半自動CO2氣體保護立焊在船體建造中的應用

半自動CO2氣體保護立焊在船體建造中的應用(2009年第4期總第112期）摘要半自動CO2氣體保護焊是廣泛使用于船舶建造的結構及板材接縫的焊接中，本文結合工作接觸到的半自動CO2氣體保護立焊在船臺合攏大接縫焊接中使用對其原理、特點、質量控制要點、缺陷預防對策進行歸納總結，進而使我們對半自動CO2氣體保護焊有系統(tǒng)的認識。關鍵詞船舶氣體保護立焊應用1原理和特點二氧化碳氣體保護電弧焊簡稱為CO2氣保焊俗稱CO2焊，屬于熔化極氣體保護焊。它利用CO2氣體保護電弧，使電弧與空氣隔離，電弧在焊絲和工件之間“燃燒”，焊絲自動送進，熔化了的焊絲和母材形成焊縫。分為半自動焊和自動焊兩類，是目前應用最廣泛的電弧焊接方法，主要有以下優(yōu)點：（1）焊接成本低。焊接成本低CO2氣體是化工廠的副產(chǎn)品，來源廣，價格低，其綜合成本約為電弧焊的40％至50％。（2）焊接生產(chǎn)率高。由于焊絲自動送進，焊接時焊接電流密度比電弧焊高的多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，同時具有焊絲熔化快，清理熔渣容易等特點，效率可比手弧焊提高2-4倍。（3）應用范圍廣?？梢院附颖“濉⒑癜逡约叭恢玫暮附拥?。（4）抗銹能力強。CO2焊對焊件上的鐵銹、油污及水分等，不像其他焊接方法那樣敏感，具有較好的抗銹能力。（5）相比較焊條電弧焊，CO2氣體保護焊在焊縫的焊后檢查中缺陷的檢出率明顯較低，因而具有明顯的時間效益和經(jīng)濟效益。但是半自動CO2氣體保護焊也有一些缺點：（1）飛濺大，不論采用什么措施，也只能使CO2焊接飛濺減小到一定程度，但仍比焊條電弧焊、氬弧焊大得多；（2）施工環(huán)境要求較高，在室外作業(yè)時，必須設擋風裝置才能施焊；（3）焊接設備比較復雜，電弧的光輻射較強。2半自動CO2氣體保護立焊的應用現(xiàn)狀CO2氣體保護半自動焊是一種高效率、低成本的焊接方法，目前已廣泛應用于我國船舶制造行業(yè)，正在逐步替代焊條電弧焊，CO2氣體保護焊也常用于較厚的低碳鋼和中碳鋼等材料的焊接，也可用于奧氏體不銹鋼和其它金屬合金的焊接。尤其對板材厚度為12－80mm的最適宜。目前，半自動CO2氣體保護立焊廣泛應用于各造船企業(yè)船舶建造中的結構角焊縫與板材的對接焊接中，尤其是船臺大合攏焊接的焊接中，因為其出色的焊接性能而被各大船廠采用，其焊接形式多為單面焊雙面成型。3操作要領（1）室外作業(yè)在風速大于1m/s時，應采用防風措施。（2）必須根據(jù)被焊工件結構，選擇合理的焊接順序。（3）對接兩端應設置尺寸合適的引弧和熄弧板。（4）應經(jīng)常清理軟管內(nèi)的污物及噴咀的飛濺。（5）使用的電流不要過大，略低于角焊電流；（6）電流不能太大，一般控制在160A至180A為宜；（7）焊接方法，采取之字型焊接方法。如果是多層焊接，第一遍電流要小一些，以后的焊接要清理干凈焊渣等雜物，減少夾渣或焊不透現(xiàn)象。（8）擺動要到位，要均勻的擺動，不然焊縫就不是特別好看，很可能咬邊或者有很大的焊瘤；（9）焊接時，焊縫處于垂直位置，電弧在焊絲和接頭底部的起弧板之間引燃，焊絲和母材金屬在電弧熱的作用下不斷熔化形成熔池，焊絲可垂直于接頭的軸線作橫向擺動，以使電弧熱和熔敷金屬分布均勻。（6）對窄而深的坡口，焊絲送不到位的情況，可以考慮將焊接噴嘴加工成扁狀或橢圓形，具體看現(xiàn)場而定。4焊接質量控制要點（1）焊前準備和焊接操作焊前應確保進行定位焊及焊接人員系經(jīng)焊工考試合格并取得相應船檢機構簽發(fā)的相應資格證書。為保證焊縫的成形和美觀，板邊差應控制在2mm以內(nèi)，坡口兩側15mm范圍內(nèi)高出鋼板表面的橫向焊縫須鏟平，焊接區(qū)域的鐵銹、氧化皮及其它污物應清除干凈，以免影響焊接質量。涂有預處理漆的船用鋼板、型鋼和成型件，如果是對接立焊在進行切割或在焊前應先除去該預處理漆，對角接立焊一般可以不去除預處理漆，但如果接工藝認可試驗中的角焊縫立焊是在去除預處理漆的情況下完成的，那么在焊前必須去除該預處理漆。襯墊應對中并貼緊鋼板。為控制鋼板在大線能量焊接狀態(tài)下的焊接變形及裝配間隙的收縮，裝配馬應保證一定的高度和寬度，裝配馬間距應在300-400mm范圍內(nèi)。（2）坡口角度和間隙半自動CO2氣體保護立焊熱影響區(qū)沖擊韌性與母材的材料特性和焊接線能量有關，為保證焊接質量，必須嚴格控制焊接線能量。立焊縫由于其樹枝狀結晶在宏觀試件斷面上接近平行，焊縫的沖擊韌性較低，所以在相關的規(guī)范中要求都較低，如對半自動CO2焊的焊接沖擊韌性值一般要求≥47J，但對立焊只要求≥34J。間隙或坡口過大，一般情況下均會造成焊縫填充量的增多，焊接速度減慢，線能量增大，從而影響接頭沖擊韌性。在實踐中我們采取的措施有:1焊道的厚度按照5mm來控制，例20mm厚度板焊4道完成，單道的厚度不超過7mm，焊道厚度超過7mm時勢必造成立焊縫沖擊韌性的嚴重下降；2.焊縫寬度不超過25mm。因此立焊的間隙或坡口應嚴格控制在標準范圍內(nèi)，中國造船質量標準規(guī)定對單面焊雙面成型的坡口間隙為2-8mm，間隙一般不超過16mm，焊接工藝試驗及生產(chǎn)中坡口角度一般為35°-45°，間隙一般控制在（6±2）mm其焊接性能效果最好。（3）焊接電流和焊接電壓焊接電流與電弧電壓是關鍵的工藝參數(shù)。為了使焊縫成形良好、飛濺減少、減少焊接缺陷，電弧電壓和焊接電流要相互匹配。焊接電壓太大，容易造成焊接電弧太長，飛濺增多，焊材熔化不及時，造成焊弧抖動，不同的焊絲，因熔敷率不同，電流電壓的匹配性也存在差異，應適當調整。表1總結了本人進行建造檢驗的兩艘5000噸級同型散裝貨船的船體外板焊縫CO2氣體保護焊飛濺最少時工藝參數(shù)范圍。表1：飛濺最少時典型工藝參數(shù)焊絲直徑電弧電壓（v）焊接電流（A）1.220~30100~300生產(chǎn)中，電流的選擇和對應電壓范圍可以參照表1采用內(nèi)插法進行取值，其中立焊電流控制在160－180A為宜，在具體操作上可以先定出電流值，然后聽焊接產(chǎn)生的聲響一邊調節(jié)電弧電壓，當聽到焊接產(chǎn)生的聲響由雜亂轉變?yōu)樽钊岷颓液附尤藛T操作感覺最好時的電壓即是最佳的電弧電壓。（4）焊絲擺動及停留時間焊槍可作適當?shù)臄[動。擺動不僅使熔池得到充分的攪拌，有利于焊縫中氣體的溢出，而且可使焊縫成形得到控制，獲得更佳的焊縫截面形狀，使接頭性能得到改善，適當?shù)臄[動和停頓可以得到較為理想的表面成形，填充層中平坦的成形是防止焊縫邊緣夾渣關鍵所在。（5）焊接速度隨著焊接速度的增大，則焊縫的寬度、余高和熔深都相應地減小。如果焊接速度過快，容易產(chǎn)生咬邊和未焊透等缺陷，氣體的保護作用就會受到破壞，易產(chǎn)生氣孔，同時使焊縫的冷卻速度加快，這樣就會降低焊縫的塑性，而且使焊縫成形不良。反之，如果焊接速度太慢，焊縫寬度就會明顯增加，熔池熱量集中，容易發(fā)生燒穿，變形增大，生產(chǎn)效率降低。因此，應根據(jù)生產(chǎn)實踐對焊接速度進行正確的選擇。（6）焊接材料特性和焊材的選用焊接接頭主要由焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)組成，由于半自動CO2氣體保護焊線能量低，熔化快，接頭組織晶粒細，接頭的沖擊韌性是關鍵的考核指標。主要考核焊縫中心線、熔合線、熔合線外2mm處的韌性。焊縫沖擊韌性主要取決于焊接材料的性能，母材的稀釋也會引起焊縫中心沖擊韌性。焊縫熔合線的沖擊韌性主要由焊縫、焊接熱影響二者組合而成。熔合線外2mm熱影響區(qū)的沖擊韌性主要由母材的線能量和冷卻速度決定。當焊接工藝成熟、規(guī)范選擇合理的情況下，焊材及母材的韌性決定了焊接接頭沖擊韌性狀況。實際焊接中，所使用的焊接材料和焊接工藝必須滿足相關船檢規(guī)范比如中國船級社《材料與焊接規(guī)范》中焊接工藝認可試驗的相關要求相一致。焊接工藝的制定首先要根據(jù)母材的化學成分和機械性能來確定，選擇的焊接材料須有相應船級社的認可并能滿足焊接工藝認可中對焊材選擇的要求；表2為16000dwt散裝貨船焊接工藝認可中對CO2氣體保護焊焊接材料的工藝性能要求，焊接部位為船體大合攏接縫，板材為AH32高強度鋼表2：焊接工藝認可中對CO2氣體保護焊焊接材材料選擇表由上表可以得知此艘船舶的大合攏焊縫的半自動CO2氣體保護立焊焊接材料選用TWE-711￠1.2，襯墊選用JN-401型，其焊接性能滿足母材AH32高強度鋼的性能要求。5常見缺陷及預防對策】焊縫在焊接完成后應對焊縫進行相應的外觀和內(nèi)部缺陷檢查，目前常用的無損檢測方法主要有X光射線探傷和、超聲波探傷及磁粉探傷檢查，其中以前兩種使用較為普遍，認可標準主要為船舶行業(yè)標準（CB）和國家標準（GB），對檢查中發(fā)現(xiàn)的缺陷應進行相應的返修再進行檢查，在焊縫的檢查中常見以下幾種缺陷：（1）飛濺。由于CO2氣體本身具有較強的氧化性，因此在焊接過程中會引起合金元素燒損，產(chǎn)生氣孔和引起較強的飛濺，特別是飛濺問題，雖然從焊接電源、焊絲材料和焊接工藝上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，這是CO2焊的不足之處。（2）氣孔。二氧化碳氣體流量與焊接電流、焊接速度、焊絲伸出長度、噴嘴直徑以及焊接環(huán)境的氣流情況等有關。氣體流量應隨焊接電流的增大、焊接速度的增加和焊絲伸出長度的增加而加大。一般二氧化碳氣體流量的范圍為18～25l／min。如果二氧化碳氣體流量太大，由于氣體在高溫下的氧化作用，會加劇合金元素的燒損，減弱硅、錳元素的脫氧還原作用，使焊縫容易產(chǎn)生氣孔等缺陷；如果二氧化碳氣體流量太小，則氣體流層挺度不強，對熔池和熔滴的保護效果不好，也容易使焊縫產(chǎn)生氣孔等缺陷，在目前的船舶建造實踐中，對半自動CO2氣體保護焊焊縫尤其是對立焊的無損檢測中，氣孔是主要的焊縫缺陷。預防產(chǎn)生氣孔的辦法：選擇合適的焊接電流和焊接速度，認真清理坡口邊緣水份、油污和銹跡。嚴格按規(guī)定保管、清理和焙烘焊接材料，嚴格執(zhí)行焊接環(huán)境標準，盡量在天氣及風力條件滿足的情況下施焊,大合攏焊縫襯墊盡可能貼在外面，能有效的防止因為風力的影響而產(chǎn)生的氣孔。（3）焊瘤。立焊時，熔池金屬和熔滴因受重力作用具有下墜趨勢，所以容易產(chǎn)生焊瘤，有效的的防止方法是采用立焊的下限電流，如160～170A。（4）裂紋。收弧過快，易在收弧處產(chǎn)生弧坑裂紋和縮孔，收弧的操作要比焊條電弧焊嚴格。應在熔坑處稍作停留，然后慢慢抬起焊槍，并在接頭處使首層焊縫厚重疊20～50mm。（5）外觀成形差，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要是因為焊接現(xiàn)場風力較大影響焊縫的成型，或者當熔池溫度上升，鐵水有下淌趨勢時。6總結（1）半自動CO2氣體保護立焊焊接性能優(yōu)異，且經(jīng)濟性和操作性好，是目前各船廠最常見的焊接方法，尤其是船體大合攏接縫中應用最廣泛；（2）半自動CO2氣體保護立焊的焊接接頭的沖擊韌性值應比其它焊接位置（如平焊）低，宜采用窄焊道多道焊。（3）半自動CO2氣體保護立焊對一般強度結構用鋼及高強度鋼均適用，適用于大噸位船舶的船舶焊接（4）半自動CO2氣體保護立焊的最終焊接性能如何，受到船板質量、焊接材料、施工環(huán)境、人員操作等因素的制約，只有各方面的協(xié)調細致的配合才能獲得最好的焊接性能結果。CO2半自動氣體保護焊接工藝本工藝適用于低碳鋼和低合金高強度鋼各種大型鋼結構工程焊接，其焊接生產(chǎn)率高，抗裂性能好，焊接變形小，適應變形范圍大，可進行薄板件及中厚板件焊接.焊接準備1.焊接前接頭清潔要求在坡口兩側30mm范圍內(nèi)影響焊縫質量的毛刺、油污、水銹臟物、氧化皮必須清潔干凈。2.當施工環(huán)境溫度低于零度或鋼材的碳當量大于0.41%，及結構剛性過大，物件較厚時應采用焊前預熱措施，預熱溫度為80℃~100℃，預熱范圍為板厚的5倍，但不小于100mm。3.工件厚度大于6mm時，為確保焊透強度，在板材的對接邊緣應采用開切V形或X形坡口，坡口角度為60°鈍邊p為0~1mm，裝配間隙b為0~1mm；當板厚差≥4mm時，應對較厚板材的對接邊緣進行削斜處理，如圖：4.焊前應對CO2焊機送絲順暢情況和氣體流量作認真檢查。.1.5.若使用瓶裝氣體應作排水提純處理，且應檢查氣體壓力，若低于9.8×10.5PQ(10kgf/mm2)應停止使用。6.根據(jù)不同的焊接工件和焊接位置調節(jié)好規(guī)范，通常的焊接規(guī)范可以用以下公式：V=0.04I+16(允許誤差±1.5V)焊接材料1.CO2氣體純度要求99.5%；含水量不超過0.1%；含碳量不超過0.1%。2.焊絲牌號低碳鋼及高強度低合金鋼重要結構焊接選用H08Mn2SiA；H08Mn2SiA低碳鋼一般結構焊接選用H08MnSi。焊絲表面鍍銅不允許有銹點存在。焊接規(guī)范板厚焊絲直徑焊接規(guī)范氣體流量備注mmmm焊接電流(A)焊接電壓(V)l/min10.860~8016~1710~12適用于平對接焊31.0120~15018~2010~1261.0140~16021~2210~12101.2180~20023~2414~18>201.2210~24025~2818~2010~201.2100~12020~2214~18適用立、橫、仰焊；適用立向下角焊及立向上角焊3~201.2140~17021~2414~18如使用藥芯焊絲，焊接時可參考此規(guī)范。操作要點1.垂直或傾斜位置開坡口的接頭必須從下向上焊接，對不開坡口的薄板對接和立角焊可采用向下焊接；平、橫、仰對接接頭可采用左向焊接法。.2.2.室外作業(yè)在風速大于1m/s時，應采用防風措施。3.必須根據(jù)被焊工件結構，選擇合理的焊接順序。4.對接兩端應設置尺寸合適的引弧和熄弧板。5.應經(jīng)常清理軟管內(nèi)的污物及噴咀的飛濺。6.有坡口的板縫，尤其是厚板的多道焊縫，焊絲擺動時在坡口兩側應稍作停留，鋸齒形運條每層厚度不大于4mm，以使焊縫熔合良好。7.根據(jù)焊絲直徑正確選擇焊絲導電咀，焊絲伸出長度一般應控制在10倍焊絲直徑范圍以內(nèi)。8.送絲軟管焊接時必須拉順，不能盤曲，送絲軟管半徑不小于150mm。施焊前應將送氣軟管內(nèi)殘存的不純氣體排出。9.導電咀磨損后孔徑增大，引起焊接不能穩(wěn)定，需重新更換導電咀。五.焊接程序1.焊接板縫，有縱橫交叉的焊縫應先焊端焊縫后焊邊焊縫