唐山松下产业机器有限公司 王玉松
1 前言
CO2气体保护焊是一种优质、高效、低成本的焊接方法,早在国家“七五”计划期间就列入重点推广的技术项目之一。1977年天津焊接研究所在《CO2气体保护焊的应用》一书中指出:“CO2焊与焊条电弧焊相比,可提高效率2~4倍,降低成本和节约电能50%以上,CO2焊接接头具有良好的综合机械性能”。三十多年来,CO2焊焊接方法在造船、机车车辆、建筑工程、矿山机械、钢结构等诸多行业广泛应用,取得了良好的社会效益和经济效益。
然而,我国列阶段CO2焊在钢材焊接总量中所占比例还偏低,约25%左右。日本、欧美所占比例60%~80%。其中主要原因之一是有些企业决策层及焊接工作者对CO2焊优越性的认识不足,存在一些认识误区,或是不适当地夸大了CO2焊固有的缺点。下面的一些错误看法带有一定的普遍性:
(1)CO2焊的焊接接头质量比焊条电弧焊低,焊接过程中飞溅大,不适合焊接重要的焊接产品,如锅炉、压力容器等。
(2)CO2焊的生产效率比焊条电弧焊大概也高不了多少,成本也不一定低。
(3)CO2焊的有害气体多,对焊工健康有影响。
(4)CO2焊抗风性能差,不适合现场施工焊接。
这些不正确和不恰当的认识,阻碍了CO2焊大面积地推广应用。近年来CO2焊在大型钢结构(如“鸟巢”奥运工程等)、油罐、管道、锅炉、压力容器、球罐等重要工程和焊接结构上开始应用,并取得宝贵经验。本文参考有关资料,就CO2焊与焊条电弧焊的效率、质量、成本等做一比较分析。
2 CO2焊的高效率问题
(1) CO2焊有较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、熔敷效率和熔深与其它焊接方法的比较
CO2焊熔敷速度3~
(2) CO2焊采用小截面坡口形式,可使焊缝熔敷金属量减少,相当于提高了焊接速度。CO2焊缝坡口一般40º~45º,钝边较大,间隙较小,坡口截面比焊条减小50%,可使焊缝熔敷金属量减小,焊接工效提高1倍左右。
(3) CO2 焊接无渣,无需清渣,打磨,清坡口和换焊条,焊缝成形好,熔深大。CO2焊的辅助时间为焊条电弧焊的50%,由此提高工效0.3~0.8倍。
上述三项得出CO2焊的工效与焊条电弧焊相比可提高是2~4倍。即:
因较高的熔化速度和熔化系数约提高1~2倍;
因采用小截面的坡口形式可提高0.72~1.08倍;
因焊接辅助时间大幅度减小约提高0.3~0.8倍。
如某单位
再如Φ529×
这两项实践证明,CO2焊比焊条电弧焊分别提高工效3.28倍和3.67倍。
实践证明:当采用碱性低氢焊条电弧焊和探伤要求较高时,CO2焊有着比焊条电弧焊更高的效率和效益。
3 关于CO2焊的质量问题
用CO2焊接低碳钢和低合金钢,只要焊材选配适当,都可以获得良好质量的焊接接头,综合力学性能可以达到碱性低氢型焊条电弧焊的质量水平。
(1) CO2焊缝中的氢含量低,焊缝的抗裂性较好。CO2焊是一种超低氢焊接方法,焊缝中扩散氢的含量远远低于碱性低氢焊条,见表2。
表2 四种焊接方法扩散氢含量比较
焊接方法 |
扩散氢含量[H]D(mL/ |
CO2焊 |
≤1.00 |
MAG焊 |
≤0.03 |
埋弧焊 |
≤ 2.17 |
低氢型焊条 |
≤3.15 |
CO2焊对锈和水分不敏感,当锈粉
这些都是CO2焊十分可贵的优点,是CO2焊接接头质量可靠的主要原因。
(2)CO2焊缝中的含氧量和含氮量也与碱性低氢型焊条焊接的焊缝相当。CO2焊在焊接过程中由于采取了Mn/Si联合脱氧的措施,可以使焊缝中的含氧量降低到0.02%以下。由于有较为可靠的气体保护,可防止空气中的氮进入熔池,有效地防止氮气孔的生成。
(3)采用专用牌号的焊丝,增加焊缝金属的掺合金作用,改善焊缝的力学性能。众多压力容器制造和安装单位大量的焊接工艺评定结果证明:CO2焊缝具有良好的综合力学性能,不低于用碱性低氢焊条焊接的焊缝,完全能满足碱性低氢焊条所胜任的场合。
80年代曾有人提出:CO2焊接工艺方法不适合锅炉、压力容器的焊接,因为其塑韧性不稳定。主要原因是过去的CO2焊丝标准沿袭了原苏联的标准(如ER49-1焊丝),焊丝含Mn量偏高(Mn1.8%~2.1% , Si0.65%~0.95%),Mn/Si比值高,焊缝强度高,塑韧性偏低。随着焊丝质量的改进,引用欧美焊丝标准,Mn/Si比值适当(Mn1.4%~1.85%, Si0.8%~1.15%),CO2焊缝塑韧性值均略高于碱性低氢焊条的塑韧性值。
表3 实芯焊丝的化学成分(质量分数)(%)
焊丝型号 |
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 |
图一 两种焊丝在不同保护气体下的韧性值
分析表3和图1的试验结果得知,当Mn/Si比值高的焊丝(YGW11)在混合气体(80%Ar+20%CO2)保护下焊接,因Mn、Si等合金元素过渡系数很高,焊缝的强度、硬度高,其冲击韧性值最低。
而低Mn低Si的焊丝(YGW15),在混合气体保护下(MAG)焊接,因Mn、Si等合金元素过渡合理,熔敷金属Mn≈1.0%,Si≈0.4%,强韧比性能良好,其冲击韧性值最高。
目前大多数工厂无论CO2焊接,还是MAG焊接,都使用一种焊丝(ER50-6),是不合理的工艺选择,应该是使用Mn偏高的焊丝适用于CO2焊接,Mn偏低的焊丝适用于富氩焊接,二者不宜互换代用。
(4)CO2焊的焊缝热影响区小,焊接接头的变形量小,提高了焊接接头承受有效载荷的能力,这是焊条电弧焊所不及的。
(5)CO2焊缝成形好,表面缺陷少,探伤一次合格率高于焊条电弧焊。 CO2焊在短路过渡时适合于全位置焊,易于实现单面焊双面成型。气孔、咬边、弧坑、夹渣、未焊透等缺陷少于焊条电弧焊。 如某单位焊接Φ529×
(6) CO2焊操作容易,焊工培训周期短,一般为焊条电弧焊的1/2~1/3时间。
随着混合气体保护焊(MAG焊)和药芯焊丝的推广应用, CO2焊接方法不仅在锅炉、压力容器行业得到应用,在航天、核电等行业也逐步推广应用,取得很好的经济效益。
4 关于CO2焊的低成本问题
尽管CO2焊机和焊丝价格较贵,但由于下面诸多原因,使CO2焊的实际成本较大幅度的低于焊条电弧焊。实践证明,天津焊接研究所提出的CO2焊比焊条电弧焊可降低成本50%是有科学根据的。
(1)大幅度节约焊材。由于CO2焊采用小截面坡口型式,焊缝截面积可减少36%~54%,即可以节约36%~54%的填充金属。节省了焊条药皮和焊条头的浪费。这是CO2焊成本降低的主要原因之一。
(2)CO2焊可节约大量电能。CO2焊机与硅整流弧焊机相比,可节约用电平均达37%,与交流弧焊机相比,可节约用电69%以上。CO2因提高工效2~4倍,因此实际焊接时间可以减少67%~80%。如与手弧焊机容量相同,焊接参数相当,则耗电量大致降低比例是67%~80%。据有关单位测定,CO2焊的耗电量仅为手弧焊的34.6%,或可降低耗电量的比例是65.4%。
(3)由于CO2焊效率高,实际设备台班费较手工电弧焊降低67%~80%。设备台班费约占焊接成本的30%~50%,采用CO2焊工艺,可使焊接总成本降低20%~40%。
(4)CO2焊生产效率高,实际焊接时间相应减少,即减少焊接人工费,工时费,焊接总成本较手工电弧焊降低10%~16%。
(5)CO2焊减少了清渣和清根的工序,基本可以免除焊缝打磨,节约了耗材、辅助时间和人工费用。CO2焊接变形小,节省了矫正变形的费用。
综合上述五项,与焊条电弧焊相比,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测定,CO2焊比手弧焊成本降低65%。
某重工企业焊接35CrMo+Q
据有关资料介绍:在某行业CO2焊接熔敷金属量占焊接总熔敷量由8%提高到15%,可获得经济效益5.65亿元。
CO2焊接的有害烟尘少于手弧焊。经测定,在呼吸带CO2焊烟尘量20.4~116.3mg/m3,焊条电弧焊烟尘量68~171mg/m3,明显改善了焊工的卫生条件。
5 关于CO2焊的应用前景
CO2焊的优质、高效、低成本的优点是其他焊接方法所不能比拟的,因此无论在国内还是国外发展都十分迅速,主要用于焊接低碳钢、普通低合金钢和低合金高强度钢,还可以焊接耐热钢和不锈钢。用氩气作为保护气体可焊接铝、铜、镍、钛等有色金属。还可以进行堆焊及焊接修复技术。采用防风焊枪可在风速5—
(来源:《焊接技术能手绝技绝活》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~ |
55% |
|
CO2 |
45% |
平均 |
90~95% |
|
MIG/MAG |
>50% |
60~ |
96~99% |
4~ |
药芯焊丝 |
>50% |
140~ |
83~87% |
4~ |