唐山松下產業機器有限公司  王玉松

    

1  前言

   co₂氣體保護焊是一種優質、高效、低成本的焊接方法，早在國家“七五”計劃期間就列入重點推廣的技術項目之一。1977年天津焊接研究所在《co₂氣體保護焊的應用》一書中指出：“co₂焊與焊條電弧焊相比，可提高效率2~4倍，降低成本和節約電能50%以上，co₂焊接接頭具有良好的綜合機械性能”。三十多年來，co₂焊焊接方法在造船、機車車輛、建筑工程、礦山機械、鋼結構等諸多行業廣泛應用，取得了良好的社會效益和經濟效益。

然而，我國列階段co₂焊在鋼材焊接總量中所占比例還偏低，約25%左右。日本、歐美所占比例60%~80%。其中主要原因之一是有些企業決策層及焊接工作者對co₂焊優越性的認識不足，存在一些認識誤區，或是不適當地夸大了co₂焊固有的缺點。下面的一些錯誤看法帶有一定的普遍性：

（1）co₂焊的焊接接頭質量比焊條電弧焊低，焊接過程中飛濺大，不適合焊接重要的焊接產品，如鍋爐、壓力容器等。

（2）co₂焊的生產效率比焊條電弧焊大概也高不了多少，成本也不一定低。

（3）co₂焊的有害氣體多，對焊工健康有影響。

（4）co₂焊抗風性能差，不適合現場施工焊接。

這些不正確和不恰當的認識，阻礙了co₂焊大面積地推廣應用。近年來co₂焊在大型鋼結構（如“鳥巢”奧運工程等）、油罐、管道、鍋爐、壓力容器、球罐等重要工程和焊接結構上開始應用，并取得寶貴經驗。本文參考有關資料，就co₂焊與焊條電弧焊的效率、質量、成本等做一比較分析。

 

2  co₂焊的高效率問題

（1）  co₂焊有較高的熔敷速度和熔敷效率及熔深，如表1。

表1  co₂焊的熔敷速度、熔敷效率和熔深與其它焊接方法的比較

 

 

co₂焊熔敷速度3~5kg/h,是焊條的1~2.25倍。co₂焊采用細焊絲（φ0.8~φ1.6mm）,較大的電流,電流密度大（co₂焊100~300a/mm²,焊條10~25 a/mm²）。電弧熱量集中，不需要為熔化藥皮消耗能量，熔化系數比焊條大1~3倍，可提高工效1~2倍。

（2） co₂焊采用小截面坡口形式，可使焊縫熔敷金屬量減少，相當于提高了焊接速度。co₂焊縫坡口一般40^º~45^º,鈍邊較大，間隙較小，坡口截面比焊條減小50%，可使焊縫熔敷金屬量減小，焊接工效提高1倍左右。                                                           

（3）  co₂ 焊接無渣，無需清渣，打磨，清坡口和換焊條，焊縫成形好，熔深大。co₂焊的輔助時間為焊條電弧焊的50%，由此提高工效0.3~0.8倍。

上述三項得出co₂焊的工效與焊條電弧焊相比可提高是2~4倍。即：

因較高的熔化速度和熔化系數約提高1~2倍；

因采用小截面的坡口形式可提高0.72~1.08倍；

因焊接輔助時間大幅度減小約提高0.3~0.8倍。

如某單位10000m³油罐立焊縫，厚度=16mm，q235鋼板，雙面焊，探傷，其每米焊縫焊接時間：co₂焊為88分鐘，焊條電弧焊為377分鐘。

再如φ529×9mm的16mn原油管道，單面焊，每個焊口焊接時間：co₂焊為77分鐘，tig打底+焊條電弧焊蓋面焊為360分鐘。

這兩項實踐證明，co₂焊比焊條電弧焊分別提高工效3.28倍和3.67倍。

實踐證明：當采用堿性低氫焊條電弧焊和探傷要求較高時，co₂焊有著比焊條電弧焊更高的效率和效益。

3  關于co₂焊的質量問題

用co₂焊接低碳鋼和低合金鋼，只要焊材選配適當，都可以獲得良好質量的焊接接頭，綜合力學性能可以達到堿性低氫型焊條電弧焊的質量水平。

（1）      co₂焊縫中的氫含量低，焊縫的抗裂性較好。co₂焊是一種超低氫焊接方法，焊縫中擴散氫的含量遠遠低于堿性低氫焊條，見表2。

表2   四種焊接方法擴散氫含量比較

焊接方法

擴散氫含量[h]_d（ml/100g）

co₂焊

≤1.00

mag焊

≤0.03

埋弧焊

≤ 2.17

低氫型焊條

≤3.15

co₂焊對銹和水分不敏感，當銹粉0.3g/10mm時埋弧焊產生氣孔，而銹粉1.0g/10mm時co₂焊才產生氣孔，焊縫中產生氣孔的傾向小于堿性低氫焊條。

這些都是co₂焊十分可貴的優點，是co₂焊接接頭質量可靠的主要原因。

（2）co₂焊縫中的含氧量和含氮量也與堿性低氫型焊條焊接的焊縫相當。co₂焊在焊接過程中由于采取了mn/si聯合脫氧的措施，可以使焊縫中的含氧量降低到0.02%以下。由于有較為可靠的氣體保護，可防止空氣中的氮進入熔池，有效地防止氮氣孔的生成。

（3）采用專用牌號的焊絲，增加焊縫金屬的摻合金作用，改善焊縫的力學性能。眾多壓力容器制造和安裝單位大量的焊接工藝評定結果證明：co₂焊縫具有良好的綜合力學性能，不低于用堿性低氫焊條焊接的焊縫，完全能滿足堿性低氫焊條所勝任的場合。

     80年代曾有人提出：co₂焊接工藝方法不適合鍋爐、壓力容器的焊接，因為其塑韌性不穩定。主要原因是過去的co₂焊絲標準沿襲了原蘇聯的標準（如er49-1焊絲），焊絲含mn量偏高（mn1.8%~2.1% , si0.65%~0.95%），mn/si比值高，焊縫強度高，塑韌性偏低。隨著焊絲質量的改進，引用歐美焊絲標準，mn/si比值適當（mn1.4%~1.85%,  si0.8%~1.15%），co₂焊縫塑韌性值均略高于堿性低氫焊條的塑韌性值。

表3     實芯焊絲的化學成分（質量分數）（%）

焊絲型號

c

mn

si

ygw 11  (日）

≤0.15

1.4~1.9

0.55~1.0

ygw 15（ 日）

≤0.15

1.0~1.6

0.4~1.0

er 49-1

≤0.11

1.8~2.1

0.65~0.95

er 50-3

0.06~0.15

0.9~1.4

0.45~0.75

er 50-6

0.06~0.15

1.4~1.85

0.8~1.15

 

圖一  兩種焊絲在不同保護氣體下的韌性值

分析表3和圖1的試驗結果得知，當mn/si比值高的焊絲（ygw11）在混合氣體（80%ar+20%co₂）保護下焊接，因mn、si等合金元素過渡系數很高，焊縫的強度、硬度高，其沖擊韌性值 低。

而低mn低si的焊絲（ygw15），在混合氣體保護下（mag）焊接，因mn、si等合金元素過渡合理，熔敷金屬mn≈1.0%,si≈0.4%,強韌比性能良好，其沖擊韌性值 高。

目前大多數工廠無論co₂焊接，還是mag焊接，都使用一種焊絲（er50-6），是不合理的工藝選擇，應該是使用mn偏高的焊絲適用于co₂焊接，mn偏低的焊絲適用于富氬焊接，二者不宜互換代用。

（4）co₂焊的焊縫熱影響區小，焊接接頭的變形量小，提高了焊接接頭承受有效載荷的能力，這是焊條電弧焊所不及的。

（5）co₂焊縫成形好，表面缺陷少，探傷一次合格率高于焊條電弧焊。 co₂焊在短路過渡時適合于全位置焊，易于實現單面焊雙面成型。氣孔、咬邊、弧坑、夾渣、未焊透等缺陷少于焊條電弧焊。 如某單位焊接φ529×9mm 原油管道，co₂焊探傷一次合格率達到，而同一管線采用焊條電弧焊，探傷一次合格率70%左右。co₂焊縫成形好，內外部缺陷少，這是co₂焊質量可靠的主要原因之一。

（6） co₂焊操作容易，焊工培訓周期短，一般為焊條電弧焊的1/2~1/3時間。

隨著混合氣體保護焊（mag焊）和藥芯焊絲的推廣應用， co₂焊接方法不僅在鍋爐、壓力容器行業得到應用，在航天、核電等行業也逐步推廣應用，取得很好的經濟效益。

4   關于co₂焊的低成本問題

盡管co₂焊機和焊絲價格較貴，但由于下面諸多原因，使co₂焊的實際成本較大幅度的低于焊條電弧焊。實踐證明，天津焊接研究所提出的co₂焊比焊條電弧焊可降低成本50%是有科學根據的。

（1）大幅度節約焊材。由于co₂焊采用小截面坡口型式，焊縫截面積可減少36%~54%，即可以節約36%~54%的填充金屬。節省了焊條藥皮和焊條頭的浪費。這是co₂焊成本降低的主要原因之一。

（2）co₂焊可節約大量電能。co₂焊機與硅整流弧焊機相比，可節約用電平均達37%，與交流弧焊機相比，可節約用電69%以上。co₂因提高工效2~4倍，因此實際焊接時間可以減少67%~80%。如與手弧焊機容量相同，焊接參數相當，則耗電量大致降低比例是67%~80%。據有關單位測定，co₂焊的耗電量僅為手弧焊的34.6%，或可降低耗電量的比例是65.4%。

（3）由于co₂焊效率高，實際設備臺班費較手工電弧焊降低67%~80%。設備臺班費約占焊接成本的30%~50%，采用co₂焊工藝，可使焊接總成本降低20%~40%。

（4）co₂焊生產效率高，實際焊接時間相應減少，即減少焊接人工費，工時費，焊接總成本較手工電弧焊降低10%~16%。

（5）co₂焊減少了清渣和清根的工序，基本可以免除焊縫打磨，節約了耗材、輔助時間和人工費用。co₂焊接變形小，節省了矯正變形的費用。

綜合上述五項，與焊條電弧焊相比，co₂焊能使焊接成本降低39.6%~78.7%,平均降低59%。

某公司油罐施工焊接中測定，co₂焊比手弧焊成本降低65%。

某重工企業焊接35crmo+q235a材料的φ1594×440mm齒輪，用藥芯焊絲替代電焊條，每個焊接齒輪的成本比較是：j507手工電焊條約4174.26元/個；yj502藥芯焊絲約1253.44      元/個，每焊接一個齒輪節省2920.82元，約降低成本70%。

據有關資料介紹：在某行業co₂焊接熔敷金屬量占焊接總熔敷量由8%提高到15%，可獲得經濟效益5.65億元。

co₂焊接的有害煙塵少于手弧焊。經測定，在呼吸帶co₂焊煙塵量20.4~116.3mg/m³，焊條電弧焊煙塵量68~171mg/m³，明顯改善了焊工的衛生條件。

5  關于co₂焊的應用前景

 co₂焊的優質、高效、低成本的優點是其他焊接方法所不能比擬的，因此無論在國內還是國外發展都十分迅速，主要用于焊接低碳鋼、普通低合金鋼和低合金高強度鋼，還可以焊接耐熱鋼和不銹鋼。用氬氣作為保護氣體可焊接鋁、銅、鎳、鈦等有色金屬。還可以進行堆焊及焊接修復技術。采用防風焊槍可在風速5—10m/s環境下焊接，焊縫無氣孔等缺陷，在“鳥巢”和沿海船廠得到很好的應用。co₂焊在許多工程中正逐步取代焊條電弧焊。用co₂藥芯焊絲焊接大型球罐，用實芯焊絲在混合氣體保護下焊接壓力容器和壓力管道，經焊接工藝評定完全合格，大范圍推廣應用，會給企業帶來更好的焊接質量和經濟效益。






（來源：《焊接技術能手絕技絕活》3-1）

焊接方法

燃弧率

熔敷速度

熔敷效率

平均熔深

手工焊

30%

35～50g/min

55%

3mm

co₂

45%

平均90g/min

90～95%

6mm

mig/mag

>50%

60～140g/min

96～99%

4～6mm

藥芯焊絲

>50%

140～200g/min

83～87%

4～6mm

     

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