CO2 气体保护焊单面焊双面成形焊接技术研究

杨家雷

（中核华辰建筑工程有限公司，西安710000）

1 引言

CO2气体保护焊是用CO2作为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种气体保护熔化焊方法。它有如下优点：（1）明弧焊接熔池可见度好，便于观察，操作方便；（2）适用范围广，可以进行全位置焊接；（3）焊后变形小；（4）生产效率高[1]。

CO2气体保护焊单面焊双面成形工艺是采用连续击穿焊法，从坡口面进行焊接，在坡口间隙处通过控制焊接时的熔池金属来实现单面焊接双面同时形成均匀焊缝的操作方法。本文介绍了一种新型的工艺，通过在背面加衬垫从而达到单面焊双面成形的效果，不仅克服了传统工艺背面穿丝的缺点，也保证了焊接质量，降低了操作难度。

2 工程概况

在西北某专项工程钢结构制作时，部分板材需进行等强拼接，背面焊缝需进行清根处理和焊接，焊接过程中需来回多次翻转构件，施工工序较多，导致施工效率降低。并且部分构件连接节点复杂，一个节点位置存在多个等强连接的加劲板或连接板，但由于操作空间狭小，刨枪和焊枪伸入较困难，焊接时熔池无法观察，常导致焊缝产生夹渣、咬边、未焊透等质量缺陷，无法保证焊缝的等强连接强度。采用本工艺时，通过在坡口背面粘贴柔性衬垫，进行单面焊接便能达到双面成形的效果，无需进行背面焊接，解决了作业空间狭小节点焊接困难的问题，减少焊接工序，提高焊接效率。

3 工艺准备

3.1 需用材料和工机具

本试验需用的材料为：Q235B 钢板2 块，规格为200mm×150mm×14mm；型号为E501T-1 药芯焊丝，焊丝直径φ1.2mm；型号为NBC-500 的逆变焊机，焊接衬垫采用一种柔性陶瓷焊接衬垫，保护气体采用纯度大于99.5%的CO2气体。

3.2 坡口形式及组装

坡口形式和组装是影响焊缝成形的重要因素，焊缝坡口钝边、坡口角度和形式、组对间隙。坡口角度是影响焊缝成形的主要因素，为了使电弧能深入焊缝根部并熔透，保证背面的成形质量，因此，在保证根部熔透和背面成形质量的前提下，可减少坡口角度；坡口钝边过大时根部不易焊透，但钝边太小时容易导致烧穿。组对间隙过大时工件易被烧穿，但过小时无法熔透。因焊接时构件会产生变形，在焊接前需进行反变形控制。焊接热输入随着焊接的进行而增加，工件的收缩变形也会增大，终焊端的间隙宜比始焊端大。因此，在经过多次试验后，采用表1 中的参数进行焊接时焊接质量良好。

表1 试验采用的装配参数

4 主要参数的选择

4.1 电流和电压

焊接电流和电压是影响焊缝熔深的关键性因素，焊接电压与焊接电流一般成正比关系，随着焊接电流的变化而变化。

4.2 焊接速度

焊接速度对焊缝的尺寸、形状、熔深及焊缝组织等都有较大影响。当电流和电压、焊丝的直径等参数固定时，焊缝的熔宽、熔深和余高与焊接速度成反比关系，会随着焊接速度的增大而减小。当焊接的速度V＞4mm/s 时，容易破坏气体的保护作用，导致焊缝产生大量的气孔。同时，背面焊缝熔宽较窄，余高较低，而且会产生未焊透等现象，如图1 所示。而当焊接的速度V＜2mm/s 时，焊缝的熔宽会随着焊接速度的变小而显著增大，焊缝的余高会增大，熔池的集中热量过大，从而产生烧穿或焊瘤等缺陷，如图2 所示。因此，焊接速度宜保持在2～4mm/s。试件开始焊接时温度较低，为了保证背面焊缝能够熔透，焊接速度要缓慢，而随着焊接熔池的推移，试件的温度升高，可以适当地提高焊接速度，确保背面焊缝成形一致性。

图1 V＞4mm/s 时的焊缝背面成形

图2 V＜4mm/s 时的焊缝背面成形

4.3 焊丝与焊板角度

焊丝与试件的角度是保证封底焊焊接质量的关键，它决定了背面焊缝的成形质量。当焊枪倾角太小，无法形成熔孔和熔透焊缝根部时，从而无法形成背面焊缝；当焊枪后倾角太大，会破坏熔池的形状使焊丝脱离熔池，焊接过程发生中断。焊丝的指向方与焊接方向最佳呈70°～90°。

4.4 干伸长量控制

干伸长量会影响焊接的稳定性，当干伸长量过大时，焊接过程不稳定，焊缝成形不均匀；当干伸长量太小，会减小喷嘴与工件的距离，喷嘴过热，使喷嘴被飞溅物堵塞，导致焊道成形不良。一般来说，最佳干伸长度为10d（d为焊丝直径）。

4.5 气体流量

气体的流量对熔池保护效果有直接影响，当焊接电流较大，相应气体流量也较大，反之则较小。气体流量一般控制在15～20L/min。

4.6 操作要点

气体保护焊是一种明弧焊接工艺，容易观察熔池的形成，可以控制熔池在焊接过程中的变化和熔孔的形状，从而保证焊缝成形的一致性。焊接时采用双手进行操作，要保证焊枪的平稳，一般采用一只手的食指按住焊枪的开关，另一只手握住焊枪的鹅颈部分。

4.7 试验采用数据

试验采用的数据如表2 所示。

表2 试验采用的焊接参数

5 焊接过程

5.1 定位焊

焊前将试件的坡口及坡口两侧清理干净，采用定位焊固定试板，将定位焊缝两端用角磨机打磨成斜坡状，以便焊接时更好过渡。然后加上引、收弧板，产生一个大约3°的反变形，在试板背面贴好柔性衬垫。

5.2 打底焊

打底焊的操作要点是影响焊接质量的关键，同时也是影响背面成形的关键因素，焊接过程中的焊接速度、摆动幅度、停留时间等均会影响焊缝的成形质量。在焊机启动后，调节焊接参数，引弧时需在引弧板上进行，严禁在其他部位引弧，焊接过程中需保持电弧的稳定性，保持电弧在坡口根部进行稳定的燃烧，摆动方式采用月牙形，摆动幅度不宜过大，在坡口的两侧需停留一端时间，使焊缝根部熔透。焊接过程中需时刻观察焊缝熔池和熔孔的尺寸，根据其变化来调整焊接速度和摆动幅度，从而保证背面焊缝成形的均匀性，一般熔孔的直径比坡口间隙大0.5～1mm 为宜[2]。

5.3 填充、盖面焊

填充焊和盖面焊的操作方法与打底焊基本一致，焊丝伸长量可适当增大1～2mm。焊接时的摆动幅度会随着焊道的增加而增大，但摆动幅度也不宜过大，避免出现咬边现象，不得破坏坡口的棱角。焊接时需在工件的坡口两侧稍加停留，熔化工件表面，避免产生未焊透现象。在焊接下一个焊道时，需将上一个焊道表面的氧化层和飞溅打磨干净，避免出现夹渣现象。当焊缝焊接完成并完全冷却之后，将背面柔性衬垫拆除，并采用钢丝刷将背面焊缝表面清理干净。

5.4 焊缝接头

在焊接过程尽量保持每一道焊缝一次成形，避免出现焊接接头。但当出现焊接中断时，需磨光机对焊缝的接头部位进行打磨成缓坡形，从而保证焊接接头的平缓过渡。在打磨时严禁进行大面积的打磨，破坏工件的坡口和已成形的焊缝，从而使焊接过程中产生缺陷。每一道焊缝焊接时均需引出到收弧板上，保证正式焊缝的质量，焊接完成之后需去除引弧板和收弧板。

6 焊缝质量

6.1 焊缝外观

试件焊接完成后用钢刷清除焊缝及表面的飞溅及焊渣，试件的正反两面的焊缝外观均良好美观，平滑整齐，没有任何的咬边、气孔、未熔合、裂纹和夹渣等缺陷，背面焊缝成形如图3 所示，正面焊缝成形如图4 所示。

图3 背面焊缝成形

图4 正面焊缝成形

6.2 焊缝内部

焊缝内部质量经X 射线100%探伤检验和超声波100%探伤检验，焊缝内部没有裂纹、气孔、夹渣等任何缺陷。

6.3 力学性能

将试件按照试验标准的要求加工成标准的拉伸、弯曲和冲击试样，然后进行力学性能试验。试样的抗拉强度达到435MPa，且断在母材上；2 个面弯和背弯的试样弯曲到180°以后，试样的焊缝区没有出现缺陷；3 组冲击试样分别为焊缝区、热影响区（距融合线1mm）和热影响区（距融合线4mm），3 组冲击试样的冲击功都符合Q235B 的冲击功的要求。因此，试样经过拉伸、弯曲和冲击力学性能试验，力学性能满足规范标准的性能要求，检验合格。

7 结语

通过工艺试验和施工验证，采用加柔性衬垫的CO2气体保护单面焊双面成形工艺不但解决了狭小作业空间焊接困难的问题，也减少了施工工序，提高了施工效率，同时，CO2气体保护焊单面焊双面成形焊接质量可靠，并有如下优点：

1）正背面焊缝成形美观一致，焊缝质量高、缺陷少；

2）焊接速度快、焊接效率高；

3)操作方法简单、熔池容易控制，对焊工的技术要求较低，易推广，可以在生产中取得良好的效果；

4）前景良好，在此基础上可以采用自动化单面焊双面成形焊接。