半自动CO2气体保护立焊在船体建造中的应用

半自动CO2气体保护立焊在船体建造中的应用(2009年第4期总第112期）摘要半自动CO2气体保护焊是广泛使用于船舶建造的结构及板材接缝的焊接中，本文结合工作接触到的半自动CO2气体保护立焊在船台合拢大接缝焊接中使用对其原理、特点、质量控制要点、缺陷预防对策进行归纳总结，进而使我们对半自动CO2气体保护焊有系统的认识。关键词船舶气体保护立焊应用1原理和特点二氧化碳气体保护电弧焊简称为CO2气保焊俗称CO2焊，属于熔化极气体保护焊。它利用CO2气体保护电弧，使电弧与空气隔离，电弧在焊丝和工件之间“燃烧”，焊丝自动送进，熔化了的焊丝和母材形成焊缝。分为半自动焊和自动焊两类，是目前应用最广泛的电弧焊接方法，主要有以下优点：（1）焊接成本低。焊接成本低CO2气体是化工厂的副产品，来源广，价格低，其综合成本约为电弧焊的40％至50％。（2）焊接生产率高。由于焊丝自动送进，焊接时焊接电流密度比电弧焊高的多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，同时具有焊丝熔化快，清理熔渣容易等特点，效率可比手弧焊提高2-4倍。（3）应用范围广。可以焊接薄板、厚板以及全位置的焊接等。（4）抗锈能力强。CO2焊对焊件上的铁锈、油污及水分等，不像其他焊接方法那样敏感，具有较好的抗锈能力。（5）相比较焊条电弧焊，CO2气体保护焊在焊缝的焊后检查中缺陷的检出率明显较低，因而具有明显的时间效益和经济效益。但是半自动CO2气体保护焊也有一些缺点：（1）飞溅大，不论采用什么措施，也只能使CO2焊接飞溅减小到一定程度，但仍比焊条电弧焊、氩弧焊大得多；（2）施工环境要求较高，在室外作业时，必须设挡风装置才能施焊；（3）焊接设备比较复杂，电弧的光辐射较强。2半自动CO2气体保护立焊的应用现状CO2气体保护半自动焊是一种高效率、低成本的焊接方法，目前已广泛应用于我国船舶制造行业，正在逐步替代焊条电弧焊，CO2气体保护焊也常用于较厚的低碳钢和中碳钢等材料的焊接，也可用于奥氏体不锈钢和其它金属合金的焊接。尤其对板材厚度为12－80mm的最适宜。目前，半自动CO2气体保护立焊广泛应用于各造船企业船舶建造中的结构角焊缝与板材的对接焊接中，尤其是船台大合拢焊接的焊接中，因为其出色的焊接性能而被各大船厂采用，其焊接形式多为单面焊双面成型。3操作要领（1）室外作业在风速大于1m/s时，应采用防风措施。（2）必须根据被焊工件结构，选择合理的焊接顺序。（3）对接两端应设置尺寸合适的引弧和熄弧板。（4）应经常清理软管内的污物及喷咀的飞溅。（5）使用的电流不要过大，略低于角焊电流；（6）电流不能太大，一般控制在160A至180A为宜；（7）焊接方法，采取之字型焊接方法。如果是多层焊接，第一遍电流要小一些，以后的焊接要清理干净焊渣等杂物，减少夹渣或焊不透现象。（8）摆动要到位，要均匀的摆动，不然焊缝就不是特别好看，很可能咬边或者有很大的焊瘤；（9）焊接时，焊缝处于垂直位置，电弧在焊丝和接头底部的起弧板之间引燃，焊丝和母材金属在电弧热的作用下不断熔化形成熔池，焊丝可垂直于接头的轴线作横向摆动，以使电弧热和熔敷金属分布均匀。（6）对窄而深的坡口，焊丝送不到位的情况，可以考虑将焊接喷嘴加工成扁状或椭圆形，具体看现场而定。4焊接质量控制要点（1）焊前准备和焊接操作焊前应确保进行定位焊及焊接人员系经焊工考试合格并取得相应船检机构签发的相应资格证书。为保证焊缝的成形和美观，板边差应控制在2mm以内，坡口两侧15mm范围内高出钢板表面的横向焊缝须铲平，焊接区域的铁锈、氧化皮及其它污物应清除干净，以免影响焊接质量。涂有预处理漆的船用钢板、型钢和成型件，如果是对接立焊在进行切割或在焊前应先除去该预处理漆，对角接立焊一般可以不去除预处理漆，但如果接工艺认可试验中的角焊缝立焊是在去除预处理漆的情况下完成的，那么在焊前必须去除该预处理漆。衬垫应对中并贴紧钢板。为控制钢板在大线能量焊接状态下的焊接变形及装配间隙的收缩，装配马应保证一定的高度和宽度，装配马间距应在300-400mm范围内。（2）坡口角度和间隙半自动CO2气体保护立焊热影响区冲击韧性与母材的材料特性和焊接线能量有关，为保证焊接质量，必须严格控制焊接线能量。立焊缝由于其树枝状结晶在宏观试件断面上接近平行，焊缝的冲击韧性较低，所以在相关的规范中要求都较低，如对半自动CO2焊的焊接冲击韧性值一般要求≥47J，但对立焊只要求≥34J。间隙或坡口过大，一般情况下均会造成焊缝填充量的增多，焊接速度减慢，线能量增大，从而影响接头冲击韧性。在实践中我们采取的措施有:1焊道的厚度按照5mm来控制，例20mm厚度板焊4道完成，单道的厚度不超过7mm，焊道厚度超过7mm时势必造成立焊缝冲击韧性的严重下降；2.焊缝宽度不超过25mm。因此立焊的间隙或坡口应严格控制在标准范围内，中国造船质量标准规定对单面焊双面成型的坡口间隙为2-8mm，间隙一般不超过16mm，焊接工艺试验及生产中坡口角度一般为35°-45°，间隙一般控制在（6±2）mm其焊接性能效果最好。（3）焊接电流和焊接电压焊接电流与电弧电压是关键的工艺参数。为了使焊缝成形良好、飞溅减少、减少焊接缺陷，电弧电压和焊接电流要相互匹配。焊接电压太大，容易造成焊接电弧太长，飞溅增多，焊材熔化不及时，造成焊弧抖动，不同的焊丝，因熔敷率不同，电流电压的匹配性也存在差异，应适当调整。表1总结了本人进行建造检验的两艘5000吨级同型散装货船的船体外板焊缝CO2气体保护焊飞溅最少时工艺参数范围。表1：飞溅最少时典型工艺参数焊丝直径电弧电压（v）焊接电流（A）1.220~30100~300生产中，电流的选择和对应电压范围可以参照表1采用内插法进行取值，其中立焊电流控制在160－180A为宜，在具体操作上可以先定出电流值，然后听焊接产生的声响一边调节电弧电压，当听到焊接产生的声响由杂乱转变为最柔和且焊接人员操作感觉最好时的电压即是最佳的电弧电压。（4）焊丝摆动及停留时间焊枪可作适当的摆动。摆动不仅使熔池得到充分的搅拌，有利于焊缝中气体的溢出，而且可使焊缝成形得到控制，获得更佳的焊缝截面形状，使接头性能得到改善，适当的摆动和停顿可以得到较为理想的表面成形，填充层中平坦的成形是防止焊缝边缘夹渣关键所在。（5）焊接速度随着焊接速度的增大，则焊缝的宽度、余高和熔深都相应地减小。如果焊接速度过快，容易产生咬边和未焊透等缺陷，气体的保护作用就会受到破坏，易产生气孔，同时使焊缝的冷却速度加快，这样就会降低焊缝的塑性，而且使焊缝成形不良。反之，如果焊接速度太慢，焊缝宽度就会明显增加，熔池热量集中，容易发生烧穿，变形增大，生产效率降低。因此，应根据生产实践对焊接速度进行正确的选择。（6）焊接材料特性和焊材的选用焊接接头主要由焊缝、熔合区、热影响区组成，由于半自动CO2气体保护焊线能量低，熔化快，接头组织晶粒细，接头的冲击韧性是关键的考核指标。主要考核焊缝中心线、熔合线、熔合线外2mm处的韧性。焊缝冲击韧性主要取决于焊接材料的性能，母材的稀释也会引起焊缝中心冲击韧性。焊缝熔合线的冲击韧性主要由焊缝、焊接热影响二者组合而成。熔合线外2mm热影响区的冲击韧性主要由母材的线能量和冷却速度决定。当焊接工艺成熟、规范选择合理的情况下，焊材及母材的韧性决定了焊接接头冲击韧性状况。实际焊接中，所使用的焊接材料和焊接工艺必须满足相关船检规范比如中国船级社《材料与焊接规范》中焊接工艺认可试验的相关要求相一致。焊接工艺的制定首先要根据母材的化学成分和机械性能来确定，选择的焊接材料须有相应船级社的认可并能满足焊接工艺认可中对焊材选择的要求；表2为16000dwt散装货船焊接工艺认可中对CO2气体保护焊焊接材料的工艺性能要求，焊接部位为船体大合拢接缝，板材为AH32高强度钢表2：焊接工艺认可中对CO2气体保护焊焊接材材料选择表由上表可以得知此艘船舶的大合拢焊缝的半自动CO2气体保护立焊焊接材料选用TWE-711￠1.2，衬垫选用JN-401型，其焊接性能满足母材AH32高强度钢的性能要求。5常见缺陷及预防对策】焊缝在焊接完成后应对焊缝进行相应的外观和内部缺陷检查，目前常用的无损检测方法主要有X光射线探伤和、超声波探伤及磁粉探伤检查，其中以前两种使用较为普遍，认可标准主要为船舶行业标准（CB）和国家标准（GB），对检查中发现的缺陷应进行相应的返修再进行检查，在焊缝的检查中常见以下几种缺陷：（1）飞溅。由于CO2气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，特别是飞溅问题，虽然从焊接电源、焊丝材料和焊接工艺上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，这是CO2焊的不足之处。（2）气孔。二氧化碳气体流量与焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度、喷嘴直径以及焊接环境的气流情况等有关。气体流量应随焊接电流的增大、焊接速度的增加和焊丝伸出长度的增加而加大。一般二氧化碳气体流量的范围为18～25l／min。如果二氧化碳气体流量太大，由于气体在高温下的氧化作用，会加剧合金元素的烧损，减弱硅、锰元素的脱氧还原作用，使焊缝容易产生气孔等缺陷；如果二氧化碳气体流量太小，则气体流层挺度不强，对熔池和熔滴的保护效果不好，也容易使焊缝产生气孔等缺陷，在目前的船舶建造实践中，对半自动CO2气体保护焊焊缝尤其是对立焊的无损检测中，气孔是主要的焊缝缺陷。预防产生气孔的办法：选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。严格按规定保管、清理和焙烘焊接材料，严格执行焊接环境标准，尽量在天气及风力条件满足的情况下施焊,大合拢焊缝衬垫尽可能贴在外面，能有效的防止因为风力的影响而产生的气孔。（3）焊瘤。立焊时，熔池金属和熔滴因受重力作用具有下坠趋势，所以容易产生焊瘤，有效的的防止方法是采用立焊的下限电流，如160～170A。（4）裂纹。收弧过快，易在收弧处产生弧坑裂纹和缩孔，收弧的操作要比焊条电弧焊严格。应在熔坑处稍作停留，然后慢慢抬起焊枪，并在接头处使首层焊缝厚重叠20～50mm。（5）外观成形差，出现此现象的原因主要是因为焊接现场风力较大影响焊缝的成型，或者当熔池温度上升，铁水有下淌趋势时。6总结（1）半自动CO2气体保护立焊焊接性能优异，且经济性和操作性好，是目前各船厂最常见的焊接方法，尤其是船体大合拢接缝中应用最广泛；（2）半自动CO2气体保护立焊的焊接接头的冲击韧性值应比其它焊接位置（如平焊）低，宜采用窄焊道多道焊。（3）半自动CO2气体保护立焊对一般强度结构用钢及高强度钢均适用，适用于大吨位船舶的船舶焊接（4）半自动CO2气体保护立焊的最终焊接性能如何，受到船板质量、焊接材料、施工环境、人员操作等因素的制约，只有各方面的协调细致的配合才能获得最好的焊接性能结果。CO2半自动气体保护焊接工艺本工艺适用于低碳钢和低合金高强度钢各种大型钢结构工程焊接，其焊接生产率高，抗裂性能好，焊接变形小，适应变形范围大，可进行薄板件及中厚板件焊接.焊接准备1.焊接前接头清洁要求在坡口两侧30mm范围内影响焊缝质量的毛刺、油污、水锈脏物、氧化皮必须清洁干净。2.当施工环境温度低于零度或钢材的碳当量大于0.41%，及结构刚性过大，物件较厚时应采用焊前预热措施，预热温度为80℃~100℃，预热范围为板厚的5倍，但不小于100mm。3.工件厚度大于6mm时，为确保焊透强度，在板材的对接边缘应采用开切V形或X形坡口，坡口角度为60°钝边p为0~1mm，装配间隙b为0~1mm；当板厚差≥4mm时，应对较厚板材的对接边缘进行削斜处理，如图：4.焊前应对CO2焊机送丝顺畅情况和气体流量作认真检查。.1.5.若使用瓶装气体应作排水提纯处理，且应检查气体压力，若低于9.8×10.5PQ(10kgf/mm2)应停止使用。6.根据不同的焊接工件和焊接位置调节好规范，通常的焊接规范可以用以下公式：V=0.04I+16(允许误差±1.5V)焊接材料1.CO2气体纯度要求99.5%；含水量不超过0.1%；含碳量不超过0.1%。2.焊丝牌号低碳钢及高强度低合金钢重要结构焊接选用H08Mn2SiA；H08Mn2SiA低碳钢一般结构焊接选用H08MnSi。焊丝表面镀铜不允许有锈点存在。焊接规范板厚焊丝直径焊接规范气体流量备注mmmm焊接电流(A)焊接电压(V)l/min10.860~8016~1710~12适用于平对接焊31.0120~15018~2010~1261.0140~16021~2210~12101.2180~20023~2414~18>201.2210~24025~2818~2010~201.2100~12020~2214~18适用立、横、仰焊；适用立向下角焊及立向上角焊3~201.2140~17021~2414~18如使用药芯焊丝，焊接时可参考此规范。操作要点1.垂直或倾斜位置开坡口的接头必须从下向上焊接，对不开坡口的薄板对接和立角焊可采用向下焊接；平、横、仰对接接头可采用左向焊接法。.2.2.室外作业在风速大于1m/s时，应采用防风措施。3.必须根据被焊工件结构，选择合理的焊接顺序。4.对接两端应设置尺寸合适的引弧和熄弧板。5.应经常清理软管内的污物及喷咀的飞溅。6.有坡口的板缝，尤其是厚板的多道焊缝，焊丝摆动时在坡口两侧应稍作停留，锯齿形运条每层厚度不大于4mm，以使焊缝熔合良好。7.根据焊丝直径正确选择焊丝导电咀，焊丝伸出长度一般应控制在10倍焊丝直径范围以内。8.送丝软管焊接时必须拉顺，不能盘曲，送丝软管半径不小于150mm。施焊前应将送气软管内残存的不纯气体排出。9.导电咀磨损后孔径增大，引起焊接不能稳定，需重新更换导电咀。五.焊接程序1.焊接板缝，有纵横交叉的焊缝应先焊端焊缝后焊边焊缝