熔化极气体保护焊优越性的综合比较分析

                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3~5kg/h,是焊条的1~2.25倍。co₂焊采用细焊丝（φ0.8~φ1.6mm）,较大的电流,电流密度大（co₂焊100~300a/mm²,焊条10~25 a/mm²）。电弧热量集中，不需要为熔化药皮消耗能量，熔化系数比焊条大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40^º~45^º,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10000m³油罐立焊缝，厚度=16mm，q235钢板，双面焊，探伤，其每米焊缝焊接时间：co₂焊为88分钟，焊条电弧焊为377分钟。

再如φ529×9mm的16mn原油管道，单面焊，每个焊口焊接时间：co₂焊为77分钟，tig打底+焊条电弧焊盖面焊为360分钟。

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/100g）

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0.3g/10mm时埋弧焊产生气孔，而锈粉1.0g/10mm时co₂焊才产生气孔，焊缝中产生气孔的倾向小于碱性低氢焊条。

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 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 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φ529×9mm 原油管道，co₂焊探伤一次合格率达到，而同一管线采用焊条电弧焊，探伤一次合格率70%左右。co₂焊缝成形好，内外部缺陷少，这是co₂焊质量可靠的主要原因之一。

（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+q235a材料的φ1594×440mm齿轮，用药芯焊丝替代电焊条，每个焊接齿轮的成本比较是：j507手工电焊条约4174.26元/个；yj502药芯焊丝约1253.44      元/个，每焊接一个齿轮节省2920.82元，约降低成本70%。

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—10m/s环境下焊接，焊缝无气孔等缺陷，在“鸟巢”和沿海船厂得到很好的应用。co₂焊在许多工程中正逐步取代焊条电弧焊。用co₂药芯焊丝焊接大型球罐，用实芯焊丝在混合气体保护下焊接压力容器和压力管道，经焊接工艺评定完全合格，大范围推广应用，会给企业带来更好的焊接质量和经济效益。






（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%

35～50g/min

55%

3mm

co₂

45%

平均90g/min

90～95%

6mm

mig/mag

>50%

60～140g/min

96～99%

4～6mm

药芯焊丝

>50%

140～200g/min

83～87%

4～6mm

     

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