焊接解决方案

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CO2/MAG焊接技术在压力管道上应用的工艺特点

1  压力管道焊接工艺的现状
       目前国内压力管道现场安装焊接工艺方法仍然以焊条电弧焊为主，重要焊缝采用钨极氩弧焊打底/焊条电弧焊填充盖面焊工艺；西气东输工程中大部分采用纤维素焊条打底/药芯自保焊丝填充盖面焊工艺。CO2气体保护焊接方法在压力管道焊接上应用的还不十分普遍，分析其原因主要存在以下认识误区。
1.1  CO2焊接过程中有飞溅，焊接接头质量比焊条电弧焊要低；CO2气体保护防风能力差，不适合压力管道现场安装焊接。
1.2  电弧气氛中具有较强的氧化性，焊缝金属的含氧量较高，焊接接头的冲击韧性值低。
1.3  管道CO2全位置焊接，焊工操作难度大，焊缝成形差，焊缝容易产生咬边及未熔合等焊接缺陷。
      随着CO2焊接电源先进控制技术的提高，高品质焊接材料的发展及新型焊接工艺的应用，上述CO2焊接缺点（飞溅大、成形差、韧性低）均能得到有效的解决。
2  管道CO2焊接工艺的改进和提高
     CO2气体保护焊具有明弧、无渣、节能、生产率高、成本低、变形小、抗锈能力强、焊缝含氢量低、抗裂性好、可进行全位置焊接、容易实现自动化等特点，因此这种焊接方法应用很广泛，并且普及率逐年上升。CO2焊接工艺方法具有的优质、高效、低成本综合优点是其它焊接方法所不能比拟的。 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。
2.1  CO2焊接接头塑韧性不稳定。主要原因是过去的CO2焊丝标准沿袭了原苏联的旧标准，焊丝含Mn量偏高：（Mn：1.8~2.1%），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（如ER50-6、唐山神钢MG-51T），Mn/Si比值适当（Mn：1.4~1.85%  Si：0.8~1.15%），CO2焊缝塑韧性值均略高于碱性低氢焊条的塑韧性值指标，完全可以替代碱性低氢焊条的焊接接头。
2.2  当焊接作业环境的风力≥2m/sec时，为加强气体保护，防止气流紊乱，造成气孔和焊缝成形不良，焊接区域做些局部遮挡，完全能够满足焊接质量要求（海边造船及管道安装CO2焊接作业十分普遍）。
2.3  80年代中期浙江省安装公司就已经将CO2焊接工艺应用于压力管道的焊接施工中，取得非常可观的质量效益和经济效益。
2.4  从93年开始CO2焊接操作技能就列入全国焊工比赛的项目，随后增加了管道垂直固定、水平固定、45°固定的考核项目，推动了焊工CO2焊接压力管道操作技能的提高。
2.5  控制焊缝外观成形也依靠焊工熟练的操作技能，管道全位置焊接的运枪手法见图一，推荐采用反月牙形运枪手法，焊丝在焊缝两侧略作停留，中间快速过渡，焊缝余高低，成形美观，无咬边等缺陷。
3  CO2焊接工艺在压力管道上焊接的应用
       压力管道（材质：20#钢或Q295、Q345、Q390低合金结构钢）单面焊接双面成形工艺有以下几种典型组合方式，可依据自己的工艺条件，制定焊接工艺评定任务书，经模拟试件焊接，理化实验，评定合格，制订焊接工艺规程（WPS）指导焊接施工。
3.1  工艺方案一（实心焊丝+混和气体保护焊）：         
a、 实心焊丝ER50-6  ER50-3   焊丝直径  Φ 1.0  
b、 保护气体80%Ar+20%CO2 （MAG） 流量：15--20L/min
c、 焊缝要求高韧性值，请选用ER50-3 含Mn、Si量偏低的焊丝；焊缝要求较高强度时，请选用ER50-6 含Mn、Si偏高的焊丝；经焊接工艺评定后确定。
d、 电焊机：唐山松下350EA1或 350 KR2  CO2/MAG焊机。
e、 对接坡口：50--55°，对口间隙：2--2.5mm，钝边：1.5--2mm。
f、全位置立向上焊，焊缝接头处打磨缓坡形便于接头无缺陷。
g、 焊接电流I=110—120A，电弧电压U=18—19V，焊速V=20—30cm/min 。
打底焊采用锯齿形运枪手法，其余焊层采用反月牙形运枪手法（如图一）。
h、 此工艺适合Ф219*5 以上的管道多层多道焊。
3.2  工艺方案二（钨极氩弧焊打底+CO2/MAG气保焊填充盖面焊）：
a、  钨极氩弧焊（TIG焊）打底：Φ 2.4焊丝，I=80--100A 。
b、  对接坡口：55--60°，对口间隙：2.5—3.0mm，钝边：1.0—1.5mm。
c、  焊机：（1）YD-400AT2HGG接触引弧的简易TIG焊/焊条电弧焊两用直流弧焊机。
（2）YC-315TX1HGE直流脉冲钨极氩弧焊机。
d、保护气体：纯氩 7--8 L/min 。
e、  填充盖面焊用CO2（或MAG）焊接工艺：实心焊丝 ER50-6   Φ 1.0  
f、  CO2焊机及工艺参数同上
g、  此工艺适合Ф159*4 以上的管道多层多道焊。
3.3  工艺方案三（陶瓷衬垫+药芯焊丝CO2焊接工艺）
a、  药芯焊丝：  国产YJ502-1 （神钢DW-100） 焊丝直径  Φ 1.2
b、  保护气体：CO2  流量：15--20L/min 。
c、  对接坡口：40--45°，对口间隙：6--8mm ，钝边：无。
d、  焊缝背面贴紧陶瓷衬垫，全位置立向上焊。
e、  焊接电流I=160—200A，电弧电压U=24—26V，焊速V=20—30cm/min 。
f、  锯齿形或反月牙形运枪手法（如图一）。
g、  此工艺适合Ф600*8 以上的管道多层多道焊。
3.4  工艺方案四（纤维素焊条打底+实心焊丝CO2焊接工艺）
a、 打底焊：纤维素焊条 E6010 （或E8010） Φ 4  I=60—80A  立向下焊。
b、 对接坡口：60°，对口间隙：2.5--3.0mm，钝边：1.0—1.5mm。
c、 焊缝接头处打磨缓坡形便于接头。打底焊缝表面打磨无焊渣。
d、 电焊机：唐山松下YD-400AT2HGF直流弧焊机（专设纤维素焊条输出端口）。
e、 填充盖面焊用CO2（或MAG）焊接工艺，CO2焊机及工艺参数同上。
f、 此工艺适合Ф273*5 以上的管道多层多道焊。

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氩气在焊接中的应用

1、氩气（Ar）的性质  

氩气是无色、无味、单原子的惰性气体，原子量为39．948，密度为 1．78kg／m3（空气密度为 1．29kg／m 3）。

       氩气的重量是空气的1．4倍，可在熔池上方形成一层稳定的气流层，具有良好的保护性能。另外在焊接过程中，产生的烟雾较少，便于控制焊接熔池和电弧。

        氩气是一种惰性气体，在常温下与其它物质均不发生化学反应，在高温下也不溶于液态金属中，故在焊接有色金属时更能显示其优越性。

        氩气是一种单原子气体，在高温下，氩气直接离解为正离子和电子，因此能量损耗低，

电弧燃烧稳定。同时分解后的正离子体积和质量较大，对阴极的冲击力很强，具有强烈的阴极破碎作用。

        氩气对电弧的冷却作用小，所以电弧在氩气中燃烧时，热量损耗小，稳定性比较好。

        氩气对电弧的热收缩效应较小，加上氩弧的电位梯度和电流密度不大，维持氩弧燃烧的电压较低，一般10V即可。故焊接时电弧拉长，其电压改变不大，电弧不易熄灭。这点对手工氩弧焊非常有利。

2、对氩气纯度的要求  

    氩气是制氧的副产品，因为氩气的沸点介于氧、氮之间，差值很小，所以在氩气中常残留一定数量的杂质。焊接用氩气按我国GB4842－84 （氩气及其检验方法）标准要求，其纯度应达到99．99％。具体技术要求见下表，如果氩气中的杂质含量超过规定标准，在焊接过程中不但影响对熔化金属的保护，而且极易使焊缝产生气孔、夹渣等缺陷，使焊接接头质量变坏，并使钨极的烧损量也增加。

表---氩气纯度的技术要求


项目名称 指标
氩含量     % ≥ 99.99
氮含量     ppm ≤ 70
氧含量     ppm ≤ 10
氢含量     ppm ≤ 5
总碳含量   ppm ≤ 10
水分含量   ppm ≤ 20

3、瓶装氩气

        氩气可在低于－184℃的温度下以液态形式贮存和运送，焊接用氩气大多以气态形式装人气瓶中，每瓶大约可装7000升气体，气瓶为灰色，用绿漆标明“氩气”字样，目前我国常用氩气瓶的容积为33、40、44L，最高工作压力为15MPa。

        氩气瓶在使用中严禁敲击、碰撞；不得用电磁起重机搬运氩气瓶；夏季要防日光曝晒；瓶内气体不能用尽；氩气瓶应直立放置。

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CO2气体的应用

1．CO2气体的性质  纯CO2是无色、无味的气体。密度为 1．98kg／m3，比空气重（空气为1．29kg／m3）。是空气的1．5倍。

        CO2有三种状态：固态、液态、气态。
    不加压力冷却时，CO2直接由气体变成固体，叫做干冰。  温度升高时，干冰升华直接变成气体。因空气中的水分不可避免地会凝结在干冰上，使干冰升华时产生的CO2气体中含有大量水分，所以固态CO2不能用于焊接。

        常温CO2加压至5-7MPa时变成液体。常温下液态CO2比水轻，其沸点为－78℃。

        在0℃ 和0.1 MPa时，Ikg的液态CO2可产生509L的CO2气体。

        2．CO2纯度对焊缝质量的影响  CO2气体的纯度对焊缝金属的致密性和塑性有很大的影响。CO2气体中的主要杂质是水分和氮气。氮气一般含量较少，危害较小。水分的危害较大。随着CO2气体中水分的增加，焊缝金属中的扩散氢含量也增加，焊缝金属的塑性变差，容易出现气孔，还可能产生冷裂纹。

        根据 CO2气体保护焊工艺规程 JB／Z286-87要求，焊接用CO2气体的纯度不应低于99．5％（体积法），其含水量不超过0．005％（重量法）。近年来有些国家要求焊接用CO2的纯度＞99．8％，露点低于－4 0℃。

        3．瓶装CO2气体  工业上使用的瓶装液态CO2既经济又方便。规定钢瓶主体喷成银白色，用黑漆标明“二氧化碳”字样。

        容量为40L的标准钢瓶，可灌入25kg液态的CO2，约占钢瓶容积的80％，其余20％的空间充满了CO2气体，气瓶压力表上指示的就是这部分气体的饱和压力，它的值与环境温度有关。温度高时，饱和气压增高；温度降低时，饱和气压降低。0℃时，饱和气压为3．63MPa（35．57kgf／cm 2）；20℃时，饱和气压为 5．72MPa（56．06kgf／cm 2）； 30℃时，饱和气压达 7．48MPa（73.30kgf／ cm 2）；因此，应防止 CO2气瓶靠近热源或让烈日曝晒，以免发生爆炸事故。当气瓶内的液态CO2全部挥发成气体后，气瓶内的压力才逐渐下降。

        液态CO2中可溶解约0．05％（按重量）的水，多余的水沉在瓶底，这些水和液态CO2一起挥发后，将混人CO2气体中一起进人焊接区。溶解在液态CO2中的水也可蒸发成水蒸气混入CO2气中，将影响气体的纯度。水蒸气的蒸发量与气瓶中气体的压力有关，气瓶内压力越低，水蒸气含量越高。

       4．CO2气体的提纯  目前国内焊接使用的CO2气体，主要是酿造厂、化工厂的副产品，含水分较高，纯度不稳定。为保证焊接质量，应对这种瓶装气体进行处理，以减少其中的水分和空气。

        焊接现场采取以下措施，可有效地降低CO2气体中水分的含量：
    ①更换新气时，先放气2～3min，以排除装瓶时混入的空气和水分。   
        ②将气瓶倒置l～2h后，打开阀门，可排出沉积在下面的自由状态的水。根据瓶中含水量的不同，每隔30min左右放一次水，需放水2～3次。然后将气瓶放正，开始焊接。

③使用时应在气路中安装加热器，对气体加热。

        ④气瓶中液态CO2用完后，气体的压力将随气体的消耗而下降。  气瓶中压力降到1MPa时，CO2中所含的水分将增加1倍以上，应停止使用。如果继续使用，焊缝中将产生气孔。焊接对水比较敏感的金属时。当瓶中气压降至1．5MPa时就不宜再用了。

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焊件及工装夹具的磁场对电弧形状和焊缝成形的影响

       电弧是一种气体导电现象，电弧中的带电粒子主要依靠气体空间的电离和电极的电子发射两个物理过程所产生的。当电弧周围存在一些干扰因素（如：电磁场、气流场等），电弧中心轴线偏离焊条、钨极、焊丝的中心轴线，产生电弧偏吹现象，造成焊缝成形不良甚至无法焊接。
1.直流弧焊机（400/630SS、400AT2），烧焊电焊条时，产生磁偏吹现象。
       克服的方法：
〈1〉改变工件上的接线位置（或将工件两头接双根地线），使工件上的磁场均匀分布。
〈2〉改变焊条的行走角度，将焊条向偏弧一侧倾斜。
〈3〉减少焊接电流，减小造成磁偏吹的磁场强度。
〈4〉改用交流弧焊机。
2.工件坡口上剩余磁场的干扰。如管道TIG焊、MAG焊、焊条电弧焊时电弧偏移于一侧，无法施焊。
       克服的方法：
〈1〉将偏弧指向一侧的管道坡口边缘用直流弧焊机二次输出电缆按一定方向盘绕3-5圈，电缆短接形成回路；调节焊接电流旋钮由小到大，再由大到小瞬时变化一次，做消磁处理。
〈2〉上述处理后，磁场如果仍然存在，请将电缆反方向再盘绕一次，调节电流再消磁处理，直至剩余磁场完全消除为止。
3.大型焊件及工装夹具上的剩余磁场对焊缝成形（驼背焊缝、蛇行焊缝等）的影响。
〈1〉因磁场方向和强度无法测试，焊缝成形不良找不出影响因素。排除了焊接工艺规范（电流、电压、焊丝、保护气体等）诸多影响因素外，应考虑焊件及工装夹具上的剩余磁场对焊缝成形的影响。
〈2〉此类影响时有时无，焊缝表面成形质量时好时坏。
〈3〉克服的方法：
       在左右工作台预留加装若干个焊接地线接线点，用于调整焊接电流均衡及磁场磁力线均匀分布，减少磁偏吹的干扰，保证电弧挺度及形态的一致性，使焊缝成形均匀美观。
       克服电弧偏移，改善焊缝成形的方法和措施还有很多，请在焊接实践中发现和总结。

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CO2焊丝中所含合金元素对焊接性能的影响

CO2气体保护焊镀铜焊丝是一种高效、节能、节材的焊接材料，焊锋成型美观，适用于低碳钢和低合金钢的焊接。执行标准为＜GB/T8110-1995＞，其型号为H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA、H04Mn2SiAlTiA等。CO2焊丝，其含碳量都较低，大多都在0.1%以下，同时含有Si、Mn、S、P、Cr、AI、Ti、Mo、V等合金元素。这些合金元素对焊接性能有何影响，下面分别说明；

硅（Si）元素对焊接性有何影响？

    硅是焊丝中最常用的脱氧元素，它可以防止铁与氧化合，并可在熔池中还原FeO。但是单独用硅脱氧，生成的SiO2熔点高（约1710℃），且生成物的颗粒小，难以从熔池中浮出，易造成焊缝金属夹渣。

锰（Mn）元素对焊接性有何影响？

    锰的作用与硅相似，但脱氧能力比硅稍差一些。单独用锰脱氧，生成的MnO密度较大（15．11g／cm3），也不易从溶池中浮出。在焊丝中含锰，除了脱氧作用外，还能和硫化合生成了硫化锰（MnS），并被除去（脱硫），故可降低由硫引起的热裂纹的倾向。

由于单独用硅和锰脱氧，都难以除去脱氧的生成物。故目前多采用硅锰联合脱氧，使生成的SiO2和MnO复合成硅酸盐（MnO·SiO2）。MnO·SiO2的熔点低（约1270℃）且密度小（约3．6g / cm3），在熔池中能凝聚成大块熔渣而浮出，达到良好的脱氧效果。

    锰也是钢材中的重要合金元素，也是重要的淬透性元素，它对焊缝金属的韧性有很大影响。

    当Mn含量＜0．05％时焊缝金属的韧性很高；

    当Mn含量＞3％后又很脆；

当Mn含量 = 0．6～1．8％时，焊缝金属有较高的强度和韧性。

硫（S）元素对焊接性有何影响？

硫在钢中常以硫化铁的形式存在，并呈网状分布在晶粒边界，因而显著地降低钢的韧性。铁加硫化铁的共晶温度较低（985℃），因此，在进行热加工时，由于加工开始温度一般为1150～1200℃，而铁和硫化铁共晶已经熔化，从而导致加工时开裂，这种现象就是所谓“硫的热脆性”。硫的这种性质使钢在焊接时产生热裂纹。因此，一般在钢中对硫的含量都严格加以控制。普通碳素钢、优质碳素钢以及高级优质钢的主要区别就在于硫、磷含量的多少。

前面提到，锰有脱硫作用，这是因为锰可与硫形成高熔点（1600℃）的硫化锰（MnS），它呈粒状分布于晶粒内。在热加工时，硫化锰有足够的塑性，因而消除了硫的有害作用。因此钢中保持一定的含锰量是有益的。

磷（P）元素对焊接性有何影响？

磷在钢中能全部溶于铁素体内。它对钢的强化作用仅次于碳，使钢的强度和硬度增加，磷能提高钢的抗腐蚀性能，而塑性和韧性则显著降低。特别在低温时影响更为严重，这称为磷的冷跪倾向。故它对焊接不利，增加钢的裂缝敏感性。作为杂质，磷在钢中的含量也要加以限制。
    铬（Cr）元素对焊接性有何影响？

铬能提高钢的强度和硬度而塑性和韧性降低不大。铬具有很强的耐蚀、耐酸的能力，所以奥氏体不锈钢中一般都含有较多的铬（13%以上）。铬还具有很强的抗氧化能力和耐热性。因此，铬在耐热钢中应用也很广，如12CrMo、15CrMo 5CrMo 等钢中都含有一定量的铬。

铬是奥氏体钢的重要组成元素和铁素体化的元素，它在合金钢中能提高在高温时的抗氧化能力和机械性能。在奥氏体不锈钢中，当铬镍的总量为40％，Cr／Ni = 1时，有热裂缝倾向；当Cr／Ni = 2．7时，就没有热裂缝倾向。所以一般18－8型钢中Cr／Ni = 2．2～2．3左右时，铬在合金钢中就容易产生碳化物，使合金钢导热变差，容易产生氧化铬，使焊接造成困难。

铝（AI）元素对焊接性有何影响？

铝是强烈的脱氧元素之一，故用铝作脱氧剂，不仅可少产生FeO，且易于使FeO还原，有效地抑制在熔池中产生的CO气体的化学反应，提高抗CO气孔的能力。另外，铝还能和氮化合而起固氮作用，故也能减少氮气孔。但是用铝脱氧，生成的AI2O3熔点很高（约2050℃），以固态存在熔池中，容易引起焊缝夹渣。同时，含铝的焊丝容易引起飞溅，铝的含量过高还会降低焊缝金属抗热裂能力， 因而焊丝中含铝量必须严格控制，不宜过多。若在焊丝中含铝量控制适当，则在焊缝金属的硬度、屈服点、抗拉强度均稍有提高。

钛（Ti）元素对焊接性有何影响？，

钛也是一种强烈的脱氧元素，且也能和氮化合成TiN而起固氮作用，提高焊缝金属抗氮气孔的能力。

  若Ti和B（硼）在焊缝组织中含量适当，可以使焊缝组织得到细化。

钼（Mo）元素对焊接性有何影响？

钼在合金钢中能提高钢的强度、硬度，细化晶粒，防止回火脆性和过热倾向，提高高温强度、蠕变强度及持久强度、含钼小于0．6％时，可以提高塑性，减少产生裂纹的倾向，提高冲击韧性。钼有促进石墨化的倾向。故一般含钼的耐热钢如16Mo、12CrMo、15CrMo等含钼量约在0．5％左右。钼在合金钢中的含量在0．6 ～1．0％时，钼会使合金钢的塑性和韧性下降，增加合金钢的淬火倾向。

钒（V）元素对焊接性有何影响？

钒可提高钢的强度，细化晶粒，降低晶粒长大倾向，提高淬硬性。钒是较强烈的碳化物形成元素，所形成的碳化物在650℃以下都是稳定的。有时效硬化作用。钒的碳化物具有高温稳定性，因而能提高钢的高温硬度。钒能够改变碳化物在钢中的分布状况，但是钒容易生成难熔的氧化物，增加了气焊和气割的困难。一般焊缝中含钒量在0．11％左右时，可以起到固氮作用，变不利为有利。