二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝分析

趙 鵬

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠， 山西 太原 030053）

引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)在項目施工中應(yīng)用范圍的不斷擴大，對構(gòu)件之間的連接強度和連接效率要求不斷提高，特別是在關(guān)鍵的承重構(gòu)件上，要求焊接連接區(qū)域能夠承受巨大的應(yīng)力沖擊，因此通常采用氬弧焊的方式進行連接。但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)在焊接過程中不僅需要多次的翻轉(zhuǎn)構(gòu)件，而且要在構(gòu)件的背面進行清根及焊接，施工工序多，施焊效率低。特別是在空間區(qū)域狹小時，焊件背面難以進行徹底的清根，在焊接過程中難以進行觀察，導(dǎo)致焊縫夾渣、咬邊現(xiàn)象嚴重，給焊接效率和焊接質(zhì)量造成了嚴重的影響。因此，提出了一種新型的二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝。該工藝在焊接時在工件上設(shè)置焊接坡口，然后在坡口的背面設(shè)置一個襯墊，從而實現(xiàn)在單個方向上施焊在坡口兩側(cè)形成焊縫的效果，該方案無需進行專門的背面清根、無需進行背面焊接，有效提升了狹小區(qū)域焊接時效率低、成型質(zhì)量差的難題。

1 焊接坡口及襯墊選擇

在鋼結(jié)構(gòu)工程中，應(yīng)用最廣泛的材料為Q235鋼材，因此在進行二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝研究時以Q235 鋼板為焊接對象，鋼板的尺寸為250 mm×160 mm×14 mm，保護焊的焊條選用E501T 藥芯焊絲，該焊絲的直徑為1.2 mm，鋼板厚度和焊絲類別均為工程施工中的常用材料。焊接時選用純度為99.5%的二氧化碳氣體作為保護氣體，選用柔性大、耐熱性好、成本低的陶瓷襯墊作為背面的襯墊[1]。

焊接坡口的類型和焊接時兩個零件的配合結(jié)構(gòu)直接影響焊接的質(zhì)量，經(jīng)過試驗驗證，影響二氧化碳氣體保護焊焊接質(zhì)量的坡口參數(shù)主要包括了坡口的鈍邊尺寸、零件的反變形量、錯變量以及兩個零件之間的裝配間隙及坡口角度。在各影響參數(shù)中坡口角度尺寸尤為重要，坡口角度選擇時應(yīng)保證電弧能夠順利觸及工件的底部并熔透，根據(jù)實際驗證坡口角度設(shè)置為45°±5°。焊接坡口鈍邊如果過大則容易造成坡口的底面無法焊透，鈍邊的尺寸不足則極易造成焊接時的燒穿，二者均會造成焊接區(qū)域結(jié)構(gòu)強度不足，影響連接可靠性，根據(jù)實際驗證工件鈍邊尺寸設(shè)置為1～2 mm。兩個零件之間的裝配間隙則會影響到焊接時的焊接效率和成型質(zhì)量，間隙過大焊接效率高，但工件易熔透，間隙不足時零件難熔透而且焊接效率低下，根據(jù)實際驗證設(shè)置焊接開始段的焊接間隙為0～2 mm，結(jié)束段的焊接間隙為2.5～3 mm。在焊接過程中由于零件受熱膨脹，會導(dǎo)致零件間的間隙發(fā)生變化，因此需要預(yù)設(shè)一定的變形量，抵消焊接時熱脹冷縮的影響，經(jīng)過大量的實驗驗證后，Q235鋼板的反變形量為2°～3°，兩個零件配合時的錯邊量為1 mm。焊接配合結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

2 焊接參數(shù)選擇

二氧化碳氣體保護焊在焊接時的焊接速度、焊接角度、干伸長量及保護氣體流速均會對雙面焊接的質(zhì)量產(chǎn)生影響，在進行單側(cè)焊接雙面成型的過程中需要合理地制定焊接工藝參數(shù)，確保焊接質(zhì)量。

圖1 二氧化碳氣體保護焊坡口結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

二氧化碳氣體保護焊在進行單側(cè)焊接雙面成型的過程中，由于坡口的影響，焊接速度成為影響焊縫質(zhì)量的核心，根據(jù)實驗驗證，當其他焊接參數(shù)不變時，焊接速度越大焊縫的寬、深、焊縫余高越小，反之就越大。特別是當焊接速度大于3.9 m/s 后，由于高速的移動導(dǎo)致在保護氣體未形成有效保護區(qū)域前就完成了焊接，因此在焊縫中易產(chǎn)生大量的氣孔，焊縫面變窄、余高變低。當焊接速度小于1.5 m/s 時，單個區(qū)域的焊接時間增加，焊接熔深大、焊縫余高突出，極易產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象。因此在實際焊接時，將焊接的速度設(shè)置在1.6～3.8 mm/s 之間，考慮到在開始焊接時工件溫度較低，因此可采用先預(yù)熱并低速焊接的方案，待工件溫度升高后再逐級地提升焊接速度，確保焊接效率和焊接質(zhì)量的統(tǒng)一性。焊接速度過大或者過小時的焊接效果如圖2 所示。

圖2 焊接速度異常情況下的焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

在焊接過程中，焊絲和工件之間的傾角不足時容易導(dǎo)致未焊透現(xiàn)象，難以在背面形成焊縫，而當焊絲和工件之間的傾角過大時又容易產(chǎn)生過燒，導(dǎo)致熔池形狀變形、焊絲和熔池分離、焊接中斷。在經(jīng)過多次試驗驗證后確定焊絲和工件間的焊接傾角在72°～88°之間時具有最佳的焊接效果。

焊接過程中焊絲的干伸長量較大時在移動的過程中容易產(chǎn)生晃動，導(dǎo)致背面焊縫成形不均勻，當干伸長量較小時會導(dǎo)致噴嘴和焊件之間的距離不足，焊接時的焊渣容易堵塞噴嘴，因此當采用自動焊接時焊絲的干伸長量一般保持在9 倍藥芯焊絲的直徑[3]。焊接時一般選擇二氧化碳保護氣體的流速15 L/min。

3 單面焊接雙面成形操作要點

在焊接的過程中首先對焊接區(qū)域坡口兩側(cè)進行清理，然后利用定位焊對焊板進行固定，在坡口的背面設(shè)置陶瓷襯墊，焊件的坡口參數(shù)按上文分析進行選擇。定位焊接完成后在焊縫處進行打底焊，為了確保焊接的連續(xù)性，焊弧應(yīng)該穩(wěn)定在坡口的底面，采用半月形的擺動方式，在擺動的時候需要在坡口的兩邊進行約2 s 的停留，確保焊接區(qū)域的坡口徹底熔透。在焊接下一道焊縫的時候需要對連接區(qū)域的焊道上的焊渣、氧化皮等清理干凈，避免焊接時出現(xiàn)夾渣和裂紋。待完全焊完并冷卻后除去焊縫背面的陶瓷襯墊，并用鋼刷對背面的焊渣進行清理[4]。

在進行焊接的時候，需要保證焊接的連續(xù)性，避免出現(xiàn)接頭，若某些因素影響，導(dǎo)致必須有焊接接頭時，需要在焊接前對焊縫進行拋光處理，使之形成平緩的過渡面，然后在搭接處保證不低于30 mm 的搭接段，從而保證焊縫連接的緊密性。焊接后正面和背面焊縫結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 兩面成型焊接結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)實際驗證表明，采用新的二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝后，對長度為100 m 的焊縫進行焊接，焊接時間由最初的86 s 降低到了目前的67.6 s，焊接速度提升了21.4%。焊接后焊縫位置的抗拉強度為437 MPa，比優(yōu)化前的421 MPa 提升了3.7%，焊接后的夾渣、裂紋、氣孔等不良率比優(yōu)化前降低了89.6%。而且優(yōu)化無需進行工件翻轉(zhuǎn)、背部焊接等，極大地提升在小空間內(nèi)的操作可行性，對提升焊接效率和質(zhì)量具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

1）坡口角度設(shè)置為45°±5°，工件鈍邊尺寸設(shè)置為1～2 mm，焊接開始段的焊接間隙為0～2 mm，結(jié)束段的焊接間隙為2.5～3 mm，鋼板的反變形量為2°～3°，兩個零件配合時的錯邊量為1 mm，襯墊選用陶瓷襯墊，能夠確保兩面成型過程中的焊接穩(wěn)定性；

2）二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝能夠?qū)⒑附铀俣忍嵘?1.4%，將焊接后的抗拉強度提升3.7%，焊接不良率降低89.6%，極大地提升了在小空間內(nèi)的操作可行性。