 对于不同的焊接位置, 获得了一些相应的焊接工艺参数。焊接电压选择在17～19 V、焊接电流为60～90 A, CO2气体保护焊在这种条件下可以较理想地实现搭接缝焊接。最后, 只用5 d, 即顺利完成了该衬板的焊接任务。

4 结语

通过这次用CO2气体保护焊焊接厚度为1 mm的不锈钢薄钢板的尝试, 增加和扩展了CO2气体保护焊在该单位的使用范围, 使机动处员工对CO2气体保护焊的工艺特性及试验方法有了更加深入的认识。由于笔者第一次帮助企业完成实际工作任务, 因此, 也鼓励了笔者继续参与校企合作, 更好地增加自身对于焊接工艺方法的钻研学习。

摘要：该文主要从工厂实际中遇到的问题出发, 研究焊接技术中的一种常用方法, 即CO2气体保护焊在薄衬里焊接中的推广应用。通过反复地调研与试验, 文章中介绍了具体的试验情况以及试验后所得的一些感悟, 从而为读者自行利用气体保护焊对于薄件及超薄件焊接提供参考。

关键词：气体保护焊,穿孔,薄板

参考文献

[1]气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口 (GB/T985.1-2008) [S].

[2]范绍林.焊工操作技巧100问[M].北京:化学工业出版社, 2008.

CO2气体保护堆焊 篇9

焊接是一种将材料永久连接使其成为具有特定功能结构的制造技术, 其产品具有重量轻、成本低、质量稳定等优点, 故该技术已应用到制造业的各领域。目前, 钢材仍是我国焊接行业主要的结构材料, 据统计我国现阶段焊接用钢总量已占钢材表观消费量的50%以上, 经焊接的钢材总数超过3亿吨, 总量居世界第一[1];2002年焊材生产总量 (仅计算焊条和焊丝) 为144.9万吨[2], 2006年就增长到320万吨, 可见, 焊接是一个物料资源消耗巨大的行业。另一方面, 它也是一种高能耗行业, 一台常用的电弧焊机功率就达10~100kW。因此, 实现焊接工艺的碳排放特性建模分析对焊接行业甚至制造业都有着重要意义。

目前, 焊接过程碳排放减量化理论和技术研究正得到学术界及产业界广泛关注[3,4,5,6,7]。Sakano等[8]设计了新型FSW点焊系统, 该系统能在原有RSW成本条件下显著降低能耗;Liu等[9]针对能量流失问题提出一种新的混合焊接技术, 与激光电弧混合焊相比, 该技术降低了成本和能耗;王元良[10]则从不同角度讨论了低碳焊接问题。现有研究大多是从新技术或宏观角度出发, 对企业实践指导较弱。目前, 国内大多数企业仍采用常见的传统焊接方法, 焊接参数往往根据经验确定, 具有很大的人为因素, 不确定性较大。而焊接实施过程中, 资源消耗及产生的碳排放量受焊接电流、电压、材料用量等参数的影响, 存在高度的复杂性和非线性关系。因此, 在保证焊接质量和成本的前提下, 使得焊接碳排放量最小化, 必然需要一种相对客观和定量的模型来确定焊接参数。由于CO2气体保护焊是当前应用最广泛、碳排放构成相对复杂的一种工艺, 本研究以此为研究对象, 针对焊接工艺参数选择开展研究, 引入广义回归神经网络建立焊接参数与碳排放、成本和质量的关系模型, 并利用遗传算法进行求解。

1 CO2气体保护焊碳排放特性分析

1.1 碳排放源及评估边界

CO2气体保护焊是将CO2作为保护气体的一种气体保护焊接方法。焊接过程中, CO2气体可直接排向环境, 是焊接现场直接的碳排放源。此外, 由于焊接过程还包含了各种物料消耗和电能消耗, 会间接导致碳排放, 因此该部分碳排放成为间接碳排放。文中的碳排放是指在工艺过程中直接和间接排放的各种温室气体 (greenhouse gas, GHG) 总量, 并以二氧化碳当量 (carbon dioxide equivalent, CO2eq) 衡量, 根据碳排放来源, 可划分为物料碳排放、能源碳排放和工艺碳排放三类。物料碳排放是焊接生产过程中各种物料消耗造成的间接碳排放;能源碳排放是焊接生产过程中各种能源造成的间接碳排放;工艺碳排放是焊接生产过程中为满足工艺要求而采用的辅料造成的碳排放。

以CO2气体保护焊接工艺为研究对象, 其碳排放源及评估边界如图1所示。由图1可知, 典型焊接过程包括焊前处理、焊接实施及焊后处理三个阶段, 各阶段均以不同形式产生碳排放, 但碳排放最主要的还是发生在焊接实施阶段。该阶段受到焊丝直径、焊接电流、电弧电压及焊机速度等参数的影响, 从而导致该阶段碳排放机理较为复杂, 因此处理好施焊过程的参数选定和碳排放的关系成为问题关键。

1.2 碳排放特性函数及综合评价优化模型

根据上文分析的各类碳排放源, 施焊过程中产生的碳排放量主要由能源碳排放、物料碳排放及工艺碳排放三类碳排放组成, 因此, 其碳排放特性函数的计算模式为

式中, CE为焊接过程的碳排放量;CE1、CE2、CE3分别为能源碳排放量、物料碳排放量和工艺碳排放量;Eij (i=1, 2, 3;j=1, 2, …, n) 为计入第i类碳排放中所消耗的第j种能源消耗量;fj为第j种能源的转化系数, 在此采用标煤作为统一的能耗计量依据;α1、α2、α3分别能源、物料及工艺碳排放系数;M2k、M3k (k=1, 2, …, m) 为计入物料碳排放和工艺碳排放中所消耗的第j种物料量;Cd为施焊过程的CO2气体消耗量, 由于是直接排向环境, 称其为直接碳排放量。

由式 (1) 可知, 决定碳排放量的主要变量是能源消耗量Eij, 物料消耗量M2k、M3k, CO2气体消耗量Cd。施焊过程中, 与它们相关的工艺参数较多, 本文选择了其中最主要的7个参数: (1) 焊丝直径φ, 因为不同直径的焊丝适用不同电流, 而焊丝直径直接与物料消耗量相关; (2) 焊接电流I, 电流决定能源消耗量, 也影响焊丝的熔化速度和母材的熔深; (3) 电弧电压U, 电弧电压会对焊接过程焊滴过渡的特点产生影响, 与焊接电流有一定的匹配关系, 共同影响能耗; (4) 焊接速度v, 速度直接决定生产率, 但速度增加的同时电流会增加, 同时焊缝质量也将受到较大的影响; (5) 气体流量q, 它决定了直接碳排放量, 一般根据电流大小、焊接速度、焊丝伸出长度等选择; (6) 直流回路电感L, 回路电感的作用是控制短路电流上升速度及电流峰值, 控制颗粒飞溅, 不同的焊丝直径需要不同的电感; (7) 焊丝伸出长度l, 长度主要与焊丝直径、电流及电压有关, 对熔滴过渡、电弧稳定性及焊缝成形有重大影响。上述参数间的关系比较复杂, 且与焊接过程碳排放成高度的非线性关系, 不易用精确的函数式明确表达, 为此, 建立了如下的黑箱函数以表达各参数与碳排放的关系:

其中, X={φ, I, U, v, q, L, l}为焊接过程中所选用的焊接参数集。同时, 这些参数的选择也直接决定了焊接的最终成本和产品质量, 其关系可以表达如下:

其中, C (X) 为成本, Q (X) 为产品质量 (以合格率表示) 。在焊接过程中, 提高焊接速度可以降低成本, 减少碳排放, 但会影响产品质量;提高质量会减少废品的出现, 但会带来相关技术、管理成本的增加。单纯以降低碳排放为目的参数选择并无实际意义, 应综合考虑碳排放、成本及质量的关系, 因此本文建立如下的碳排放综合评价优化模型:

约束条件中, φ (mm) 给出的是焊丝常用直径, 质量Q (X) 和成本C (X) 出现在约束条件中主要是考虑质量和成本在达到要求的前提下降低碳排放值, 从而实现整体最优, 其限定范围主要根据企业的实际情况和对产品的要求进行设定。其中, 质量Q (X) 采用产品合格率来度量, 因此式 (5) 中处于分母位置, 对焊接产品合格的界定应根据自身生产和使用情况, 采用相适应的标准进行, 如文中的油箱根据标准JB/T 7158-2010, 采用清洁度标准界定产品质量, 达到清洁度指标的即为合格产品, 然后利用统计方法得到产品合格率 (反映油箱的质量情况) 。这样, 在保证质量和成本要求的前提下, 使碳排放量达到最小时, 所选参数值即为最优值。

对于黑箱函数问题, 神经网络是一种较好的解决方法, 广义回归神经网络 (general regression neural network, GRNN) 的突出特点是训练速度快, 在样本数据量少和噪声较多时优势明显。该网络是径向基网络的一种变式, 建立在数理统计的基础上, 能够根据样本数据逼近其隐含的映射关系, 即使样本数据稀少, 网络的输出结果也能够收敛于最优回归表面, 其结构如图2所示。相对于常用的传统BP神经网络, 它能以更短的训练时间和更少的样本实现更好的功能。

该GRNN模型包括输入层、径向基层和输出层。输入层有Q组向量, 每组向量的元素个数为R, 节点函数为高斯函数, ‖dist‖为输入权值矩阵LW1, 1和输入层阈值向量P的乘积, b1为隐层阈值向量。输出层有7个线性神经元, 权值函数为归一化点积权函数, 相应的权值矩阵为LW2, 1, 将径向基层的输出与本层权值的点积作为权输入进入传递函数normprod环节, 利用函数normprod计算出输出向量n, 再将n提供给线性传递函数purelin (n) , 最后输出计算结果。

2 焊接碳排放参数优化选择

针对式 (5) 所示的碳排放综合评价优化模型, 需要解决的关键问题是如何选择一组最优参数, 在保证质量和成本的同时, 将焊接碳排放降到最低。本文将遗传算法作为优化选择器来解决上述问题, 具体流程如图3所示。首先将GRNN和传统的遗传算法有机结合, 利用网络建立各关系模型, 然后以综合评价函数模型为遗传算法的适应度函数, 将参数限定范围作为初始种群的参考选择范围, 进行遗传算法运算。该遗传算法流程可以利用MATLAB7.1的遗传算法工具箱来实现。

3 应用实例及分析

本实例为某公司的装载机燃油箱。该燃油箱采用Q235钢板焊接而成, 外形尺寸为917mm×766mm×548mm, 总容积为300L, 焊接要求是油箱在总成装配后, 能达到JB/T7158-2010测定清洁度的指标, 否则不能成为合格产品。采用CO2气体保护焊, 所用焊机型号为NBC-350TSMI, 焊丝型号为金桥JQ.MG50-6。按照该公司产品生产流程及工艺卡内容, 所有焊缝结构的焊接过程共需要经过三次拼搭装配和施焊方可完成。

根据焊接工艺的机理分析和生产实际经验, 确定GRNN的输入变量为2.2节所述的7个影响参数, 输出为焊接的碳排放、成本和产品合格率。根据训练用的样本数据, 对典型工艺段参数进行搜集处理, 如表1所示。采用交叉验证的实验方式, 每次轮流取出30组数据作训练样本, 另2组作验证。

表1中的各数据单位不同且数值跨度较大, 因此在网络学习前先进行数据归一化处理, 使其在0~1之间变化, 归一化式子为x= (xixmin) / (xmax-xmin) , 其中x为归一化处理后的元素, xi为待处理元素, xmax、xmin分别为待处理元素的最大值和最小值。处理过程可由MATLAB实现, GRNN利用函数newgrnn创建, 其函数调用格式为

将光滑因子r的值分别设置为0.1, 0.2, …, 0.5, 并对创建好的网络进行训练和测试, 可得图4所示的网络逼近误差和图5所示的预测误差。

图4中, 当r=0.1时, 逼近误差最小, 随着r的增大, 逼近误差也增大;图5中, 随着r的增大, 预测误差也逐渐增大, 所以r取0.1是较理想的。

利用GRNN能较好地拟合出输入参数和输出结果的关系, 模型的拟合响应面输出接近于期望值。表2所示为利用GRNN得到的碳排放、合格率和成本, 并将其与样本进行了比较。

表2中相近的数据表明, 可以通过GRNN拟合使输出结果接近于最优回归面。按照文章综合考虑各目标的思路, 结合本实例的生产情况对式 (5) 中各条件的参数范围取值如下:90A≤I≤250A, 20V≤U≤29V, 43cm/min≤v≤162cm/min, 0.08mH≤L≤0.7mH, 9mm≤l≤15mm, 12L/min≤q≤30L/min, φ={0.8, 1.0, 1.2, 1.6}mm, 0<C (X) ≤72元, Q (X) ≥94%。

基于遗传算法解决该问题时, 可使用遗传算法工具, 首先建立适应度函数Fitness function, 并以M文件的形式编写, 待优化的变量个数设为7。遗传算法的初始参数设置如下:种群尺度为20, 选择概率采用随机均匀分布, 交叉概率为0.8, 变异参数采用高斯函数, 迭代次数为100。根据优化情况对参数仔细调试, 直到达到最好效果。迭代停止时, 确定最佳适应度值为6.8027, 如图6所示。

目标函数的优化结果为6.803, 此时得到各焊接参数的值分别为φ=1.2mm, I=167A, U=21V, v=50cm/min, L=0.15mH, l=12mm, q=20L/min。将以上参数通过训练好的GRNN模型后, 作为输入参数, 从而直接得到输出, 即CE (X) =10.168, C (X) =63.883, Q (X) =95.426%。从另一角度看, 若视该问题为多目标优化问题, 在保证质量和成本的条件下, 碳排放的Pareto解为10.168kg CO2eq。

4 结语

本文以CO2气体保护焊施焊过程为重点研究对象, 对焊接工艺的碳排放源及碳排放特性进行了分析。通过综合考虑物料、能耗、工艺排放等因素, 建立了该工艺碳排放特性函数及碳排放综合评价优化模型, 利用GRNN实现了各输入参数与质量、成本、碳排放的模型关系表达。采用遗传算法对综合评价模型进行求解, 可得最优焊接参数值, 在该条件下实施的焊接工艺, 可以在满足质量和成本要求下实现碳排放量最小化。然而由于神经网络和遗传算法的性能有赖于控制参数的设计, 本文暂时只采用了常用的参数设置, 后续的研究中将进一步丰富参数设置。

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