造船焊接与切割技术-05

苗玉刚2010-3-1哈尔滨哈尔滨工程大学HarbinEngineerUniversity造船焊接与切割技术WeldingandCuttingTechnologyforShipbuildingCO2气体保护焊CO2GasShieldingWelding第5讲CO2气体保护焊授课内容：CO2电弧焊原理与特点焊接设备及其焊接材料熔滴过渡与焊接条件的选择CO2气体保护焊的发展和应用焊接原理利用CO2气体在熔化极电弧焊中对电弧及熔池进行保护的焊接方法称作“CO2气体保护电弧焊”，简称“CO2焊”。CO2焊原理焊接特征CO2焊有如下两点特征：采用与母材相近材质的焊丝作为电极。焊丝为电弧的一极，焊丝熔化后形成熔滴过渡到熔池中，与母材熔化金属共同形成焊缝。为防止外界空气混入到电弧、熔池所组成的焊接区，采用了CO2气体进行保护。焊接特点☺焊接效率高，焊接生产效率是MMA的1-5倍;☺焊接成本低，仅为MMA或SAW的40%-50%;☺适用范围广，对任何位置、角度、长度及复杂曲面的焊缝都可进行焊接，不受结构条件制约;☺不易产生冷裂纹，是一种低氢型或超低氢型焊接方法;☺焊后不需清渣，明弧焊接便于监视，有利于机械化操作;不能用于非铁金属的焊接过渡不如MIG焊稳定，飞溅量大、烟尘大设备复杂，包括弧焊电源、控制箱、供气系统等，较手工电弧焊的设备复杂。焊接电弧特点与Ar保护不同，由于CO2气体对电弧的强冷作用致使电弧和斑点收缩，在斑点处产生大量的金属蒸汽，对熔滴产生排斥作用，加之电磁力作用和带电质点的撞击力就决定了焊丝端熔滴的受力特点。a）不同保护气体下的电磁作用力b）不同保护气体下电弧过渡形式冶金特点CO2的分解与气氛组成CO2气体的氧化性:直接氧化间接氧化CO2=CO+OFe+CO2=FeO+CO↑Fe+O=FeOMn+O=MnOSi+2O=SiO2C+O=CO↑随温度的升高，CO2气体的分解增加，在电弧的温度下几乎全部分解。当温度为3100K时，CO2保护气氛中将含有20%的氧，这时保护气氛的氧化性超过了空气焊接问题?CO2是一种氧化性很强的气体，高温时不仅能与钢材中的合金元素其反应使其烧损，而且能生成大量的CO，CO激烈析出使熔池发生“沸腾”现象形成气孔破坏焊缝金属的致密性。冶金特点如果焊丝中含有足够量的Mn及Si元素，就能够去除CO2气体所具有的强氧化性弊端。熔池脱氧：FeO+Mn=Fe+MnO2FeO+Si=2Fe+SiO2SiO2熔点为1700℃，在液态钢中以针状的固体形式析出，不易浮出熔池，以夹渣形式存留于焊缝金属中。MnO的比重5.11g/cm3，不易浮出熔池，在焊缝中成为夹渣。如果SiO2及MnO残留在焊缝中会影响焊缝的机械性能。冶金特点钢水成分与脱氧生成物的关系[Mn]/[Si]=1.5-3.0FeO-MnO-SiO2渣系熔点为1270℃，密度为3.6g/cm3，流动性好易凝聚，故易浮出溶池表面。焊接问题?CO气孔：实芯CO2焊，熔池表面没有熔渣保护，CO2气流冷却作用强，熔池凝固快，易形成焊接气孔。FeO+C=Fe+CO↑CO气孔产生在焊缝内部，多数是沿晶界分布，表面光滑呈条虫状合金元素烧损焊接飞溅药芯焊丝CO2气体保护焊药芯焊丝气体保护焊的工作原理与普通CO2气体保护焊基本一致，不同是采用可熔化的药芯焊丝作为电极。焊接原理焊接时，在电弧热作用下，药芯焊丝，母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣层覆盖熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护，所以实质上是一种气－渣联合保护的焊接方法。药芯CO2焊原理焊接特点优点：☺采用气－渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小。☺焊丝熔敷速度快，熔敷效率高达85%～90%，生产率比手弧焊高3～5倍。☺通过调整药芯成分可提供所要求的焊缝金属化学成分，以适应各种钢材的焊接。缺点：焊丝制造过程复杂。送丝较实心焊丝困难，需要采用降低送丝压力的送丝机构等。焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，加强对焊丝管理。焊接材料药芯焊丝的横截面形状可分为简单O形和复杂截面两大类用薄钢带卷成圆形或异形钢管，内填一定成分的药粉，经拉制成的有缝药芯焊丝，或用钢管填满药粉拉制成的无缝药芯焊丝。药芯焊丝中的药粉成分一般与焊条药皮相似,在焊接中起到脱氧、稳弧、形成熔渣、添加合金元素的作用。焊接材料碳钢药芯焊丝型号是根据其熔敷金属力学性能、焊接位置及焊丝类别特点等进行划分的。T”表示药芯焊丝，字母“E”后面的二位数表示熔敷金属的力学性能。第3位数表示推荐的焊接位置，其中“0”表示平焊和横焊位置，“1”表示全位置焊。短划线后面的数字表示焊丝的类别特点。字母“M”表示保护气体为Ar+CO2；当无字母“M”时，表示保护气体为CO2或自保护类型。字母“L”表示熔敷金属的冲击性能在-40℃时，其V形缺口冲击吸收功不小于27J；无“L”时表示焊丝熔敷金属的冲击性能符合一般要求。焊接应用目前，CO2焊是造船业中应用最多的焊接方法。药芯焊丝占75%，实芯焊丝25%。CO2焊接特点对焊接设备提出了怎样的要求？为满足工艺要求，焊接设备应具有如下功能：1）能给定焊接工艺参数，并能在要求的范围内连续调节。即焊接设备所输出的电流、电压的范围应能覆盖焊接工艺所要求的参数范围。2）能保证主要焊接工艺参数稳定。也就是当系统受到外界干扰时，能在不影响焊接质量的条件下，迅速恢复到给定的工艺参数。3）能保证焊接过程按照规定程序动作。例如：预送气、引弧、焊接、收弧和滞后停气等焊接时序。4）能提供所需的稳定的CO2气体流量。5）如果需要时，应能提供冷却水和遥控装置。6）对于短路过渡焊接法还要求具有良好的动特性。焊接设备焊接设备组成：1)焊枪/焊炬;2)送丝系统;3)冷却系统;4)保护气体回路;5)焊丝;6)焊接电源;7)其它。焊接设备焊接电源焊接电源一般为直流平外特性或缓降外特性，只有在粗丝CO2焊时选用陡降外特性。焊接电源常见的主要型号如下：NBC——半自动CO2焊机。NB——半自动氩气（或混合气体）保护焊机。NBM——半自动MIG/MAG脉冲焊机。NZC——自动CO2焊机。NZ——自动MIG/MAG焊机。NDC——CO2电弧点焊机。送丝机构送丝机构组成：矫直装置、送丝轮、加压轮、减速器、送丝机额定电流为200A的气冷式焊枪，在较高焊接电流时必须采用水冷却的焊枪。1）焊枪手柄2）焊枪颈部3）焊枪开关4）软管5）气体喷咀6）导电咀7）导电咀接头8）绝缘套管9）送丝弹簧或送丝软管10）焊丝11）气体输入12）焊接电流输入气冷式焊枪结构焊枪焊接小车与供气系统自动角焊机对接缝焊机1）钢瓶（气源）2）预热器3）高压干燥器4）减压阀5）气体流量计6）电磁气阀熔滴过渡与焊接条件A)大滴过渡;B)短路过渡;C)混合过渡区D)颗粒过渡/排斥过渡;E)细颗粒过渡短路过渡在焊接薄板时，可选用细焊丝≤1.2mm，使用较小电流实现熔滴短路过渡，电弧对工件间断加热，线能量小，变形小，不需要焊后校正工序，提高工效。短路过渡Processofshort-circuitingtransfer影响因素—回路电感为了减少焊接飞溅，必须限制短路期间的电流上升率和短路峰值电流。为了改善焊缝成形，该电感还能改变燃弧电流的大小。如果将焊接电源—负载回路等效为一个带感性负载的恒压源，如图所示电源输出电流i、电阻R、电感L与电弧电压Ua的关系应满足：在短路期间，短路电阻很小，约几十毫欧，上式可简化成：影响因素—回路电感当回路电感小时，熔滴短路时间缩短，所达到的短路峰值电流大，短路过后焊丝熔化速度加快，使燃弧时间也缩短。当回路电感较大时，熔滴短路时间和电弧燃烧时间都会相应增加，而燃弧时间增加的更多。细焊丝熔化速度快，需要较大的di/dt；粗焊丝熔化速度慢，熔滴过渡的周期长，则要求小di/dt影响因素—回路电感回路电感很大，短路电流上升速率过慢，所能达到的短路峰值电流较小，短路液柱上的颈缩不能及时形成，熔滴不能顺利过渡到熔池中，严重的情况也会造成固体短路。如果回路电感过小，由于短路电流上升速率过大和短路峰值电流过大，可能会使液柱在未形成颈缩就从内部爆断，引起大量飞溅。影响因素—电弧电压短路过渡时，短路频率越高，过渡熔滴越小，焊缝波纹越密，焊接过程越稳定。为获得最高短路频率，最佳电弧电压大约在20V左右。影响因素—送丝速度当送丝速度达到一定数值后开始出现短路，短路频率在P点开始急剧增大，在R点达到最大值。细颗粒过渡焊接中厚板时，选择较粗焊丝≥1.6mm，使用较大电流实现细颗粒过渡，这时焊丝中的电流密度高达100-300A/mm2，焊丝熔化速度快，熔敷率高，电弧挺度大，穿透力强，焊接熔深大，可以不开坡口或开小坡口，生产率比焊条电弧焊提高1-3倍。细颗粒过渡φ1.6-φ3.0mm焊丝中等直径焊丝主要过渡形式在较大的电流下实现稳定的熔滴过渡，熔敷系数大，熔深大，生产率高。电弧电压较高时，熔滴呈排斥过渡。随着电弧电压的降低，由于电流大，电弧静压力大，对熔池形成很强的挖掘作用，形成混合过渡（a）。进一步增加焊接电流，形成颗粒过渡(b)和细颗粒过渡(c)(a)半潜弧状态(b)临界潜弧状态(c)深潜弧状态排斥过渡细颗粒过渡旋转射流过渡潜弧喷射过渡粗丝（φ3.0-φ5.0mm）更大的焊接电流，电弧电压不高，较高的焊接速度熔滴尺寸减小到接近焊丝直径，其过渡形式与射滴过渡接近熔滴颗粒过渡规范区间CO2电弧焊熔滴颗粒过渡并没有严格的划分区间，主要是通过焊接电流与电弧电压的搭配，使焊接能有一个比较稳定的过程。熔滴颗粒过渡规范区间焊接工艺参数主要焊接参数有：电弧电压送丝速度焊丝干伸长焊接速度电弧电压的影响当电流不变时，电弧电压增大时焊道成型宽而平坦，电弧电压降低时，焊道变成窄而深。电弧电压的影响（角焊缝和平板堆焊）电弧电压的影响短路电弧条件下焊接电流、送丝速度的影响当其它参数稳定时，焊接电流和送丝速度成线性关系。当其它参数恒定不变时，送丝速度加快将导致焊缝熔深和金属熔敷率的增加。焊接电流，送丝速度的影响1焊接电流，送丝速度的影响2焊丝干伸长度的影响其它参数不变时，焊丝干伸长增加，干伸区压降增加，焊接电流减小，熔深也较小。1—喷嘴；2—导电嘴；3—焊丝焊丝干伸长说明图焊接速度的影响焊接熔深与焊接速度的关系①初始阶段，焊透深度最小；②正确的焊接速度，最大的焊透深度；③受焊接速度较快的影响，较小的焊透深度。焊枪的影响焊枪角度的变化会影响焊缝表面的成型。焊枪角度的影响管子全位置焊接时应注意哪些问题？当水平固定管焊接时，管子不动，而焊枪绕管子旋转，这时将出现以下几种焊接位置：平焊、向下立焊、仰焊和向上立焊，所以称之为全位置焊。管焊接时位置的影响全位置焊时应保证在不同空间位置时熔池不流淌，焊缝成形、焊缝厚度均匀和充分焊透而不烧穿，这时，应采用短路过渡小参数焊接，以获得较小的熔池。薄壁管时使用0.8～1.0mm的细焊丝，而厚壁管时一律采用直径1.2mm的焊丝。焊接电流为80～140A，电弧电压为18～22V。焊接位置的影响不同焊接位置焊接时，应考虑不同熔滴过渡形式的特点，以及熔池形成和凝固的特点。立焊位置的板对接和板角接常见焊接缺陷焊缝层间缺陷坡口角度过小钝变过大错边过大前一焊道凸起过大未熔合常见焊接缺陷未熔合的产生原因焊接速度和线能量（熔敷率）对未熔合的影响常见焊接缺陷气孔产生的原因包括：——由于焊枪问题——由于焊枪操作问题——空气——电弧偏吹——电弧过长——非金属夹杂物——焊丝和保护气体配合——工件表面的油、锈等——激光切割后的氮化物——气体排出时间不够常见焊接缺陷焊缝中的气体来源常见焊接缺陷几何形状缺陷•焊接操作失误或焊接参数调节不当可能造成焊缝表面缺陷咬边焊接工艺规范措施正确选择焊接电流，配合合适的电压，尽可能避免排斥过渡形式。焊枪倾角不超过20，焊枪垂直时飞溅最小。限制焊枪干伸长送丝速度均匀电源直流反接时飞溅小单面焊双面成形焊单面焊双面成形时，为保证背面焊缝成形的质量，经常使用陶瓷焊接衬垫。焊接衬垫广泛用于造船、桥梁、化工、压力容器、钢结构等制造。单面焊双面成形焊单面焊双面成形焊特种CO2焊接工艺表