CO2焊接技术在金属结构行业中的应用与.doc

CO2气体保护焊在重机行业中的应用太原重型机械（集团）有限公司 陈清阳 王成文1 CO2焊接技术发展史CO2焊接技术发展与金属结构制造状况密不可分。五十年代初期，CO2气保焊技术一经开发，就应用于金属结构制造，并伴随着焊接结构设计、制造技术水平的不断提高，逐渐成为金属结构焊接的主要方法。其高效、优质、自动化的技术特点，具有良好应用条件，并且极大地推动了金属结构焊接技术和相关产业的发展。目前在美国、日本、欧洲等发达国家及地区采用焊接金属结构件比例日趋增大，其中CO2气保焊消耗的焊接金属材料重量约占全部焊接材料总重量的5075%。经过多年努力，我国CO2气保焊技术在金属结构制造业中的推广应用，取得了长足进步，可以划分为三个阶段：探索阶段、起步阶段、发展阶段。探索阶段是从六十年代到八十年代中期，国内高校、研究单位及一些厂矿企业对CO2焊接技术处于研究、开发、收集、整理国外焊接技术，在这一时期CO2气保焊技术没有形成大批量金属结构的生产能力及相关产品的生产规模。大多数金属结构企业技术人员不熟悉或不太了解CO2气保焊技术及其主要特点。起步阶段是从八十年代中期到九十年代初的时间里，借助于我国在“六五”、“七五”重大技术装备，引进技术合作生产及大型基础设施工程建设的契机，引进国外先进焊接技术和装备，对大型骨干机械企业进行技术改造。大型金属结构制造企业采用引进技术，与西方国家跨国公司合作制造大型金属结构，并成批购买国外CO2气保焊设备、焊接材料等器材，进行焊工培训，推动了CO2气保焊技术的应用，焊接工作者由此认识到CO2气保焊技术的优点。可以说是在借助国外成熟技术和生产工艺，形成了我国大型金属结构企业的CO2气保焊技术的生产能力，从而大大改变了金属结构制造企业的装备水平、制造能力，提高了产品质量和生产效率，改变了传统的金属结构焊接工艺，引起了焊接技术的革命，推动了国内CO2气保焊设备、焊接材料、辅件等领域技术研究和推广应用工作的发展。发展阶段是从九十年代初至今的近十年时间，自1991年中国焊接协会和中国机械工程学会焊接学会联合举办“全国CO2气保焊技术推广应用交流会”以来，CO2气保焊技术在金属结构行业中应用、推广工作蓬勃发展。表现为CO2气保焊技术开发能力增强，应用工作从大型机械企业推广到中、小型企业，而大型机械企业的CO2气保焊应用也从一些合作产品的生产，推广到各种金属焊接结构，CO2气保焊设备、焊接材料及配套辅件基本实现国内生产供给。一批服务于CO2气保焊技术的企业，把握住了CO2气保焊技术推广的市场脉搏，迅速发展起来。如：焊接设备方面的时代集团公司、天津电焊机厂、江苏双良焊接设备制造公司、唐山松下产业机器有限公司等；焊接材料方面的天津电焊条公司、猴王焊材有限公司、上海电焊条有限公司、江苏江南焊丝厂、北京市焊接材料厂及天津市三英焊业有限责任公司、北京宝钢焊业有限责任公司、北京钢廉焊接材料责任有限公司和嘉兴东方焊业有限公司等；焊接气体方面的普莱克斯气体有限公司、BOC气体公司等。展现了我国CO2气保焊技术推广应用取得丰硕成果。2 CO2气保焊技术的主要特点 通过多年研究与应用实践，CO2气保焊技术的主要特点概述为以下几点：2.1 生产效率高CO2气保焊能够实现较大的焊接电流，采用1.2mm实芯焊丝，焊接电流可达到350A，2.4mm药芯焊丝的焊接电流可达到500A，电流密度通常为100300A/mm2，CO2气保焊可比手工焊提高工作效率15倍。2.2 焊接质量好 CO2气保焊的自动化程度高，电弧自身调节作用强，焊接过程中电弧稳定性好，人为干扰因素少。电弧可持续燃烧，整条接头少，金属组织致密，焊接质量稳定。同时CO2气保焊电弧气氛氧化性强，对焊件表面油、锈敏感性低，焊缝金属扩散氢含量低，大大提高了焊接接头力学性能和抗裂性能。2.3 CO2气保焊技术改良了焊接接头型式CO2气保焊技术改良了焊接接头型式和焊接坡口型式。CO2气保焊的焊接熔深较大，在T型接头型式设计时，当熔深增大时，在保证焊缝金属承载面积保持不变时，焊脚尺寸往往可以减少。在对接接头设计时， CO2气保焊与手工焊相比，焊接坡口角度一般可以减少510，当采用单边V型坡口对接焊时，坡口角度为45，采用锥形喷嘴，就可以使根部焊透，并使焊缝熔合很好，从而有效地减少填充金属量，减少焊接作业时间和焊接材料消耗。2.4 能源利用率高CO2气保焊的电弧密度高，电弧能量大多有效地用于焊接材料熔化及母材金属的熔合，获得每千克熔敷金属的耗电量较低，1.2mm实芯焊丝为1.82.0kwh/kg；1.22.4mm药芯焊丝为2.12.4 kwh/kg，能源利用率高。因此，CO2气保焊推广应用有利于节省能源，可比手工焊节电50% 60% ，从而减少宝贵的能源浪费等，有利于人类可持续发展。2.5 焊接规范参数调节范围大CO2气保焊同一规格尺寸的焊丝可采用焊接规范参数变化范围较大，如1.2mm实芯焊丝，其焊接电流调节范围可以为80350A，从而使CO2焊接设备、材料具备较好的适应金属结构产品的变化能力，减少了储备焊接材料规格和重量，有利于焊接质量控制和管理。3 CO2气保焊技术应用状况3.1 CO2气保焊技术在大型金属结构制造企业中广泛使用，在中、小型企业中局部使用，制造的金属结构种类大大增加。随着机械行业骨干企业焊接技术改造，CO2气保焊技术在大型金属结构制造中广泛采用。如：太原重型机械（集团）有限公司、第一重型机械有限公司、大连重工集团有限公司、中信洛阳矿机厂、北京煤机厂等企业，CO2气保焊完成的焊接金属结构已占其总重量的50% 80%，在大型金属结构企业中发挥着不可替代的骨干作用。CO2气保焊主要用于制造大型桥式、门式起重机；423M3机械式挖掘机；16 M3液压挖掘机；大型加压汽化炉及焦炉机械等煤处理设备，以及大型减速机、提升机、堆取料机、轧锻设备、氧气瓶压机、卫星发射架等大型设备,如图所示。在中、小型企业中的推广应用与所在地区、所处行业、产品结构特点等因素有较大关系，在焊接技术较为发达的地区、焊接结构较多的企业、技术含量较高的产品中，CO2气保焊推广使用情况较好。虽然在中、小企业中应用情况差别较大，但通过多年宣传、引导，CO2气保焊技术已逐渐成为企业技术改造中主要选择的焊接技术装备。3.2 CO2气保焊设备应用状况金属结构行业采用CO2气保焊焊接设备一般要求具有以下性能：电源暂载率高、大电流、工作时间长；施工位置与电源之间的距离长，采用遥控调节规范参数；送丝机构及二次电缆重量轻，利于移动；可移动部分的联结必须牢固可靠等。在CO2气保焊技术推广的起步阶段，主要由国外进口焊接设备或引进国外技术设备生产，引进焊机有日本松下电器公司、日本大阪变压器、瑞典伊萨公司、美国米勒公司等品牌机型；国内主要有天津电焊机厂、唐山电子设备厂、牡丹江无线电六厂、上海电焊机厂、新乡电焊机厂、四平电焊机厂等企业，焊机额定电流大多为500A。因为国内企业生产的焊机功能和生产规模与国外厂商有一定的差距，所以大型企业在技术改造中大部分选用价格较高、功能好的进口设备。在CO2气保焊技术推广的发展阶段，经过焊接设备制造厂商的合资或独资开发，额定电流350A、500A的CO2气保焊半自动焊机，基本实现国内组装或制造，其中时代集团公司、江苏双良焊接设备制造公司、天津电焊机厂、唐山松下产业机器有限公司等一批企业生产的主要机型，都具有较好使用功能和可靠性，并陆续在金属结构企业中成为主要选择的CO2气保焊机型，占有一定数量和市场份额，从而改变了大批量进口设备的状况。目前也有一些金属结构企业使用一批CO2气保焊专机设备及焊接机器人工作站，但总体规模和应用数量比较小。这既与金属结构产品的生产规模及加工精度有直接联系，也与专用设备设计、制造水平有关。CO2气保焊专机设备多用于金属零件形状简单、规格相近或生产批量较大的金属结构产品生产线，如汽车、摩托车等产品零件的焊接。3.3 CO2气保焊焊接材料的应用状况八十年代初至八十年代中期，我国针对当时A3、16Mn等主要结构钢生产的490MPa级CO2气保焊实芯焊丝，在引进设备、引进技术、开发试制的努力中，已实现部分自给，但处于供不应求状态，而药芯焊丝基本处于开发研制、试生产状态。大部分CO2气保焊焊接材料主要依靠从美国、日本、欧洲等国家进口。国产焊接材料与进口焊接材料相比在工艺性能、力学性能方面存在一定差距。目前我国CO2气保焊实芯焊丝已经形成一定生产规模，产量和质量也有很大提高。针对Q235、Q345及Q390等结构钢的CO2气保焊焊丝，能够满足金属结构制造的要求，使用最多的实芯焊丝主要有ER49-1（H08Mn2SiA）及ER50-6等牌号，规格主要有1.2、1.6两种，国内生产状态处于供大于求状况。但国内各焊丝生产厂家的质量也有较大差别，特别是在焊丝化学成分稳定性、焊丝表面镀铜质量、焊丝刚度等主要参数方面仍有明显差异，焊丝质量优良的厂家有猴王焊丝厂、天津电焊条厂、江南焊丝厂、唐山信大焊丝厂、四川自贡电焊条厂等厂家。600MPa级实芯焊丝的几个生产厂家质量比较稳定，700Mpa级以上实芯焊丝的生产厂家极少，对于其它高强度钢、特殊钢种焊丝仍主要依赖进口。在CO2气保焊药芯焊丝生产领域，从北京宝钢焊业有限责任公司引进英国技术以来，国内一些单位引进了技术或自我开发研究，也形成一定的生产能力，其中天津市三英焊业有限责任公司、北京钢廉焊接材料责任有限公司、北京宝钢焊业有限责任公司和嘉兴东方焊业有限公司主要生产有缝药芯焊丝，也部分满足国内市场需求，品种主要有500Mpa和600MPa结构钢药芯焊丝、不锈钢药芯焊丝、堆焊药芯焊丝等品种，具有较好焊接工艺性能和力学性能，但仍有待于继续提高开发能力，提高质量，形成系列产品，扩大生产规模，降低生产成本等问题。CO2气保焊保护气体生产方面，国内主要依赖于各地区石灰窑生产企业、化工企业和酿造企业的副产品，没有焊接气体专业生产厂家。目前专业气体生产厂家仅有两个外资企业，普莱克斯气体有限公司和BOC气体公司等，均可提供CO2及富氩等多种焊接用气体且纯度很高。3.4 金属结构行业CO2气保焊技术推广的人才状况金属结构行业中CO2气保焊技术推广工作是在中国焊接协会和中国机械工程学会焊接分会倡导下，结合金属结构行业自身发展要求，逐步推广应用的。其中金属结构行业中焊接技术人员及焊接工人本着对企业技术进步无私奉献发挥着积极作用。随着市场经济逐步延伸，金属结构行业的经济效益普遍滑坡，焊接技术人才严重流失，早期从事CO2气保焊研究及推广的具有相当经验的技术人员也有许多离开这项工作，新的技术人员补充不足，使得此项工作受到影响。这就引发了金属结构行业以及传统产业技术改造中技术人才的隐患，以及传统产业技改机制，人才激励机制等问题，影响了CO2气保焊技术推广速度和相应新型技术的开发。而这种机制问题还将影响金属结构行业的其它技术改造及技术革新工作的开展。4 CO2气保焊技术应用研究的新领域4.1 CO2气保焊技术应用向室外发展 为拓展CO2气保焊技术应用领域，一些金属结构企业和焊接材料生产单位，根据生产需要，研究开发在室外环境中采用自保护药芯焊丝焊接的技术。太重曾采用美国豪伯特公司的自保护药芯焊丝E71T8K6、2.0mm 加适量CO2保护气体，在有风环境下进行试验，焊接电流I=180200A，焊接电压U=2225V，CO2保护气体流量为15L/min,在较强干扰风情况下施焊，电弧稳定性较好，焊缝成形美观，脱渣性能良好，飞溅小，而且经过焊接试板无损探伤，超探检测达到级焊缝，未见焊缝气孔等缺陷，焊缝熔敷金属力学性能较好，b=576MPa，室温Akv=190J，-40 Akv=162J。经过横焊位置焊接试验，试板超探合格，说明CO2气保焊室外焊接技术的可行性。这项技术为太重在CO2气保焊在大型结构室外施工、安装中推广应用做了有益的尝试。4.2 CO2气保焊技术中保护气体变化由于单一CO2气保焊时，有焊接飞溅大、成形凸起等缺点，在承受高疲劳载荷或要求低温韧性的金属结构件或焊缝外观要求较高以及高强度结构钢焊接时，大多采用富氩气体保护焊，即用不同配比氩气和CO2混合气体做为焊接保护气体以代替单一的CO2气体，以改善焊接工艺性能，降低保护气体氧化性和提高焊缝金属韧性。目前最常见的有80% Ar + 20% CO2的气体配比。4.3 CO2气保焊技术向高性能金属结构领域发展随着CO2气保焊技术发展中各保护气体、焊接材料（药芯焊丝、实芯焊丝）的配套，采用CO2气保焊技术焊接金属材料范围由常见Q235、Q345向高强度钢、高韧性钢、高合金钢等领域拓展,先后应用于 类高压容器生产、Welten80C等高强度钢结构焊接、中碳合金铸锻件焊接修复、室外高韧性结构件焊接、奥氏体高锰钢结构焊接及高硬度耐磨堆焊等方面。4.4 CO2气保焊在焊接自动化及焊接机器人领域的应用由于CO2气保焊技术具有连续焊接和较高的生产效率、焊缝质量优良等特点，从而成为金属结构自动化生产的主要焊接手段，越来越多的CO2气保焊自动化设备和焊接机器人将用于金属结构制造中，成为替代人类劳作、实现大规模连续生产的主要手段。目前已成功的应用于汽车、摩托车等行业中，今后在金属结构制造中仍有很大发展空间。5 CO2气保焊技术推广应用中存在的问题5.1 思想认识不足，技术人才缺乏对于金属结构制造企业的某些领导，往往对CO2气保焊技术改造的必要性和紧迫性认识不足，受资金状况和企业经营状况的困扰，只顾企业短期任务目标，忽视工艺技术装备改造，满足于现有产品质量状况，因而制约CO2气保焊技术推广应用。有些企业在购置CO2气保焊设备时，由于缺乏必要的技术人员和焊工操作技能，不能更好地使用CO2气保焊装备，这就要求设备供应商能提供较好的售后服务，同时也为协会、学会等群众性学术组织的工艺咨询、人员培训等工作提出新要求，如何加强为金属结构企业焊接技术服务，也是行业和各省、市焊接学术组织面临的课题。5.2 CO2气保焊技术推广所需的国产化设备、焊接材料等品种不多、系列化进程比较长远目前国内CO2气保焊技术开发研究与国外发达国家还有一定的差距，推广应用的主要机型基本仍是可控硅电源为主的气保焊机。国内自行开发生产的CO2气保焊产品，由于种种原因，难以形成真正生产规模，发展受到限制。CO2气保焊焊接材料方面，主要以抗拉强度为500MPa左右的普通气保焊实芯焊丝和药芯焊丝为主，而且实芯焊丝生产能力已经基本处于饱和局面，但高强度、高韧性或其它性能如Cr-MO钢等实芯焊丝和药芯焊丝的生产又无法满足国内金属结构行业要求，难以形成专业化强、又具有特色的焊接产品，处于较混乱的低水平重复恶性竞争中。在保护气体方面，仅有两家合资公