CO2氣體保護焊在低變爐襯里中的應用

杜崇鵬

摘 要：該文主要從工廠實際中遇到的問題出發，研究焊接技術中的一種常用方法，即CO2氣體保護焊在薄襯里焊接中的推廣應用。通過反復地調研與試驗，文章中介紹了具體的試驗情況以及試驗后所得的一些感悟，從而為讀者自行利用氣體保護焊對于薄件及超薄件焊接提供參考。

關鍵詞：氣體保護焊 穿孔 薄板

中圖分類號：TG444.72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（b）-0058-02

1 實驗背景

榆林某化工廠造氣車間對裂化氣進行氫變換時，采用中溫變換和低溫變換兩種過程進行。低溫變換時的溫度大約在150 ℃～240 ℃，壓力大約在3 Mpa左右，該反應在低變爐內進行。該廠造氣車間原有幾套低變系統，系統中使用的低變爐的尺寸為：爐體直徑3 200 mm，殼體長度6 300 mm，壁厚46 mm，爐體所用為材料16 MnR（相當于Q345R）。爐內直接裝有觸媒，變換氣在其中發生氫變換反應，爐體外殼用保溫材料保溫。

2013年為擴大合成氨產能，確定新增一臺低變爐。在工藝條件相同的情況下，設計單位按新標準設計時，只能采用15CrMo鋼板作為殼體材料，導致制造費用大大增加。最后經協商，殼體材料仍采用Q345R，但須在低變爐內內襯一定厚度的保溫材料，保溫材料表面用1 mm厚的不銹鋼板作為襯里。而且爐內上半部分襯里的焊縫要連續焊，不能漏氣，下半部分的襯里可以采用斷續焊的方法進行焊接。

設備安裝就位且在爐內內襯了保溫材料后，工廠就開始了不銹鋼鋼板襯里的安裝工作。安裝工藝是：根據內襯保溫層表面形狀下料。上下封頭處的襯里采用瓜瓣形式下料，組裝時鋼板采用搭接的方法組對，用氬弧焊點固及焊接。按照工藝要求，鉚工僅用了一個星期時間，順利完成了不銹鋼襯里的組對和點固任務。

但是搭接焊接時出現了問題：焊接過程中，盡管焊接電流調整得很小，但只要焊槍沿焊道移動，就出現穿孔問題，無法焊縫成形。可見雖然氬弧焊有熱輸入量小、焊接電流小、熔池易于控制等優點，但用氬弧焊焊接方法不能完成此任務。

2 原因分析

（1）操作規程是否到位：反復嘗試后，排除操作過程的不規范、技藝有缺陷等問題。

（2）焊接方法是否科學：經過實驗比對，普通電弧焊對于1 mm厚的鋼板來說，由于不能形成穩定熔池，不能保證焊接質量。而氬弧焊由于電弧電壓只有焊條電弧焊的一半，在同樣的焊接電流時（焊接電流決定著能否焊透），熱量輸入較小，因而適用于薄板的焊接。可以從設備襯板的順利組裝、點固加以佐證。

（3）焊縫成形困難原因：經過查找資料，可能有如下原因：鋼板太薄，導熱性差，熱量不易傳導出去，接頭處過熱，導致焊穿；由于襯板材料是不銹鋼，不銹鋼板的熱導率僅為碳鋼板的1/3，相同條件下不銹鋼板更易焊穿；襯板外側貼有保溫材料，阻擋熱量從焊縫背面發散，導致出現穿孔現象。

綜合上述分析，焊接材質及結構影響了焊接成型的過程，因此應從焊接方法上進行改進。

3 問題解決

調查發現該廠現有埋弧自動焊、焊條電弧焊、鎢極氬弧焊和CO2氣體保護焊。

CO2氣體保護焊是利用CO2氣作為保護氣體的一種熔化極氣體保護焊接方法。由于CO2比空氣重，因此從噴嘴噴出的CO2氣體可以在電弧區形成有效的保護層，防止空氣進入熔池；CO2焊根據焊絲直徑不同可分為細絲CO2焊（焊絲直徑≤1.2 mm）及粗絲CO2焊（焊絲直徑≥1.6 mm），由于細絲CO2焊的工藝比較成熟，因此應用最為廣泛。CO2氣體保護焊的特點：生產率高、成本低，焊接變形和應力小，焊縫質量高，操作簡單，但是飛濺較大，弧光較強，很難用交流電源焊接，焊接設備比較復雜，在風速大于2 m/s 時不易施焊。

CO2焊時，焊絲既作為填充材料又作為電弧的一個電極，其端部在焊接過程中不斷受熱熔化、形成熔滴并陸續脫離焊絲過渡到熔池中去。而熔滴過渡形式主要有兩種，一種是短路過渡，另一種是粗滴過渡（噴射過渡是很難出現的）。當CO2焊采用細絲時，一般都是短路過渡，短路頻率很高，每秒可達幾十次到一百多次。每次短路完成一次熔滴過渡。而在粗絲CO2焊時，往往是以粗滴過渡的形式出現，因此飛濺較大，焊縫成形也差些，但由于電流比較大，所以電流穿透力強，母材熔深大，這對中厚板的焊接是有利的。

CO2氣體保護焊與氬弧焊兩種焊接方法相比有以下異同點：都是采用氣體對焊接過程的熔池進行保護；鎢極氬弧焊時電極不熔化，焊接過程可采用加填焊絲或不加填焊絲的方法焊接，CO2氣體保護焊焊絲既作為電極又作為填充金屬熔化進入焊縫；氬弧焊的氬氣是單原子惰性氣體，CO2氣體保護焊的氣體是以分子的形式存在而且是比較活躍的氣體。由于兩種氣體的性質差別，對焊接電弧及焊縫的影響也不同。二氧化碳氣體作為保護氣體對焊接電弧有很強的冷卻作用，使得電弧受到壓縮而熱量集中，帶來的結果就是熔池小、熱影響區窄、焊后變形小。同時當二氧化碳氣體從焊縫表面向四周擴散時，也會帶走大量的熱量，有助于焊縫迅速凝固。通過資料論證，由于CO2氣體保護焊電流可以進行大范圍調節，因此主要用于焊接厚板及角焊縫，企業未進行薄板焊接實驗，在排除其他焊接方法后，決定利用CO2氣體保護焊進行嘗試。

在經過工藝討論后，首先在厚度為1 mm的碳鋼板上焊接，采用和實際襯里相同的搭接焊縫形式進行試焊，但焊接時采用平焊。將電流調至70 A、電壓調至18 V進行試焊，此時焊縫成型順利，未發生焊穿現象。此后將電流調至80 A、電壓調至18.5 V進行試焊，焊縫成型效果良好。薄碳鋼板試焊成功后即改變采用不銹鋼進行了試驗，也取得了較為滿意的效果。隨即開始了低變爐襯里焊縫的CO2氣體保護焊焊接。當然，試驗時焊縫處于平焊位置，實際襯里的焊縫各種位置都有，大大增加了焊接難度。如立焊縫的焊接，焊接時都是由下向上焊接，此時發現：若電流大時，鐵水下墜形成焊瘤，且多燒穿；電流小，母材不能和焊肉很好地熔合，造成未熔合、焊肉不連續等缺陷。遂改變焊接方法，由上向下焊，電流85 A，電壓19 V，焊槍左右夾角90°，槍頭向上與未焊的焊縫夾角60°～80°，以較快速度試焊，得到了很好的立焊縫。經過多次試驗，對于不同的焊接位置，獲得了一些相應的焊接工藝參數。焊接電壓選擇在17～19 V、焊接電流為60～90 A， CO2氣體保護焊在這種條件下可以較理想地實現搭接縫焊接。最后，只用5 d，即順利完成了該襯板的焊接任務。

4 結語

通過這次用CO2氣體保護焊焊接厚度為1 mm的不銹鋼薄鋼板的嘗試，增加和擴展了CO2氣體保護焊在該單位的使用范圍，使機動處員工對CO2氣體保護焊的工藝特性及試驗方法有了更加深入的認識。由于筆者第一次幫助企業完成實際工作任務，因此，也鼓勵了筆者繼續參與校企合作，更好地增加自身對于焊接工藝方法的鉆研學習。

參考文獻

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