特厚板結(jié)構(gòu)件的CO2焊接工藝研究

1、河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)論文1 緒 論近幾年，許多工程和成套設(shè)備中，會(huì)遇到較多厚板焊接結(jié)構(gòu)件的制作，例如鋼廠臺(tái)上設(shè)備中的回轉(zhuǎn)臺(tái)、軋制線上的大型梁、柱，鍛壓設(shè)備中橫梁、滑塊、工作臺(tái)等，大量的板厚都在100300mm之間，材質(zhì)為16MnR或Q235，這些厚板結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場使用環(huán)境惡劣，要承受很大的沖擊載荷，有的工作環(huán)境溫度較高，還要求承受一定的熱疲勞。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，加強(qiáng)生產(chǎn)進(jìn)度以及降低成本，通過分析和研究焊接方法和工藝。厚板焊接可以采用的焊接方法有很多。CO2氣保焊、電渣焊、窄間隙焊，還有埋弧自動(dòng)焊等等。電渣焊雖然焊接效率高，但是其焊縫金屬晶粒粗大，焊接接頭容易脆化，因此在質(zhì)量上難以滿足要求。窄間

2、隙焊使用設(shè)備復(fù)雜，對(duì)裝配質(zhì)量要求高，對(duì)焊工素質(zhì)、工藝要求嚴(yán)格，其變形控制量難以掌握。埋弧自動(dòng)焊在打底層焊接上存在清渣較難，焊前準(zhǔn)備工作時(shí)間較長，焊接過程中焊縫對(duì)中難度大，而且對(duì)平位置、長直焊縫才能體現(xiàn)它的高效率。對(duì)于形狀復(fù)雜的焊縫，需要全位置焊接的焊縫，埋弧自動(dòng)焊無法施焊。CO2焊由于熔池小、熱影響區(qū)窄，因此焊后工件變形小，焊縫質(zhì)量好，并且焊道整齊，焊道接頭少。焊絲熔化速度快，生產(chǎn)效率高(焊接速度一般大于30m/h),操作簡單，成本較低，并且二氧化碳?xì)怏w來源廣，價(jià)格低 。另外，因其為明弧焊可以看清電弧和熔池情況，便于掌握和調(diào)整，并且抗氫氣孔能力強(qiáng)，對(duì)油銹敏感低，操作性能非常強(qiáng)。低碳鋼是社會(huì)生活

3、中應(yīng)用最普遍的一種鋼材，而Q235又是其中的代表性鋼材，在鋼材市場中占有很大的比重，這也就使得Q235的焊接顯得很重要，在未來很長一個(gè)時(shí)期內(nèi)Q235的使用在鋼材份額內(nèi)仍將占有一個(gè)很大的比重，因此，用CO2焊接Q235厚板結(jié)構(gòu)件的前景很大，非常使用。2 Q235的焊接性分析2.1 Q235的組織性能Q235屬于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，按其含碳量劃分是低碳鋼，此種鋼冶煉容易，工藝性能優(yōu)良，價(jià)格提煉，而且在力學(xué)性能上一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)器零件的要求，所以其應(yīng)用非常廣泛。但是此種鋼中的S、P和非金屬夾雜物含量比優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼多，在相同含碳量及熱處理?xiàng)l件下，其塑性，韌性較低，加工成型后一般不需要進(jìn)行熱處理，大都

4、在熱軋狀態(tài)下直接使用，通常軋制成各種板材，帶材及型材使用。Q235鋼有A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，其各等級(jí)化學(xué)成分及脫氧方法見表2-1，力學(xué)和工藝性能見表2-2、2-3、2-4表2-1 Q235的化學(xué)成分及脫氧方法牌號(hào)等級(jí)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))()脫氧方法CMnSPSPQ235AO.14O.22O.30O.650.300.0500.045F、b、ZB0.12O.20O.300.700.045C0.18O.350.800.0400.040ZD0.170.0350.035TZ注：F表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼，z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼Q235A、B級(jí)沸騰鋼Mn含量上限WMn=0.60沸騰鋼Si含量

5、Wsi不大于0.07，半鎮(zhèn)靜鋼Si含量Wsi不大于O.17，鎮(zhèn)靜鋼Si含量WSi限值為0.12表2-2 Q235的屈服點(diǎn)牌號(hào)等級(jí)屈服點(diǎn)ósMPa鋼材厚度或直徑mm16>140>4060>6100>100150>150Q235A、BC、D235225215205195185表2-3 Q235鋼的抗拉強(qiáng)度、伸長率和沖擊性能牌號(hào)抗拉強(qiáng)度óbMPa伸長率5()沖擊試驗(yàn)鋼材厚度或直徑mm溫度V型沖擊吸收功(縱向)AkJ16>1640>4060>60100>100150>150Q235375500262524232221202

6、70-20表2-4 Q235鋼的冷彎性能牌  號(hào)試樣方向180°冷彎試驗(yàn)B=2amm60>60100>100200彎心直徑dQ235縱a2a2.5a橫1.5a2.5a3a注：8為試樣寬度，a為鋼材厚度或直徑2.2 Q235的焊接性2.2.1 Q235鋼的焊接工藝特點(diǎn)適合于各種焊接方法，主要根據(jù)材料的厚度、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和具體施工條件選擇合適的工藝參數(shù)。焊接材料的選擇注意兩方面的問題：保證焊縫沒有缺陷、滿足使用性能要求。 Q235是低碳鋼，低碳鋼主要用于焊接結(jié)構(gòu)制造，在成分設(shè)計(jì)中充分考慮了焊接性的要求，它的含碳量很低，而且對(duì)硫、磷等雜質(zhì)控制嚴(yán)格，因而有良好的焊接性。但

7、這類鋼屬于強(qiáng)化鋼，對(duì)加熱反應(yīng)靈敏，因此在焊接中需要采取措施來防止缺陷和熱影響區(qū)的性能變化。2.2.2結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋又叫凝固裂紋，主要產(chǎn)生于焊縫凝固過程中。當(dāng)冷卻到固相溫度附近時(shí)，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而不能及時(shí)填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶界開裂。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)S、P、C、Si偏高的碳鋼、低合金鋼以及單相奧氏體鋼、鎳基合金與某些鋁合金焊縫中。一般沿焊縫樹枝狀晶的交界處發(fā)生和擴(kuò)展。常見于焊縫中心沿焊縫長度擴(kuò)展的縱向裂紋，有時(shí)也分布在兩個(gè)樹枝晶粒之間。結(jié)晶裂紋表面無金屬光澤，帶有氧化顏色，焊縫表面的宏觀裂紋中往往填滿焊渣。結(jié)晶裂紋的上述特征，說明其形成溫度是在焊縫金屬凝固后期

8、熔渣尚未凝固的高溫階段；裂紋沿晶界擴(kuò)展表明，在此溫度區(qū)間晶界是焊縫金屬中的薄弱環(huán)節(jié)。盡管有些低碳鋼中含有一定的Ni，但對(duì)結(jié)晶裂紋的敏感性比某些碳鋼還低些。也就是說，這類鋼的化學(xué)成分可以滿足防止結(jié)晶裂紋的要求。焊縫中C、Mn、S含量對(duì)結(jié)晶裂紋的影響見圖2-1 圖2-1焊縫中C、Mn、S含量對(duì)結(jié)晶裂紋的影響2.2.3熱影響區(qū)液化裂紋焊接過程中在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下，在母材近縫區(qū)與多層焊的層間金屬中，由于低熔點(diǎn)共晶被加熱熔化，在一定收縮應(yīng)力作用下沿奧氏體晶界產(chǎn)生的開裂，即為液化裂紋。液化裂紋與共晶裂紋一樣，同屬于與晶界液態(tài)薄膜有關(guān)的高溫裂紋。但近縫區(qū)或多層焊層間在宏觀上始終保持固態(tài)，這種晶界的局

9、部熔化屬于不正常的熔化。液化裂紋的形成溫度比結(jié)晶裂紋低，稍低于固相溫度，主要發(fā)生在高鎳低錳型的低合金鋼中。但當(dāng)鋼中的碳、硫較低時(shí)，即使含鎳較高，對(duì)液化裂紋也不敏感。液化裂紋的產(chǎn)生還與母材偏析有關(guān)，因而在母材偏析嚴(yán)重的低碳鋼熱影響區(qū)中也曾有發(fā)現(xiàn)。液化裂紋常多出現(xiàn)于含高鎳低錳的低碳鋼中，但如果鋼中的硫、磷含量都很低，即使鎳的含量相當(dāng)高，對(duì)液化裂紋也不敏感。除了化學(xué)成分外，工藝因素的作用也很重要，其中首要因素是焊接線能量。線能量越大，過熱區(qū)晶粒越粗大，晶界面積減小，容易形成液態(tài)薄膜，液化裂紋的敏感性加大。因此，埋弧焊比焊條電弧焊更容易出現(xiàn)液化裂紋，而后者只有在母材的液化裂紋敏感性很高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。此外

10、，熔池形狀對(duì)液化裂紋的敏感性也有明顯影響，如液化裂紋很容易產(chǎn)生在蘑菇狀熔池凹進(jìn)去的熱影響區(qū)中。熔池?cái)嗝嫘螤钆c焊接方法、焊接參數(shù)有關(guān)。這點(diǎn)也可以說明，焊接參數(shù)的調(diào)整對(duì)某些鋼來說是個(gè)既重要而又復(fù)雜的問題。2.2.4 冷裂紋大量研究結(jié)果表明，對(duì)鋼材來說冷裂紋形成的溫度大體在100-100之間，具體溫度隨母材與焊接條件而不同。冷裂紋多產(chǎn)生于有淬硬傾向的低合金高強(qiáng)度鋼和中、高碳鋼的焊接接頭。裂紋大多在熱影響區(qū)，通常發(fā)源于熔合區(qū)，有時(shí)也出現(xiàn)在高強(qiáng)度鋼和鈦合金的焊縫中。形成冷裂紋的三個(gè)基本因素：（1）氫的影響:導(dǎo)致接頭產(chǎn)生冷裂紋的氫主要是擴(kuò)散氫。實(shí)驗(yàn)證明，隨著焊縫中擴(kuò)散氫含量的增加，冷裂紋率較高。例如，用含

11、有較多有機(jī)物的焊條進(jìn)行焊接，出現(xiàn)大量的焊道下裂紋；而用低氫型焊條焊接時(shí)，則未出現(xiàn)或很少出現(xiàn)焊道下裂紋。近年來，一些學(xué)者在顯微鏡下觀察彎曲試件的斷裂情況時(shí)，還觀察到在裂縫尖端附近有氫氣泡析出。擴(kuò)散氫含量還影響延遲裂紋延時(shí)的長短，擴(kuò)散氫含量越高，延時(shí)越短。（2）鋼種的淬硬傾向:一般來說，鋼種淬硬傾向越大，則接頭中出現(xiàn)馬氏體的可能性越大，則越容易產(chǎn)生冷裂紋。當(dāng)材料一定時(shí)，隨冷卻速度不同，接頭的組織將相應(yīng)改變，冷速越高，馬氏體的含量越高，導(dǎo)致裂紋率上升。（3）焊接接頭的拘束應(yīng)力:焊接接頭的拘束應(yīng)力，包括接頭在焊接過程中因加熱不均勻所承受的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自身幾何因素所決定的內(nèi)應(yīng)力。三個(gè)方面的應(yīng)力

12、都是不可避免的，由于都與拘束條件有關(guān)而統(tǒng)稱為拘束應(yīng)力。拘束應(yīng)力的作用是形成冷裂紋的重要因素之一，在其他條件一定時(shí)，拘束應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值就會(huì)產(chǎn)生開裂。低碳鋼中加入了較多的提高淬透性的合金元素，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，因此在焊接條件下，一般不會(huì)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，容易得到馬氏體和貝氏體。馬氏體屬淬火組織，但由于含碳量低，仍保持較高的韌性。而且這類鋼的Ms點(diǎn)比較高，如果在Ms點(diǎn)附近的冷速比較低，Ms點(diǎn)后就形成一次“自回火”過程，使韌性得到改善，而且避免產(chǎn)生冷裂紋。反之，若在Ms點(diǎn)附近的冷速較高，比能實(shí)現(xiàn)“自回火”，在焊接應(yīng)力的作用下就很可能產(chǎn)生冷裂紋。因此，從防止冷裂紋的角度考慮，焊接低碳鋼時(shí)，希望高溫

13、時(shí)冷速較高，而在Ms點(diǎn)附近的冷速要低些。低碳鋼對(duì)擴(kuò)散H比較敏感，當(dāng)對(duì)H控制不嚴(yán)時(shí)，冷裂紋敏感性還是相當(dāng)高的。2.2.5 消除應(yīng)力裂紋焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱時(shí)，由于高溫與殘余應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生的晶間裂紋，稱為消除應(yīng)力裂紋，又叫再熱裂紋。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究確認(rèn)，消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生是由于晶界優(yōu)先滑動(dòng)而導(dǎo)致微裂發(fā)生并擴(kuò)展所致。即焊后再熱時(shí)，在殘余應(yīng)力松弛過程中，粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界滑動(dòng)變形量超過了該部位的塑性變形能力，就會(huì)產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。防止消除應(yīng)力裂紋的措施：（1）選用對(duì)消除應(yīng)力裂紋敏感性低的母材；（2）選用低強(qiáng)高塑性的焊接材料；（3）控制結(jié)構(gòu)鋼性與焊接殘余應(yīng)力；（4）工藝方面的措施：

14、預(yù)熱 焊后及時(shí)進(jìn)行后熱 控制焊接線能量低碳鋼中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除應(yīng)力裂紋敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存時(shí)情況最嚴(yán)重。一般認(rèn)為Mo-V鋼，特別是Cr-Mo-V鋼對(duì)消除應(yīng)力裂紋的敏感性最高，Mo-B鋼、Cr-V鋼也有一定的敏感性。不同成分的鋼對(duì)消除應(yīng)力裂紋敏感的溫度不盡相同，焊接時(shí)可通過降低退火溫度、進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱或后熱等措施，防止消除應(yīng)力裂紋。低碳鋼一般采用先進(jìn)的技術(shù)冶煉，對(duì)雜質(zhì)控制嚴(yán)格，抗層狀撕裂能力較好，目前尚未發(fā)現(xiàn)層狀撕裂的報(bào)導(dǎo)。2.2.6影響低碳鋼焊接性的其他因素低碳鋼中含碳較低。含錳、硅又少，所以，通常情況不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重硬化

15、組織和淬火組織，這種鋼材的塑性和沖擊韌性度優(yōu)良，焊成的接頭韌性和沖擊韌度也很好，焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱?？刂茖娱g溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，可以說整個(gè)焊接過程不需要特殊的工藝措施，其焊接性良好，可以采用各種焊接方法焊接，但遇到下述情況，低碳鋼的焊接性也會(huì)不好，焊接時(shí)出現(xiàn)困難。（1）低碳鋼母材不合格，含碳、硫過高，焊接時(shí)可能出現(xiàn)裂紋，尤其是遇到下列情況，如角焊縫、對(duì)接多層焊第一道焊道、整個(gè)板面采用單面焊單層焊縫和大間隙對(duì)接第一道焊縫等。（2）采用舊冶煉方法生產(chǎn)的低碳轉(zhuǎn)爐鋼。因含氮高，雜質(zhì)較多，冷脆性和實(shí)效敏化感性大，焊接接頭質(zhì)量低，焊接性較差。因此，轉(zhuǎn)爐冶煉低碳鋼不能用于重要的結(jié)構(gòu)件

16、。國內(nèi)目前生產(chǎn)轉(zhuǎn)爐用鋁.鈦脫氧，鋼的質(zhì)量大為改善。即使這樣，這種鋼作重要結(jié)構(gòu)之前應(yīng)對(duì)焊接性特別是實(shí)效敏感性.冷脆敏感性進(jìn)行評(píng)估，以保證焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量。（3）低碳沸騰鋼。由于沸騰鋼脫氧不完全，局部硫磷偏析大，實(shí)效敏感性.冷脆敏感性大，焊接熱裂紋傾向較大，所以這種鋼不宜做承受動(dòng)載或嚴(yán)寒條件下工作的重要結(jié)構(gòu)。鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全，含氧量低，雜質(zhì)分布較均勻，可用于制造焊接結(jié)構(gòu)。焊接沸騰鋼在工藝上應(yīng)采取必要措施，防止裂紋。（4）焊接方法不當(dāng)，如埋弧焊熱輸入大，會(huì)使焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)粗晶組織，使熱影響區(qū)韌性降低；電渣焊的熱輸入比埋弧焊還要大，熱影響區(qū)晶粒更加粗大，韌性降低明顯，所以低碳鋼電渣焊接頭焊后通常要經(jīng)正火處

17、理，細(xì)化晶粒，以提高其韌性2.3 Q235的焊接工藝（1）焊接材料的選用選擇焊接材料時(shí)必須考慮到兩方面的問題：一要焊縫沒有缺陷；二要滿足使用性能的要求。Q235是低碳鋼，低碳鋼主要用于焊接結(jié)構(gòu)制造，在成分設(shè)計(jì)中充分考慮了焊接性的要求，它的含碳量很低，而且對(duì)硫、磷等雜質(zhì)控制嚴(yán)格，因而有良好的焊接性。但這類鋼屬于強(qiáng)化鋼，對(duì)加熱反應(yīng)靈敏，因此在焊接中需要采取措施來防止缺陷和熱影響區(qū)的性能變化。在焊接Q235這種鋼材時(shí)選擇焊接材料的主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng)度、韌性、塑性等力學(xué)性能與母材相匹配。Q235鋼采用焊條電弧焊時(shí)，一般選用E43××型焊條，其熔敷金屬成份一般為0.07%c0

18、.08%，0.35%Mn050%.，0.10si0.15%；而母材中c0.25%，Mn0.30%0.80%，si0.30%；說明熔敷金屬中c低于母材即可保證焊縫與母材等強(qiáng)。焊接重要部分時(shí)（如壓力容器）應(yīng)選用低氫型焊條如J427，埋弧焊時(shí)，焊絲與焊劑的配合按表1-5選用。目前應(yīng)用較多的是高硅高錳與低碳鋼焊絲（H08A） 不同形式的接頭與坡口選用表2-5，CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，主要用H08Mn2SiA焊絲，也可用H10MnSi焊絲，但焊縫強(qiáng)度略低。表2-5 接頭與坡口及焊絲與焊劑的配合鋼號(hào)焊條型號(hào)焊條牌號(hào)埋弧焊電渣焊CO2氣體保護(hù)焊焊絲焊劑焊絲焊劑Q235E43××型J42

19、15;不開坡口對(duì)接H08A中板開坡口對(duì)接H08MnA。厚板深坡口對(duì)接H10Mn2HJ431H08AHJ431HJ360H08Mn2SiAHJ350（2）預(yù)熱溫度的確定：預(yù)熱主要是防止裂紋，同時(shí)還具有一定的改善性能作用。Q235鋼中含碳較低，含錳、硅又少，所以，通常情況不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重硬化組織和淬火組織，這種鋼材的塑性和沖擊韌性度優(yōu)良，焊成的接頭韌性和沖擊韌度也很好，焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。（3）焊接線能量的確定：焊接線能量的確定主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂兩個(gè)因素。當(dāng)焊接Q235時(shí)，對(duì)線能量基本沒有嚴(yán)格的限制，因?yàn)檫@種鋼的過熱敏感性不大。（4）焊后熱處理：1）焊后熱處理主要是指焊后消氫處理，

20、是在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100以下時(shí)，進(jìn)行的低溫?zé)崽幚?。一般?guī)范為加熱到200350，保溫26小時(shí)。焊后消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對(duì)于防止焊接時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著。在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構(gòu)件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，在焊接工作結(jié)束后，在構(gòu)件中總會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力在構(gòu)件中的存在，會(huì)降低焊接接頭區(qū)的實(shí)際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。消應(yīng)力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態(tài)下，其屈服強(qiáng)度下降，來達(dá)到松弛焊接應(yīng)力的目的。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內(nèi)，緩慢加熱到一定溫度，然后保溫一段時(shí)間，最

21、后在空氣中或爐內(nèi)冷卻。用這種方法可以消除80%-90%的焊接應(yīng)力。另一種方法是局部高溫回火，即只對(duì)焊縫及其附近區(qū)域進(jìn)行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力分布比較平緩，起到部分消除焊接應(yīng)力的目的。為改善焊接區(qū)的性能和消除殘余應(yīng)力等有害影響，對(duì)焊接區(qū)及有關(guān)部位在金屬相變溫度點(diǎn)以下充分均勻加熱，然后又均勻冷卻以進(jìn)行消除應(yīng)力退火。焊后熱處理是保證焊接接頭性能的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。焊后消除應(yīng)力熱處理?xiàng)l件的確定焊后消除應(yīng)力熱處理的條件必須根據(jù)下表的各項(xiàng)因素適當(dāng)選擇。焊后消除應(yīng)力熱處理的條件選擇見表2-6表2-6 焊后消除應(yīng)力熱處理的條件選擇熱處理?xiàng)l件需考慮的因素保溫溫度上限相變點(diǎn)以下，熱處理鋼

22、（母材）的回火溫度以下，在不降低母材及焊接區(qū)使用以上必備的性能范圍內(nèi)保溫溫度下限應(yīng)力松弛效果；淬硬區(qū)的軟化效果；氫等氣體的排除保溫時(shí)間上限在不降低母材及焊接區(qū)使用以上必備的性能范圍內(nèi)；縮短制造時(shí)間保溫時(shí)間下限降低應(yīng)力的效果；溫度均勻化程度；硬化區(qū)的軟化；氫等氣體的排除；組織穩(wěn)定加熱速度上限防止厚工件加熱不均勻；防止由溫度不均勻引起的變形和應(yīng)力；防止裂紋加熱速度下限爐溫控制；制造時(shí)間的縮短冷卻速度上限防止厚工件加熱不均勻；防止由溫度不均勻引起的變形和應(yīng)力；防止再次發(fā)生殘余應(yīng)力及裂紋冷卻速度下限爐溫控制；母材及焊接區(qū)的性能；防止發(fā)生再熱裂紋入爐溫度上限防止溫度不均勻引起的變形；防止裂紋出爐溫度上限

23、防止溫度不均勻引起的變形；防止再次發(fā)生殘余應(yīng)力及變形2）焊后熱處理a.加熱溫度。實(shí)施溫度與設(shè)計(jì)溫度之間的關(guān)系如下。設(shè)計(jì)規(guī)定的條件： To，To+(-)Td,Tmin及Tmax具體實(shí)施條件： Tm+(-)Tr 、To+(-)Tr式中Tmin焊后熱處理的溫度下限，;Tmax焊后熱處理的溫度上限，；To焊后熱處理的最佳值，Td設(shè)計(jì)上允許的與焊后熱處理溫度最佳值相對(duì)應(yīng)的溫度范圍Tm焊后熱處理實(shí)施的指示溫度；Tr由熱處理爐造成的焊后熱處理對(duì)象的溫度誤差，b.保溫時(shí)間：當(dāng)所采用的加熱溫度比要求的加熱溫度低時(shí)，在現(xiàn)行的各種規(guī)定中，都采取大幅度延長保溫時(shí)間的方法以彌補(bǔ)溫度的不足，但當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)，就得不到焊

24、后熱處理的效果。應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用條件來選擇最佳的溫度和保溫時(shí)間，也可以借助回火參數(shù)來進(jìn)行推算。c.加熱速度：加熱速度的上限隨板厚的增加而降低，但一般不低于50h，對(duì)于超厚板結(jié)構(gòu)，為了避免加熱不均勻，應(yīng)采取更低的加熱溫度。d.冷卻速度：冷卻速度如果過大，往往因熱應(yīng)力的作用而產(chǎn)生變形或裂紋，并且成為殘余應(yīng)力再次產(chǎn)生的原因。當(dāng)結(jié)構(gòu)件的最大厚度與最小厚度之比超過4時(shí)，一定要放慢冷卻速度。當(dāng)厚度很大時(shí)，最好采用200x25hd的冷卻速度。e.入爐和出爐速度：一般規(guī)定在400以下，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀和尺寸特殊，要采用較低的出爐溫度，有時(shí)甚至在100以下。f.厚度的取法：以對(duì)接接頭為規(guī)格所決定的厚度，厚度不同

25、時(shí)，取較薄板厚度；對(duì)于搭接接頭取較厚板厚度；但接管加強(qiáng)部分，最好采用被接合件厚度之和。3 厚板結(jié)構(gòu)件的制造工藝研究近幾年，許多工程和成套設(shè)備中，會(huì)遇到較多厚板焊接結(jié)構(gòu)件的制作，例如鋼廠臺(tái)上設(shè)備中的回轉(zhuǎn)臺(tái)、軋制線上的大型梁、柱，鍛壓設(shè)備中橫梁、滑塊、工作臺(tái)等，大量的板厚都在100300之間，材質(zhì)為16MnR或Q235，這些厚板結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場使用環(huán)境惡劣，要承受很大的沖擊載荷，有的工作環(huán)境溫度較高，還要求承受一定的熱疲勞。工藝難點(diǎn)分析這些厚板材質(zhì)為16MnR或Q235，碳當(dāng)量 CE(% ) 0.4 %，焊接性能雖然良好，但是鋼板特別厚，加上成型的焊接結(jié)構(gòu)件剛性拘束度又比較大，焊縫金屬極易產(chǎn)生熱裂紋和冷

26、裂紋。由于鋼板厚度大，鋼板在壓制過程中受設(shè)備限制其Z向性能比薄鋼板差，因此均具有不同程度的(層狀撕裂傾向。若焊接時(shí)在板的厚度方向上 第三)方向上 產(chǎn)生應(yīng)力，超過臨界點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致層狀撕裂。厚鋼板構(gòu)件的主要焊縫形式為坡口焊，坡口深，焊縫熔覆金屬多、焊接熱輸入量大，從而導(dǎo)致鋼板焊接時(shí)焊接收縮量大，焊接應(yīng)力大，易產(chǎn)生形，控制難度大，而且焊接變形一旦發(fā)生，矯正非常困難。有些構(gòu)件形狀復(fù)雜，絕大多數(shù)焊縫無法進(jìn)行自動(dòng)焊。如何根據(jù)實(shí)際情況選擇焊接方法，確定合適的焊接工藝，確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量，難度很大3.1結(jié)構(gòu)件的焊接工藝在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的社會(huì)，焊接結(jié)構(gòu)件在航空航天、造船、汽車、橋梁、海洋鉆探、高層建筑金屬結(jié)構(gòu)中得

27、到了廣泛的運(yùn)用，世界主要工業(yè)國家每年的焊接結(jié)構(gòu)用鋼約占鋼產(chǎn)量的45左右。焊接結(jié)構(gòu)之所以有如此迅速的發(fā)展是因?yàn)樗哂幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)：1.與鉚接相比它可以節(jié)省1520的金屬材料2.與鑄造相比工序簡單，生產(chǎn)周期短。以焊代鉚，以焊代鑄，以焊代鍛，以焊代切割已成為制造業(yè)總的發(fā)展趨勢。3.1.1常用結(jié)構(gòu)件的焊接(1)工字形構(gòu)件的焊接。最常用的工字型梁的焊接主要是考慮梁的變形問題。焊接時(shí)必須對(duì)上下兩個(gè)翼板預(yù)先進(jìn)行反變形，腹板上下兩個(gè)端面需開坡口先將腹板與翼板點(diǎn)固成工字截面，然后采用一定的焊接順序(如圖3-1中1234)以及分段退焊法。圖3-1 常見結(jié)構(gòu)件的焊接(2)十字形構(gòu)件的焊接。十字形構(gòu)件在角焊縫的根部和過

28、渡處都有很大的應(yīng)力集中，開坡口焊接并保證焊透是降低十字接頭應(yīng)力集中的重要措施之一，對(duì)重要的十字接頭必須開坡口或采用深熔焊接法進(jìn)行焊接。十字鋼柱采用3塊鋼板拼焊而成，首先將板I與板、板組對(duì)裝配好，按圖2所示的焊接次序(1234)進(jìn)行焊接。在焊接第1道焊縫時(shí)，為減少變形，必須進(jìn)行分段焊接(焊一段、空一段)，分段越多越好。(3)鋼架焊接。一般鋼架焊接應(yīng)先焊腹桿與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，然后再焊上、下弦與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，焊接次序應(yīng)從中間向四周施焊，使焊縫可以由中問向外依次收縮。3.1.2結(jié)構(gòu)件焊接工藝結(jié)構(gòu)件焊接的工藝包括：工藝分析、焊接試驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定、工藝規(guī)程編制、設(shè)備工裝配套等技術(shù)準(zhǔn)備過程。常規(guī)焊接

29、工藝過程如下：焊件準(zhǔn)備，下料一坡口制備一校平一折彎；組對(duì)點(diǎn)焊，焊前將各個(gè)焊件按對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系點(diǎn)焊固定成一個(gè)整體稱為組對(duì)點(diǎn)焊。確定各焊件位置關(guān)系時(shí)，可采用人工劃線或拼點(diǎn)工裝來組對(duì)，人工劃線工作量大，生產(chǎn)效率低，組對(duì)誤差較大。拼點(diǎn)工裝組對(duì)操作簡單，組對(duì)精度高，但需要輔助工裝。焊接，傳統(tǒng)的焊接方式為將組焊件放在地板或焊接平臺(tái)上，焊工圍繞工件用手工焊方式，將外露面可施焊的焊縫焊接完畢；然后翻轉(zhuǎn)工件，焊接其余焊縫，完成所有焊縫可能需要翻轉(zhuǎn)多次。由于工件位置的限制，焊工可能需要焊接焊縫、橫焊縫或立焊縫，而這幾種焊縫焊接難度不同，焊縫質(zhì)量差異很大。對(duì)于在車間內(nèi)進(jìn)行焊接的結(jié)構(gòu)件，采用焊接工裝可以獲得理想的焊接

30、位置，消除立焊、橫焊、仰焊等難以保證質(zhì)量的焊接變形，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一次裝夾全部完成的高效焊接作業(yè)。由于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件大部分形狀規(guī)則，需要設(shè)計(jì)專用夾具配合使用，夾具分為單回轉(zhuǎn)、雙回轉(zhuǎn)、升降式單雙回轉(zhuǎn)等各種形式，根據(jù)不同的工件和技術(shù)要求設(shè)計(jì)制作。目前在結(jié)構(gòu)件焊接中普遍采用的焊接方法是埋弧自動(dòng)焊與CO，MAG氣體保護(hù)焊。埋弧自動(dòng)焊電流密度大，焊接時(shí)熔深大，焊接速度是手工電弧焊的56倍，焊縫外形美觀，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，無弧光、煙塵，勞動(dòng)強(qiáng)度較小，是優(yōu)先選用的焊接方法，多用于中厚板的長直焊縫或環(huán)焊縫。其他場合多采用COMAG氣體保護(hù)焊。氣體保護(hù)焊同樣具有電流密度大、熔深大的特點(diǎn)，焊接速度是手工電弧焊的2倍左右，但

31、輔助工作時(shí)間少，特別是采用富氬混合氣體時(shí)，熔渣和飛濺很少，節(jié)省了清理時(shí)間，總體效率高?，F(xiàn)在各種焊接方法在結(jié)構(gòu)件的焊接中均有不同程度的應(yīng)用：汽車生產(chǎn)中各種焊接方法“覆蓋”了從車身、車架、底盤到懸掛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器、離合器、變速器直至車輪輪圈等部件的成形加工。各類已有的焊接技術(shù)和工藝方法，如電阻焊、氣體保護(hù)焊、螺柱焊、釬焊、摩擦焊、高能束焊等都有應(yīng)用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用了各種焊接技術(shù)，焊接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件總數(shù)中所占比例已超過50，焊接的工作量已占發(fā)動(dòng)機(jī)制造總工時(shí)的10左右。3.1.3焊接機(jī)器人及其應(yīng)用焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)焊接設(shè)備，由焊接專機(jī)開始，逐步到

32、焊接機(jī)器人工作站，直至目前的焊接柔性生產(chǎn)線。焊接用機(jī)器人，嚴(yán)格來講是只機(jī)械手，本身并不能獨(dú)立工作，需配備工裝、專用夾具等外圍設(shè)備，組成焊接機(jī)器人工作站。一個(gè)焊接工作站可以有多個(gè)機(jī)械手，適用于焊接量大或具有一定批量的焊接結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)焊接。焊接機(jī)器人能做出復(fù)雜的空間動(dòng)作，產(chǎn)品改型時(shí)容易調(diào)整。焊接機(jī)器人工作站的基本配置包括焊機(jī)、焊接操作機(jī)構(gòu)、多軸變位機(jī)程序控制系統(tǒng)；可選配置包括焊縫跟蹤系統(tǒng)、焊槍擺動(dòng)裝置等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品改型時(shí)工件的變化情況。對(duì)機(jī)器人焊接過程控制的內(nèi)容很多，就弧焊來說，包括：焊接參數(shù)的穩(wěn)定、焊槍位置和姿態(tài)的確定、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤等方面，對(duì)控制的精度要求也越來越高。一臺(tái)焊接機(jī)器人往往配有

33、多種形式的傳感器，需要同時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)。焊接機(jī)器人對(duì)結(jié)構(gòu)件焊接的技術(shù)要求也較高：焊縫應(yīng)清洗干凈，無油污、鐵銹、割渣等雜物；焊縫坡51尺寸應(yīng)規(guī)范，精度要求為±0、5mm；焊件結(jié)構(gòu)不應(yīng)太復(fù)雜，所焊位置應(yīng)有足夠的擺動(dòng)空間，一般不得少于300mm；所焊工件裝配時(shí)應(yīng)有工裝保證，其位置精度要求±mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球工業(yè)用機(jī)器人已有100萬臺(tái)，其中焊接機(jī)器人占3050。采用機(jī)器人或焊接專機(jī)替代焊工進(jìn)行自動(dòng)焊接，可以改善操作人員的勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)獲得穩(wěn)定一致的焊縫質(zhì)量。隨著社會(huì)的進(jìn)步，以人為本的思想逐漸被接受，焊接時(shí)惡劣的工作環(huán)境使焊工難以保持穩(wěn)定的狀態(tài)，也使人力成本逐漸提高。

34、當(dāng)人力成本提高到一定程度時(shí)，采用自動(dòng)焊接反而比較經(jīng)濟(jì)。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，采用機(jī)器人等自動(dòng)化裝備是必然趨勢。3.2特厚板結(jié)構(gòu)件的制造工藝研究3.2.1坡口最佳坡口為雙u形，鈍邊46mm，鈍邊位于距離簡體外表面的板厚23處，組對(duì)間隙2mm。實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)受加工設(shè)備能力限制(縱縫坡口需要u形銑邊機(jī)，環(huán)縫坡El需要加工能力大于簡體直徑的立車)只能加工成X形坡口。3.2.2焊接（1）坡口要求：平整，不得有凸臺(tái)、少肉、棱角等現(xiàn)象，打磨出金屬光澤，尖角位置必須形成盡量大的圓滑倒角，PT一級(jí)合格，坡口表面及兩側(cè)20mm內(nèi)應(yīng)將水、鐵銹、油污、積渣和其他有害雜質(zhì)清除干凈。（2）標(biāo)記測溫點(diǎn)：在焊縫兩側(cè)50m

35、m處均布測溫點(diǎn)，縱縫應(yīng)3對(duì)，環(huán)縫應(yīng)6對(duì)，并作出標(biāo)記，每20min測量一次溫度。（3）采取局部預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱必須均勻，防止局部應(yīng)力過大。預(yù)熱的范圍為焊縫兩側(cè)各不小于焊件厚度的3倍，且應(yīng)100mm。當(dāng)采用火焰加熱時(shí)， 縱縫采用雙排火焰加熱器，環(huán)縫采用環(huán)形雙排火焰加熱，火焰位置應(yīng)距離焊縫中心100150mm處，禁止直接加熱焊縫，前l(fā)Omin小火緩慢加熱，以降低溫度梯度，減小熱應(yīng)力，避免焊縫崩裂，準(zhǔn)備充足的燃燒氣體，保證預(yù)熱、后熱溫度需求；當(dāng)采用履帶式加熱器加熱時(shí)，應(yīng)保證加熱范圍及溫度梯度滿足上述要求。（4）嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝要求，施焊過程中，保證測溫點(diǎn)位置溫度150，焊縫位置溫度不得高于層間溫度250；

36、焊后或因故間斷施焊時(shí)，必須立刻消氫250 3502h，消氫前必須保證工件溫度100，否則氫已固定，難以逸出；消氫時(shí)，火焰加熱或履帶式加熱器的另一面用保溫棉覆蓋，使溫度足夠、穩(wěn)定，以保證消氫的效果。（5）焊接方法：焊材選用及焊接參數(shù)見表3-1表3-1 焊材選用及焊接參數(shù)焊接方法焊材規(guī)格電流A電壓V速度cm·minSMAWJ427RHF41501802226l525SMAWJ427RHF52002402226l525SAWH10Mn2,F4+HJ35060070030364555（6）每道焊縫盡可能不間斷施焊,一氣呵成，可以減少預(yù)熱、消氫工序，提高生產(chǎn)效率，打底層盡量采用多道焊接，至少每

37、層兩道，可提高焊接質(zhì)量，每道焊縫的焊接關(guān)鍵在于清根和根部焊接，此兩環(huán)節(jié)應(yīng)選擇責(zé)任心強(qiáng)的優(yōu)秀工人承擔(dān)，并安排在上午開始工作。焊接過程中盡量采用風(fēng)鏟清渣，使每層焊縫得到錘擊，充分釋放焊接應(yīng)力。（7）焊接順序的選擇應(yīng)盡量減少變形量，方便焊接操作。一般選擇內(nèi)外坡口對(duì)稱施焊，并在外部清根。（8）由于厚板結(jié)構(gòu)件射線探傷成本大、時(shí)間長，在焊接完成24h后應(yīng)進(jìn)行必要的超聲波檢測，若有缺陷 ，及時(shí)返修，以提高生產(chǎn)效率。（9）返修時(shí)，若以熱加工方式(如碳弧氣刨 )清除缺陷，應(yīng)考慮預(yù)熱。所形成坡口除滿足前述要求外，還應(yīng)使坡口應(yīng)呈船形，內(nèi)窄外寬，四周具有一定坡度，并打磨出金屬光澤。施焊時(shí)，除嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝外，需加大

38、錘擊力度，以盡量減少焊接殘余應(yīng)力。3.2.3無損檢測、熱處理、壓力試驗(yàn)、油漆、包裝和運(yùn)輸（1）由于產(chǎn)品厚度較大，射線探傷需采用銥192或鈷6O等放射源。（2）按圖樣、技術(shù)條件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行油漆、 包裝和運(yùn)輸，若非臥式容器，熱處理時(shí)制作的支撐鞍座可用于運(yùn)輸鞍座。當(dāng)產(chǎn)品直徑或長度過大時(shí)，應(yīng)考慮分段運(yùn)輸，并到現(xiàn)場進(jìn)行組焊、探傷、熱處理、壓力試驗(yàn)和油漆。3.2.4總結(jié)厚壁結(jié)構(gòu)件制造的關(guān)鍵在于焊接，圍繞焊接，現(xiàn)將厚板結(jié)構(gòu)件制造的幾個(gè)要點(diǎn)總結(jié)如下：(1)合理周密的制造方法。(2)科學(xué)可行的焊接工藝。(3)質(zhì)量優(yōu)良的板材、焊材。(4)性能穩(wěn)定的焊接設(shè)備及輔助設(shè)備。(5)技能過硬、責(zé)任心強(qiáng)的生產(chǎn)人員。(6

39、)良好的下料、坡口加工及縱焊縫的組對(duì)質(zhì)量。焊接質(zhì)量提高，產(chǎn)品制造周期可大幅提高，否則每出現(xiàn)一次質(zhì)量缺陷，返修所需工時(shí)約24h，(其中包括預(yù)熱、清除缺陷、打磨坡口、PT檢測、清理坡口、預(yù)熱、焊接、消氫，以及重新無損檢測UT、RT)；坡口角度增大或間隙增大時(shí)，焊縫填充金屬量大大增加，制造工時(shí)及成本增加的同時(shí)也加大了出現(xiàn)焊接缺陷的隱患；所以在厚壁結(jié)構(gòu)件造過程中，切不可急于求成，“以質(zhì)量保進(jìn)度”的方針必須貫徹。4 CO2焊接焊接性分析4.1 CO2焊接介紹4.1.1氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)：（1）采用明弧焊接，熔池可見度好，操作方便，適宜于全位置焊接。并且有利于焊接過程中的機(jī)械化和自動(dòng)化，特別是空間

40、位置的機(jī)械化焊接。（2）電弧在保護(hù)氣體的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池小，熱影響區(qū)窄，焊件焊后的變形小，抗裂性能好，尤其適合薄板焊接。（3）用氬、氦等惰性氣體焊接化學(xué)性質(zhì)較活潑的金屬和合金時(shí)，具有較好的焊接質(zhì)量。（4）在室外作業(yè)時(shí)，必須設(shè)擋風(fēng)裝置才能施焊，電弧的光輻射較強(qiáng)，焊接設(shè)備比較復(fù)雜。4.1.2 CO2氣體保護(hù)焊1.特點(diǎn)（1）焊接成本低CO2氣體是釀造廠和化工廠的副產(chǎn)品，來源廣，價(jià)格低，其綜合成本大概是手工電弧焊的1/2。（2）生產(chǎn)效率高CO2氣體保護(hù)焊使用較大的電流密度（200A/mm2左右），比手工電弧焊（10-20A/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，對(duì)1

41、0mm以下的鋼板可以不開坡口，對(duì)于厚板可以減少坡口加大鈍邊進(jìn)行焊接，同時(shí)具有焊絲熔化快，不用清理熔渣等特點(diǎn)，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。（3）焊后變形小CO2氣體保護(hù)焊的電弧熱量集中，加熱面積小，CO2氣流有冷卻作用，因此焊件焊后變形小，特別是薄板的焊接更為突出。（4）抗銹能力強(qiáng)CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊相比，具有較高的抗銹能力，所以焊前對(duì)焊件表面的清潔工作要求不高，可以節(jié)省生產(chǎn)中大量的輔助時(shí)間。缺點(diǎn)：由于CO2氣體本身具有較強(qiáng)的氧化性，因此在焊接過程中會(huì)引起合金元素?zé)龘p，產(chǎn)生氣孔和引起較強(qiáng)的飛濺，特別是飛濺問題，雖然從焊接電源、焊絲材料和焊接工藝上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，這是

42、CO2焊的明顯不足之處。2.CO2氣體保護(hù)焊的分類CO2氣體保護(hù)焊按操作方法，可分為自動(dòng)焊及半自動(dòng)焊兩種。對(duì)于較長的直線焊縫和規(guī)則的曲線焊縫，可采用自動(dòng)焊；對(duì)于不規(guī)則的或較短的焊縫，則采用半自動(dòng)焊，目前生產(chǎn)上應(yīng)用最多的是半自動(dòng)焊。CO2氣體保護(hù)焊按照焊絲直徑可分為細(xì)絲焊和粗絲焊兩種。細(xì)絲焊采用直徑小于1.6mm,工藝上比較成熟，適宜于薄板焊接；粗絲焊采用的直徑大于或等于1.6mm，適用于中厚板的焊接。3.CO2氣體保護(hù)焊的熔滴過渡在常用的焊接工藝參數(shù)內(nèi)，CO2氣體保護(hù)焊的熔滴過渡形式有兩種，即細(xì)顆粒過渡和短路過渡。（1）細(xì)顆粒狀過渡CO2氣體保護(hù)焊采用大電流，高電壓進(jìn)行焊接時(shí)，熔滴呈顆粒狀過渡

43、。當(dāng)顆粒尺寸增加時(shí)，會(huì)使焊縫成型惡化，飛濺加大，并使電弧不穩(wěn)定。因此常用的是細(xì)顆粒狀過渡，此時(shí)熔滴直徑約比焊絲直徑小2-3倍。特點(diǎn)，電流大、直流反接。（2）短路過渡CO2氣體保護(hù)焊采用小電流，低電壓焊接時(shí)，熔滴呈短路過渡。短路過渡時(shí)，熔滴細(xì)小而過渡頻率高（一般在250-300l/s）,此時(shí)焊縫成形美觀，適宜于焊接薄件。4.CO2氣體保護(hù)焊的冶金特點(diǎn)（1）CO2氣體的氧化性CO2氣體是氧化性氣體，在電弧高溫作用下會(huì)發(fā)生分解：CO2=CO+0在電弧區(qū)中，約有40-60%的CO2氣體被分解，分解出來的原子態(tài)氧具有強(qiáng)烈的氧化性。使碳和其它合金元素如Mn、Si被大量氧化，結(jié)果使焊縫金屬的機(jī)械性能大大下降

44、。CO2焊常用的脫氧措施是在焊絲中加入脫氧劑，常用的脫氧劑是Al、Ti、Si、Mn，而其中尤以Si、Mn用得最多。在上述脫氧劑中單獨(dú)使用任一種脫氧劑效果均不理想，所以通常采用Si、Mn聯(lián)合脫氧。（2）氣孔CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，如果使用化學(xué)成份不合要求的焊絲、純度不合要求的CO2氣體及不正確的焊接工藝，由于CO2氣流有一定的冷卻作用，熔池凝固較快，很容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔。實(shí)踐表明，在CO2氣體保護(hù)焊中，采用ER50-6（原為H08Mn2SiA）等含有脫氧劑的焊絲焊接低碳鋼、低合金鋼時(shí)，如果焊前對(duì)焊絲和鋼板表面的油污、鐵銹作了適當(dāng)?shù)那謇?，CO2氣體中的水分也比較少的情況下，焊縫金屬中產(chǎn)生的氣孔主要是

45、氮?dú)饪住６獊碜钥諝獾那秩?，因此在焊接過程中保護(hù)氣層穩(wěn)定可靠是防止焊縫中產(chǎn)生氮?dú)饪椎年P(guān)鍵。5.CO2氣體保護(hù)焊的工藝參數(shù)CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，由于熔滴過渡的不同形式，需采用不同的焊接工藝參數(shù)。（1）短路過渡時(shí)的工藝參數(shù)：短路過渡焊接采用細(xì)絲焊，常用焊絲直徑為0.61.2，隨著焊絲直徑增大，飛濺顆粒都相應(yīng)增大。短路過渡焊接時(shí)，主要的焊接工藝參數(shù)有電弧電壓、焊接電流、焊接速度，氣體流量及純度，焊絲深出長度。（2）電弧電壓及焊接電流:電弧電壓是短路過渡時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，短路過渡的特點(diǎn)是采用低電壓。電弧電壓與焊接電流相匹配，可以獲得飛濺小，焊縫成形良好的穩(wěn)定焊接過程。1.2的一般參數(shù)為電壓19伏；電流120

46、135。（3）焊接速度 隨著焊接速度的增加，焊縫熔寬、熔深和余高均減小。焊速過高，容易產(chǎn)生咬邊和未焊透等缺陷，同時(shí)氣體保護(hù)效果變壞，易產(chǎn)生氣孔。焊接速度過低，易產(chǎn)生燒穿，組織粗大等缺陷，并且變形增大，生產(chǎn)效率降低。因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)焊接速度進(jìn)行正確的選擇。通常半自動(dòng)焊的速度不超過0.5m/min,自動(dòng)焊的速度不超過1.5m/min。（4）氣體的流量及純度:氣體流量過小時(shí)，保護(hù)氣體的挺度不足，焊縫容易產(chǎn)生氣孔等缺陷；氣體流量過大時(shí)，不僅浪費(fèi)氣體，而且氧化性增強(qiáng)，焊縫表面上會(huì)形成一層暗灰色的氧化皮，使焊縫質(zhì)量下降。為保證焊接區(qū)免受空氣的污染，當(dāng)焊接電流大或焊接速度快，焊絲伸出長度較長以及室外焊

47、接時(shí)，應(yīng)增大氣體流量。通常細(xì)絲焊接時(shí)，氣體流量在1525L/min之間。CO2氣體的純度不得低于99.5%。同時(shí)，當(dāng)氣瓶內(nèi)的壓力低于1Mpa,就應(yīng)停止使用，以免產(chǎn)生氣孔。這是因?yàn)闅馄績?nèi)壓力降低時(shí)，溶于液態(tài)CO2中的水分汽化量也隨之增大，從而混入CO2氣體中的水蒸氣就越多。（5）焊絲伸出長度：由于短路過渡均采用細(xì)焊絲，所以焊絲伸出長度上所產(chǎn)生的電阻熱影響很大。伸出長度增加，焊絲上的電阻熱增加，焊絲熔化加快，生產(chǎn)率提高。但伸出長度過大時(shí)，焊絲容易發(fā)生過熱而成段熔斷，飛濺嚴(yán)重，焊接過程不穩(wěn)定。同時(shí)伸出增大后，噴嘴與焊件間的距離亦增大，因此氣體保護(hù)效果變差。但伸出長度過小勢必縮短噴嘴與焊件間的距離，飛

48、濺金屬容易堵塞噴嘴。合適的伸出長度應(yīng)為焊絲直徑的1012倍，細(xì)絲焊時(shí)以815mm為宜。細(xì)顆粒狀過渡時(shí)的工藝參數(shù)：細(xì)顆粒狀過渡大都采用較粗的焊絲，1.2以上。表4-1給出幾種直徑焊絲的參考規(guī)范。表4-1 焊絲的參考規(guī)范焊絲直徑（mm）1.21.62.0最低電流（A）300400500電弧電壓（V）34454.2 CO2氣體保護(hù)焊工藝4.2.1 CO2焊接工藝的由來CO2焊接工藝的最初構(gòu)想源于20世紀(jì)20年代，然而由于焊縫氣孔問題沒有解決，而使得CO2焊無法使用。直到50年代初，焊接冶金技術(shù)的發(fā)展解決了CO2焊接的冶金問題，研制出Si-Mn系列焊絲，才使得CO2焊接工藝獲得了實(shí)用價(jià)值。在這之后，根

49、據(jù)結(jié)構(gòu)材料的性能，相繼出現(xiàn)了不同組元成分的焊絲，滿足了CO2焊接多樣化的需求。CO2焊接工藝的實(shí)用化為社會(huì)帶來了巨大的財(cái)富，一方面是因?yàn)镃O2氣體價(jià)格低廉，易于獲得，另一方面是由于CO2焊接的金屬熔敷效率高，以半自動(dòng)CO2焊接為例，其效率為手工電弧焊的35倍。但是由于CO2焊接熔滴過渡多為短路過渡，對(duì)CO2焊接工藝穩(wěn)定性提出了更高的要求，另外CO2焊接的飛濺大，成為從20世紀(jì)50年代開始至今制約CO2焊接工藝推廣的主要技術(shù)問題之一。4.2.2飛濺問題（1）從工藝、設(shè)備入手解決CO2焊接飛濺問題CO2焊接短路過渡的電流、電壓波形及熔滴過渡過程,電弧燃燒后，由電弧析出熱量，強(qiáng)烈地熔化焊絲，并在焊絲

50、端頭形成熔滴。由于焊絲熔化而形成電弧空間，其長度決定于電弧電壓。隨后，熔滴體積逐漸增加，而弧長略微縮短。隨著熔滴不斷長大，電弧向未熔化的焊絲方面?zhèn)魅氲臒崃繙p少，則焊絲熔化速度也降低。由于焊絲仍以一定的速度送進(jìn)，所以勢必導(dǎo)致熔滴逐漸接近熔池，弧長縮短。同時(shí)，熔滴與熔池都在不斷地起伏運(yùn)動(dòng)，增加了熔滴與熔池相接觸的機(jī)會(huì)。每當(dāng)接觸時(shí)，就使電弧空間短路，于是電弧熄滅，電弧電壓急劇下降，接近于零，而短路電流開始增大，在焊絲與熔池間形成液體金屬柱，這種狀態(tài)的液柱不能自行破斷，隨著短路電流按指數(shù)曲線規(guī)律不斷增大，它所引起的電磁收縮力強(qiáng)烈地壓縮液柱，同時(shí)在表面張力的作用下，使得液柱金屬向熔池流動(dòng)，而形成縮頸，該

51、縮頸稱為“小橋”。這個(gè)小橋連接著焊絲與熔池，該小橋由于通過較大電流而過熱汽化和迅速爆斷。這時(shí)電弧電壓很快恢復(fù)到空載電壓以上，電弧又重新引燃，再重復(fù)上述過程。傳統(tǒng)的CO2焊接工藝通過調(diào)節(jié)回路串聯(lián)鐵磁電感的辦法來調(diào)整電源的動(dòng)特性。當(dāng)電感I較大時(shí)電流上升速度di/dt較小，短路峰值電流Imax太小，沒有足夠的短路電流促使形成短路小橋，以致于造成固體短路而破壞短路過程。相反，當(dāng)電感較小時(shí)，di/dt過大造成短路峰值電流Imax很大而引起大量飛濺。80年代初蘇聯(lián)學(xué)者乒丘克提出影響飛濺的主要原因是小橋爆炸，乒丘克認(rèn)為爆炸的能量是在爆炸前100150S時(shí)間內(nèi)積累起來的。短路峰值電流Imax越大，則飛濺量也越

52、大。于是限制Imax成為控制CO2焊接飛濺的主要方法。在這期間出現(xiàn)了晶閘管波控焊機(jī)，CO2焊接的短路電流波形第一次得到了真正意義上的控制。各國的焊接學(xué)者相繼利用晶閘管波控焊機(jī)獲得各種波形，進(jìn)行CO2焊接工藝研究，CO2焊接工藝?yán)碚撚纱说玫搅丝焖俚陌l(fā)展。90年代后期，人們對(duì)CO2焊接短路過渡的飛濺問題有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，通過對(duì)CO2焊接短路過渡的研究發(fā)現(xiàn)，CO2的短路有兩種形式，一種是正常短路這渡，另一種為瞬時(shí)短路過渡。瞬時(shí)短路一般短路時(shí)間很短(低于2ms)，但極易產(chǎn)生大顆粒飛濺，正常CO2焊接短路過渡可以通過限制Imax來控制其飛濺量，在選擇合適的Imax情況下，只產(chǎn)生細(xì)顆粒飛濺。根據(jù)以上的研

53、究結(jié)果，美國的林肯公司提出了CO2焊接的STT法(Surface Tension Transfer)。t1時(shí)刻發(fā)生短路，快速降低焊接電流，保持低電流輸出至t2時(shí)刻，由t2時(shí)刻至t3時(shí)刻使焊接電流按雙折線上升，在短路小橋爆斷前再降低電流，以降低飛濺量。在電流較小的t4時(shí)刻小橋爆斷，t5時(shí)刻開始到t6時(shí)刻加電弧再引燃電流脈沖。t6時(shí)刻到t7時(shí)刻電弧穩(wěn)定燃燒，焊接進(jìn)入恒壓特性段。STT法可以很好地在一定電流范圍內(nèi)解決CO2焊接的飛濺問題，但是它僅適用于較小的電流范圍內(nèi)，不能很好地滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)的需要。于是日本和我國焊接學(xué)者提出不追求無飛濺的控制思想，在小飛濺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較大電流范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。這種

54、控制思想在CO2焊接的飛濺控制、提高工藝適應(yīng)性等方面都取得了滿意的結(jié)果。目前北京工業(yè)大學(xué)采用的是電子電抗器的方法來控制CO2焊接飛濺。采用電子電抗進(jìn)行飛濺控制的出發(fā)點(diǎn)是對(duì)CO2焊接短路過渡各個(gè)不同階段施中不同的電感量和控制策略。在短路階段進(jìn)行電流控制，以達(dá)到抑制飛濺目的；燃弧階段進(jìn)行電壓控制，在弧長自調(diào)節(jié)作用下保證電弧穩(wěn)定燃燒。首先在CO2焊接短路初期保持較低的短路電流，因?yàn)槎搪烦跗谌鄣蝿倓偱c熔池接觸，尚未鋪展開，此時(shí)保持較低的電流，有利于熔滴的過渡，抑制了瞬時(shí)短路，然后施加小電感使短路電流快速上升，在熔滴上形成較大的電磁收縮力，加快液體小橋的形成、加快短路過渡過程。當(dāng)形成縮頸之后再施加大電感

55、，以便抑制短路峰電流Imax，減少正常短路飛濺。采用電電抗器解決CO2焊接飛濺問題的辦法在實(shí)踐中取得了很好的工藝效果，目前該技術(shù)已通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓在時(shí)代集團(tuán)公司得到很好的應(yīng)用。在設(shè)備方面解決CO2焊接飛濺的另一有效途徑是改變送絲方式，即將連續(xù)等速送絲改為脈動(dòng)送絲(包含推式脈動(dòng)送絲和推-拉式脈動(dòng)送絲)。這一研究最早是由蘇聯(lián)學(xué)者提出來的，后來我國學(xué)者孫子建做了大量系統(tǒng)的研究工作，取得了十分理想的工藝效果，這體現(xiàn)在降低飛濺和改善焊縫成形兩個(gè)方面。（2）從材料角度解決飛濺問題CO2焊接短路過渡飛濺的產(chǎn)生是由其短路造成的，與從工藝、設(shè)備入手解決飛濺問題不同。從材料角度飛濺問題的出發(fā)點(diǎn)是改變CO2焊接的熔滴過

56、渡形式。現(xiàn)有的方法有兩種：藥芯焊絲CO2焊接和混合氣體保護(hù)焊接(MAG焊)。1）藥芯焊絲CO2焊接藥芯焊絲CO2焊接由于采用了藥芯焊絲，其焊接的工藝特點(diǎn)與實(shí)心焊絲CO2焊接比較有很大不同，其金屬熔滴的過渡形式也有所變化。首先，藥芯焊絲的有效導(dǎo)電截面面積與實(shí)心焊絲比較降低很多，在同樣的焊接電流下電流密度很大，因此焊絲的熔化速度有所提高。其次，藥芯焊絲焊接時(shí)電弧沿著導(dǎo)電的金屬殼燃燒，熔化的液態(tài)金屬滴沿著藥芯及其熔渣向熔池過渡(也可以稱為渣壁過渡)，避免了與熔池的短路。但是當(dāng)壓低電弧電壓時(shí)，藥芯焊絲CO2焊接也地發(fā)生短路過渡，產(chǎn)生較大的飛濺。實(shí)際上藥芯焊絲CO2焊接的電弧電壓通常較高，這時(shí)電弧燃燒仍很穩(wěn)定，并可以避免短路的發(fā)生。第三，藥芯焊絲CO2焊接時(shí)藥芯中造氣劑產(chǎn)生大量的保護(hù)氣體為焊接工藝過程提供了更強(qiáng)的保護(hù)效果。藥芯焊絲與實(shí)心焊絲比較有許多優(yōu)點(diǎn)飛濺小；成形好；效率高；抗風(fēng)能力強(qiáng)，更適合于野外焊接生產(chǎn)。但是藥芯焊絲CO2焊接目前還有兩個(gè)問題有待解決，一個(gè)是藥芯焊絲的制造問題。藥芯焊絲的制造工藝相對(duì)復(fù)雜，尤其是藥芯的成分很難保證均勻一致，在實(shí)際的焊接生產(chǎn)中造成焊縫成分的波動(dòng)，影響了焊