Q345 钢板在CO2 气体保护焊焊接过程工艺研究

张剑 徐佩岭 师学武

中铁十局第五工程有限公司 江苏苏州 215000

随着改革开放和社会主义现代化建设的飞速发展，对焊接技术提出了更高的要求。上个世纪最后十年，焊接技术在我国国民经济建设各个领域的应用在广度和深度上有了质的飞跃，呈现出并存共荣的新格局，高参数、长寿命、大规模、超细等特点的焊接产品不断涌现，焊接结构设计创新程度迅速提高，使用周期大大缩短，焊接材料高效、优质、焊接设备系列化和国产化进入了一个新阶段。

熔化极气体保护电弧焊该焊接方式的工作原理在于通过借助于二氧化碳气体来进行焊接工作。该焊接方法简单便捷，非常适合进行全方位焊接以及自动焊接。但是在进行焊接的时候需要注意的是不能有风，需要在室内进行焊接作业。因为该焊接方法的成本较低，且使用到的二氧化碳气体生产简易，所以该焊接方法被很多大型企业所看重[1]。

二氧化碳熔化极气体保护电弧焊所采用的保护气体为二氧化碳。因为该气体其物理性质具有一定的特殊性，所以在焊接的时候需要采用常规电源，不可在焊丝其端部位置形成平衡的自由轴向过度。所以，相较于熔化极气体保护焊其自由过度而言，产生的飞溅更大。而要是所使用的焊机其质量较高，在进行焊接的过程中较为稳定，那么就可以尽可能降低飞溅。二氧化碳气体较为廉价，并且在焊接过度段时所形成的焊缝较为良好，基于以上优点，该焊接方法获得了非常广泛的应用。

Q345 钢的广泛应用，以及其较好的焊接性。而CO2气体保护电弧焊可以焊接可焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金以及CO2气体保护焊成本低，效率高，操作灵活的优点。所以，Q345 钢的CO2气体保护焊的焊接工艺也显得尤为重要。

1 工程概况

主桥为下承式叠式拱桥，整体为连续体系，主、副拱与主梁固结，主梁在主、副拱拱脚与混凝土固结，桥面结构采用纵横梁体系。

拱肋为钢箱构件，横桥向分两片布置，间距 26m 。单片主拱分GL01-GL03 类共3 个节段，单片副拱分GL04-GL05 类共2个节段，GL03、GL05 为拱脚，须先预埋，主拱拱脚处GL03 节段顶底板、腹板厚度为36mm，主拱拱脚处GL05 节段顶底板、腹板厚度为32mm，其余节段顶底板、腹板厚度均为28mm，加劲肋采用厚度为24mm，钢材材质Q345qD，全部采用CO2气体保护焊。箱型梁主要截面形式如图1：

2 CO2 气体保护焊工艺

2.1 焊前准备

焊前准备工作包括坡口设计、坡口加工、清理、焊件装配等。

2.1.1 坡口设计

CO2气体保护焊采用细颗粒过渡时，电弧穿透力较大，熔深较大，容易烧穿焊件，所以对装配质量要求较严格。坡口开得要小一些，钝边适当大些，对间隙不能超过2mm。如果用直径1．6mm的焊丝钝边可留4～6mm，坡口角度可减小到45°左右。板厚在12mm以下开I形坡口；大于12mm的板材可以开较小的坡口。但是，坡口角度过小易形成“梨”形熔深，在焊缝中心可能产生裂纹。尤其在焊接厚板时，由于拘束应力大，这种倾向更大，必须十分注意。

CO2气体保护焊采用短路过渡时熔深浅，不能按细颗粒过渡方法设计坡口。通常允许较小的钝边，甚至可以不留钝边。又因为这时的熔池较小，熔化金属温度低、粘度大，搭桥性良好，所以间隙大些会烧穿。如果对接接头，允许间隙为3mm。要求较高时，装配间隙应小于3mm。

图1

采用细颗粒过渡焊接角焊缝时，考虑到熔深大的特点，其焊角尺寸K 可以比焊条电弧焊时减少10%～20%，见表2-1。因此，可以进一步提高气体保护焊的效率，减少材料的消耗。

由于钢拱分阶段焊接要求高，因此坡口间隙3mm，坡口角度小于45°，效果如图2：

图2

2.1.2 坡口加工方法与清理

坡口加工方法主要有机械加工、气割和碳弧气刨等。CO2气体保护焊时对坡口精度的要求比焊条电弧焊高。定位焊前，应在焊件表面涂一层防溅胶，在喷嘴上涂一层喷嘴防堵剂。焊厚板时，氧化皮能影响电弧稳定性、恶化焊缝成形和生成气孔。

本工程在清根工艺上采用碳弧气刨+砂轮打磨。

2.1.3 定位焊缝

定位焊是为了防止变形和维持预先的破口而先进行的点固焊。定位焊易生成气孔和夹渣。也是随后进行CO2气体保护焊时产生气孔和夹渣的主要原因，所以必须认真地焊接定位焊缝。定位焊缝的定位也很重要，应尽可能的使定位焊缝分布在焊缝的背面。当背面难以焊接时，可在正面焊一条短焊缝。焊接时此处就不要再焊了。

定位焊缝的长度和间距，应根据焊件厚度决定。薄板的定位焊缝应细而短，长度为15～50mm，间距为30～150mm；中厚板的定位焊缝间距可达100～150mm。为增加定位焊缝的焊接深度，应适当增大定位焊缝及其长度，一般为15～50mm 长。现场采用100mm，间距100mm 的短焊缝进行定位焊接。

2.2 焊接参数的选择

2.2.1 焊丝直径的选择

对于钢板厚度为1～4mm 时，应采用直径为0．6～1．2mm 的焊丝；当钢板厚度大于4mm 时，应采用直径大于或等于1．6mm 的焊丝。如果电流相同，那么熔深就会和焊丝直径之间形成反比关系；焊丝越细，则焊丝熔化速度越高。焊丝直径可根据表1 选择。本工程由于钢板厚度较厚，分为6-7 层焊接，每层厚度为4mm，选用1．2mm 焊丝。

表1 焊丝直径的选择

2.2.2 焊接电流的选择

（1）对于焊接电流的确定，应当依据焊丝其直径、母材的厚度还有接头的位置。

（2）熔深主要受到焊接电流的影响。在电流增大的过程中，熔深也会不断增加，同时熔宽也会有所增加。

（3）送丝的速度和焊接的电流之间是呈正比关系。

（4）如果焊接电流较大，那么熔池也就更大，所形成的焊缝也就越大。

（5）如下表2 为各种直径焊丝其电流范围。

表2 焊接电流选择

由于要多层焊接，因此在电流上选择了160-200 这个范围。

2.2.3 电弧电压的选择

为了确保焊接的效果，对于电弧电压的确定应当加以重视，通常情况下，电压范围在1-2v 之间。如下表3 为最佳电弧电压和电流位置以及大小的关系。

表3 不同焊接时电弧电压的选择

（1）随着电弧电压的增加，焊缝宽度明显增加，焊缝残余高度和熔深略有下降，焊缝力学性能有所下降。

（2）如果电弧电压较高，那么就会导致飞溅以及焊缝气孔增加。而如果电弧电压较低，那么焊丝就会插入到熔池当中，电弧不稳定，影响焊缝的形成。

现场根据电流大小选择了25-36 之间的电压范围。

2.2.4 焊接速度的选择

（1）如果焊接的速度过快，就会破坏气体保护作用，并且会导致焊接的效果不佳。而如果焊接的速度过慢，非常容易烧穿焊接处，导致出现大面积焊缝。

（2）在进行半自动焊接的过程中，需要将焊接速度尽可能控制到30m/h。在进行现场焊接时，则应当将焊接速度控制到25-45cm/min 之间。

2.2.5 焊丝伸出长度的选择

（1）焊丝其拉伸的长度和焊接的电流、电压以及焊丝直径有着较大的关系[2]。

（2）随着焊丝拉伸长度的增加，焊接电流减小，熔深减小，焊缝宽度增大。

（3）如果焊丝较长，就会非常容易出现过度熔化和未熔化的情况，导致飞溅增加，对保护作用产生破坏，产生气孔，要是焊丝的长度较短，则很难进行对熔池的观察，而喷嘴也非常容易被飞溅堵塞。

（4）通常情况下，焊丝其延伸的长度是焊丝本身长度的10-15 倍。当导线细（导线直径1．2mm）时，导线的延伸长度为8-15mm，当导线粗时，延伸长度为15-25mm。为了避免飞溅，需要尽量减少焊丝的延长，然而随着焊接电流的不断增大，焊丝其延长长度也会增加。

现场采用1．2mm 焊丝，伸出长度为10mm。

2.2.6 电流极性的选择

CO2气体保护焊主要采用直流反接法。不同极性接法的应用范围及特点见表4。

表4 电流极性的应用范围及特点

现场主要采用短路过渡焊接，因此采用直流反接．

2.2.7 气体流量的选择

（1）气体流量直接影响气体保护效果。当气体流量太小时，在焊缝中可能会出现诸如气孔的缺陷。当气体流量太大时，不仅会造成气体浪费，而且由于氧化作用的增强会在焊缝中形成氧化皮，从而降低焊接质量。

（2）应根据焊接电流、焊接速度、焊丝延伸长度、喷嘴直径和焊接位置等因素来考虑气体流量。焊接电流越大、焊接速度越快、焊丝长度越长、喷嘴直径越大，外焊和后焊位置越大。

（3）当焊丝的直径小于或等于1．2mm 时，气体流量为6-151/ min，当焊丝的直径大于1．2mm 时，气体流量为15-251/ min。现场为了保证焊接质量，采用较大的出气量，选用了15-25 升/分[3]。

3 Q345 钢在CO2 气保焊时常见缺陷及对策

在实际操作中，由于焊件本身、焊接方式和焊接环境等因素的影响，在焊接时经常会出现一些问题或缺陷。如夹渣、裂纹、气孔等。

3.1 焊接裂纹

焊接缺陷是焊接零件中最常见和最严重的缺陷之一。金属的可焊性包括两个方面: 一是焊接引起材料性能的恶化，使得焊件失去其原有的独特性能，如不锈钢焊接后的耐蚀性等；第二，缺陷，例如焊接接头或附近母材中的裂缝和气孔。裂纹影响焊件的安全使用，是非常危险的过程缺陷。焊接裂纹不仅存在于焊接过程中，有些裂纹还具有一定的疾病潜伏期，有些裂纹是在焊后的重新加热过程中产生的。焊接裂纹可以根据其位置，大小，原因和机理进行分类。根据裂纹形成的条件，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状裂纹。Q345 钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。

3.1.1 冷裂纹

Q345 钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。主要原因可分为淬火裂纹，氢致延迟裂纹和变形裂纹。

3.1.1.1 定义

当焊接接头冷却至较低温度时会发生焊接裂纹（对于低于毫秒温度的钢，奥氏体开始转变为马氏体）。

主要且最常见的冷裂纹是延迟裂纹（在一段时间的焊接后出现裂纹，因为氢是最活跃的起始因素，氢需要时间扩散、积累和引发金属中的裂纹）。

3.1.1.2 产生原因

（1）焊接接头存在硬化组织和脆性。

（2）高扩散氢含量使接头变脆，在焊接缺陷处氢分子聚集，产生很大的局部压力。氢是引起延迟裂化的最活跃因素，因此有人称其为延迟裂化。

（3）有一个很大的焊接拉应力。

3.1.1.3 预防措施

（1）碱性电极的使用减少了焊接金属中的氢含量并提高了焊接金属的可塑性。

（2）减少氢源，干燥焊接材料，并清洁接头（无油，铁锈和水）。

（3）避免产生硬化的结构，在焊接前进行预热以及在焊接后缓慢冷却（可能会降低焊接后的冷却速度）。

（4）降低焊接应力，采用合理的工艺规范，进行焊后热处理等。

（5）焊接后进行除氢处理（即加热至250°C 并保持约2-6小时，以使氢从焊接金属的金属表面扩散出来）。

3.2 气孔

一般认为焊接熔池中存在溶解的 N2、 CO 和 H2，这些气体在焊缝金属结晶的瞬间由于熔化极气体保护电弧焊溶解度的突然降低而析出，但是，当这些气体没有时间从熔池中逸出时，会在焊缝中形成孔。因此，气孔分为氮气、氢气和一氧化碳气孔。

3.2.1 N2 气孔

氮气孔经常出现在焊缝表面，呈蜂窝状，或者以弥散形式的微气孔分布于焊缝金属中，这些气孔往往在抛光后检验或试水压试验时才能被发现。

氮气来源：一是由于保护效果不良，空气侵入焊接区；二是CO2 气体不纯。

实践表明，要避免产生氮气孔，最主要的是应增强气体的保护效果。另外，选用含有固氮元素（如Ti 和Al）的焊丝，也有助于防止产生氮气孔。

3.2.2 H2 气孔

焊接熔池中氢的含量正比于电弧空间中氢气的含量。电弧区中的H2主要来自焊丝，焊件表面的油和铁锈以及CO2气体中的水分。例如，随着CO2气体中水分的增加，会提高在焊接区域内氢的分压，电弧区中的H2 主要来自焊丝，焊件表面的油和铁锈以及CO2 气体中的水分。

表5 CO2 气体中水分与焊缝金属含氢量的关系

3.2.3 CO 气孔

在金属结晶的过程中，由于激烈地析出CO 而产生沸腾现象，而CO 气体不易逸出，因此在焊缝中形成气孔。如果在焊缝金属中Si 的含量不少于0．2%时，就可以防止由于产生CO 气体而引起的气孔，这是因为Si 在金属凝固温度时能强烈脱氧所致。

在大多数情况下，CO 气孔产生在焊缝内部，并沿结晶方向分布，呈条虫状，表面光滑。如果焊丝的脱氧能力很低时，CO 气孔还可能成为表面气孔。

3.3 焊接飞溅

3.3.1 飞溅产生原因

（1）由冶金反应引起的飞溅。飞溅的痕迹主要是由CO 气体引起的。由于CO2气体的强烈氧化，熔池中的液滴和碳在焊接过程中被氧化成CO 气体。在高温电弧的作用下，CO2气体的体积迅速膨胀，CO 气体压力的增加最终突破了液滴并融化。水池表面的限制形成爆炸，产生大量小飞溅物。

（2）极点压力引起的飞溅。这种飞溅主要取决于电弧的极性，采用正向焊接时，正离子飞向焊丝末端，机械冲击力大，造成粒子飞溅大。

（3）熔滴短路时引起的飞溅。当发生短路时，在焊丝与熔池之间形成小液桥。由于短路电流的强烈加热和电磁收缩力的影响，导致小电桥断裂，产生细小颗粒飞溅。

（4）非轴向熔滴过渡造成的飞溅。大熔滴过渡焊接时，由于电弧的排斥作用产生飞溅，形成大颗粒飞溅。

（5）焊接工艺参数选配不当引起的飞溅。在大熔滴过渡焊接过程中，由于电弧的推力作用，焊接过程中飞溅较大。

3.3.2 减少飞溅的方法

3.3.2.1 选配合理的焊接工艺参数

（1）通过选择合适的电弧电压和适当的电弧电压，可以最大限度地减少飞溅。如焊接电流为220a，焊接速度为30cm/min，电弧电压为27-28v，采用1．2mm 焊丝时飞溅较小。

（2）选择适当的焊接电流在适当的焊接电流下进行焊接，飞溅最小。采用1．2mm 焊丝时，焊接速度为30cm/min，焊接电流小于280a 时，飞溅随焊接电流的增大而增大，但当焊接电流大于280a 时，在一定范围内，随焊接电流的增大飞溅减小。在250 ～ 280a 范围内，熔滴以液滴形式过渡，造成大量飞溅。

（3）选择合适的焊接速度，随着焊接速度的增加，飞溅也随之增大。

（4）当金属丝长度过长时，金属丝很容易过热而断成段。焊丝的干伸长度应为焊丝直径的10-12 倍。

（5）选择合适的焊接电路电感值，采用合适的焊接电路电感值，可以调节短路电流的增加速度，从而减少短路飞溅。

（6）掌握适当的喷枪角度，因为喷枪角度向后倾斜或向前倾斜会使喷枪飞溅增大，所以应选择适当的喷枪角度。

3.3.2.2 适当控制操作条件及调整焊接设备

（1）清洁焊接部位。焊接前，对焊接部位及其周围的生锈、污垢等进行清理，以减少飞溅。

（2）焊接送丝必须保持稳定。最好用导线卷成线圈，送丝软管可以直线排列；用干燥的压缩空气吹出软管内的灰尘、污垢等；时刻检查导电喷嘴前面是否有粘附飞溅；检查导电喷嘴磨损情况，如果磨损严重应及时更换。

（3）确保焊机与地线的输入连接良好。

（4）焊接电缆的长度必须适当，焊接电缆过长，会增加飞溅。

（5）直流反极性电源，反极性时飞溅小，电弧稳定。

（6）焊接时应尽量避免磁性吹击。

（7）二氧化碳气体的纯度应足够，用于焊接的二氧化碳气体的纯度应不低于99．5% 。新填充的二氧化碳气瓶含有水分，直接用于焊接时容易形成气孔和飞溅，应去除气瓶中的水分。首先将新的灌装筒倒置1-2 小时，然后打开阀门，排出沉积在筒体下部的游离水。将水排干后，将圆筒放回直立位置。气体仍然需要放气2～ 3 分钟才能使用，放气的气体可能含有水从钢瓶的顶部。

采用 co2+ 30% ar 作为保护气体的 co2+ ar 混合熔化极气体保护电弧焊，熔滴过渡细小，电弧燃烧稳定，飞溅小，焊缝成形美观，焊接波形好。

为了防止少量飞溅接触工件，可在焊缝附近涂抹适当的滑石粉或石灰水涂层，有效防止飞溅接触工件。

4 结语

本文通过对Q345 钢的CO2 气体保护焊的工艺分析得出以下结论：

（1）通过对Q345 钢的物理化学性能的分析，可以看出该钢种碳含量低，焊接性好，应用范围广。但是在焊接方面还有很多问题，我们需要改进。

（2）二氧化碳熔化极气体保护电弧焊具有许多优点，广泛应用于钢结构的焊接，对提高焊接生产率起着重要作用。

（3）二氧化碳熔化极气体保护电弧焊的焊接工艺严格，是保证其焊接性能的关键。

（4）Q345 钢可以很好地利用二氧化碳熔化极气体保护电弧焊，但在焊接过程中会出现一些焊接缺陷，我们需要采取一些措施尽量避免这些缺陷，以便更好地满足生产需要。

（5）通过工艺分析，焊接可以采取坡口形式，焊缝位置，焊接参数，焊接顺序控制可以很好的进行焊接。