二氧化碳氣體保護焊在井架安裝工程中的應用研究

袁士杰，蘇南丁

(1.平煤神馬建工集團有限公司安裝處， 河南 平頂山市 467000；2.河南省煤炭科學研究院有限公司， 河南 鄭州 454000)

二氧化碳氣體保護焊在井架安裝工程中的應用研究

袁士杰1，蘇南丁2

(1.平煤神馬建工集團有限公司安裝處， 河南 平頂山市 467000；2.河南省煤炭科學研究院有限公司， 河南 鄭州 454000)

二氧化碳氣體保護焊焊接技術以其焊接效率高、焊接質量好、低成本、低能耗、經濟效益好等優點廣泛應用于各種焊接工程。介紹了二氧化碳氣體保護焊的工作原理及技術特點；然后以平煤建工集團安裝處第四項目部井架安裝工程為背景，通過理論分析、現場試驗的研究方法，確定了二氧化碳氣體保護焊在大型鋼結構施工中的工藝參數以及技術措施，工程實踐表明：與焊條電弧焊相比，二氧化碳氣體保護焊可明顯縮短工作時間，提高產品質量和勞動效率，節約生產成本，具有較高的應用和推廣價值。

二氧化碳氣體；保護焊；鋼結構；井架安裝

0 引 言

二氧化碳氣體保護焊起源于20世紀50年代，我國于20世紀60年代開始批量生產二氧化碳焊機，并開始推廣應用該項技術[1-4]。二氧化碳氣體保護焊的出現和發展對于傳統的手工焊條電弧焊來說，堪稱一次技術革命，它以速度快、操作方便、焊接質量高、適用范圍廣和低成本等諸多優勢，目前已發展成為一種重要的熔焊方法，在工程結構中尤其是鋼結構中的應用范圍也日益擴大[5-9]。

平煤神馬建工集團有限公司安裝處屬于國家一級總承包資質機電安裝施工企業，每年都要承擔眾多大型鋼結構制作安裝工程，例如加工大型非標準件煤礦鋼結構井架、煤礦用型鋼井筒及配套井筒裝備安裝等。而焊接則是鋼結構制作生產以及安裝過程的一個關鍵環節，是影響建安工程質量、成本、進度的關鍵工作，在工程中的作用十分重要。因此，目前平煤建工集團安裝處也在積極推廣二氧化碳氣體保護焊技術，并全面應用于型鋼井架加工中，以代替企業現有的手工焊條電弧焊技術，實現加工及組裝過程焊接半自動化，探索施工現場大型鋼結構加工高效率、高質量、低成本、低能耗的生產方式，目前已取得了良好的經濟效益和社會效益。

1 二氧化碳氣體保護焊技術

1.1 技術原理

二氧化碳氣體保護焊是利用二氧化碳為保護氣體的一種熔化極氣體保護焊接方法，由于二氧化碳氣體比空氣重，因此從噴嘴中噴出的氣體可以在電弧區形成有效的保護層，防止空氣進入熔池，消除空氣中氮的有害影響。熔化電極(焊絲)通過送絲滾輪不斷地送進，與工件之間產生電弧，在電弧熱的作用下，熔化焊絲與工件形成熔池，隨著焊槍的移動，熔池凝固形成焊縫[10-11]。二氧化碳氣體保護焊機技術原理見圖1。

圖1 二氧化碳氣體保護焊技術原理

1.2 與傳統焊條電弧焊的優缺點對比

傳統焊條電弧焊工作原理：焊條與焊件在電弧熱的作用下，局部被加熱到融化狀態，焊條端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池。隨著電弧向前移動，熔池液態金屬逐步冷卻結晶，形成焊縫。

比較而言，二氧化碳氣體保護焊具有如下優點[12-14]：

(1) 焊接速度快。單位時間內熔化焊絲比手工電弧焊快一倍。

(2) 焊接質量好。對鐵銹不敏感，焊縫含氫量低，抗裂性能好，受熱變形小，且無焊渣。

(3) 可弧性能好。能量集中，引弧容易，連續送絲電弧不中斷。

(4) 熔深大。熔深是手弧焊的3倍，坡口加工小。

(5) 熔敷效率高。手弧焊焊條熔敷效率是60%，二氧化碳焊焊絲熔敷效率是90%。

(6) 穿透能力強，焊接電流密度大(100～300 A/m)，變形小，生產效率高。

(7) 殘余應力小，電弧焊殘余應力大，易產生變形。

(8) 焊縫連續，引弧點少，電弧焊引弧點多，易產生熔透、裂紋等現象。

二氧化碳氣體保護焊缺點[15-16]：

(1) 不適宜大風天氣操作，野外作業時需要有防風措施。

(2) 不能焊接易氧化的有色金屬。

(3) 弧光強，焊接時需注意加強勞動保護。

2 工程實踐及應用效果分析

以平煤神馬建工集團有限公司安裝處第四項目部平煤股份天安二礦三水平進風井井架安裝工程為工程背景，將二氧化碳氣體保護焊焊接技術應用于該項安裝工程，對比分析二氧化碳氣體保護焊技術的應用效果。

2.1 實踐應用技術分析

該工程為室外大型鋼結構井架安裝工程，采用二氧化碳氣體保護焊機焊接時面臨著一些技術挑戰[17-18]：野外作業，對施工環境要求相對較高，需采取防護措施；該安裝工程焊接為箱體焊接，焊縫為長焊縫，需克服焊接變形困難；不同焊接角度(仰角焊接、平行焊接和立縫焊接)時的焊接參數(焊接電流、電壓、出絲速度、噴氣流速等)。只有解決好以上技術問題，制定出完整的技術體系指標，才能保證全方位二氧化碳氣體保護焊機的焊接質量。

為解決以上技術問題，在本項目部基地正式安裝工程開始前，采用表1中的試驗設備及材料，通過反復試驗對比，分析總結滿足質量要求的二氧化碳焊接工藝參數及技術措施。

2.1.1 工藝參數

采用純度較高的二氧化碳氣體，氣瓶中的壓力降到1 MPa時，應停止用氣，二氧化碳氣體流量的控制范圍應取15～25 L/min。焊槍傾角為10°～15°，焊絲伸出長度為10～20 mm。噴嘴與焊件的距離：當電流<200 A時，焊嘴距離為10～15 mm；當電流為200～350 A時，焊嘴距離為15～20 mm；當電流為350～500 A時，焊嘴距離為20～25 mm。

表1 試驗設備及材料

2.1.2 野外施工防風措施

在施工現場焊接時應做好防風措施，自建簡易防風墻，形成相對封閉的焊接環境，其次調整井架對接焊口平整度，架空焊接，使焊工焊接仰角焊縫時能夠采用直立后退法進行焊接；同時監控二氧化碳氣體純度，以滿足焊接需求。

2.1.3 不同角度焊接技術措施

(1) 仰角焊接。仰角焊接是幾種基本焊接位置中最困難的一種。由于仰焊時，形成的熔池位于焊件下方，熔池金屬由于自重而下墜，因此，仰焊時背面易形成凹陷，正面易出現過度焊瘤[19-20]。采用二氧化碳氣保焊機進行仰焊時，為保證焊接質量，應采用遞增法疊壓焊接：第一步為打底焊，采用直線法快速焊接，使板材迅速連接，焊接電流為130～180 A，焊接電壓為19～24 V；焊接方向夾角為70°～80°；第二步為填充焊。采取橫向小幅度擺動的方法，依次疊加覆蓋進行焊接，逐層補充，直到焊縫填充完畢。填充焊焊絲與焊接方向的夾角為85°～90°，焊接電流為120～150 A，焊接電壓為19～23 V；第三步為蓋面焊。操作方法與填充焊基本相同，但應注意坡口焊接處理，當焊條擺動到坡口邊緣時，要稍微做停頓，以坡口邊緣融化1～2 mm為準，以防咬邊，使焊縫表面平整。

(2) 平行焊接技術措施。平焊焊接宜采用鋸齒形小幅度擺動的方式進行焊接，焊道采用疊壓法逐層補充焊接，第一道打底焊時，電弧始終在坡口內做小幅度橫向擺動，并在坡口兩側稍作停頓，使熔孔深入坡口兩側各0.5～1 mm；焊接以板厚12 mm焊絲直徑為Ф1.2 mm為例，根部間隙在0～1.2 mm，電流控制在420～480 A之間，電壓控制在38～41 V之間，速度控制在40～50 cm/min，導電嘴與工件之間的距離為20～25 mm之間，氣體流量為20 L/min。

(3) 全位置焊接技術措施。二氧化碳氣體保護焊全位置焊接技術，由于水平固定全位置焊接難度較大，要求焊工水平較高。坡口加工時，采用上進焊接法，第一層焊接時電流控制在100～140 A之間，電壓控制在18～22 V之間，速度控制在20～35 cm/min；第二層焊接時電流控制在120～160 A之間，電壓控制在19～23 V之間，速度控制在20～35 cm/min。

2.2 應用效果分析

以平煤股份二礦三水平井架箱體斜架仰焊縫對接為例，二氧化碳焊采用Φ1.2 mm焊絲、手工焊采用4 mm焊條，鋼板厚度為20 mm，Q235鋼板，采用550 V型焊接坡口，100%探傷，焊縫長度1 m，焊接時間：二氧化碳焊為76 min，焊條為248 min。二氧化碳焊需要焊絲1.25 kg，手工焊需要焊條1.9 kg，以市場價7.5元每公斤計算，每米焊縫節約焊材成本4.875元。二氧化碳焊熔敷速度約為3～5 kg/h,是焊條的1～2.25倍。二氧化碳焊電流密度為100～300 A/mm2, 焊條電流密度為10～25 A/mm2, 二氧化碳焊可產生高于10倍左右的單位電流密度。電弧熱量集中，不需要為熔化藥皮消耗能量，熔化系數比焊條大1～3倍。二氧化碳焊接無渣，無需清渣，打磨，清坡口和換焊條，減少焊工勞動強度，焊縫成形好，熔深大。二氧化碳焊的輔助時間為焊條輔助時間的50%。二氧化碳焊一次探傷合格率達到100%，而采用焊條電弧焊，一次探傷合格率遠高于手工焊。

3 結 論

通過對手工焊條電弧焊與二氧化碳氣體保護焊的技術特點分析，可以清晰的比較出使用二氧化碳氣保護焊能實現自動化焊接，進行焊接加工可以縮短工作時間，提高產品質量，提高勞動效率，節約生產成本，更有利于標準化生產加工，通過工藝參數的優化選擇，不僅能減少焊接過程中的常見問題，而且可有效減少焊接缺陷的出現，有效避免因為焊接因素影響到產品質量，具有較高的應用價值和推廣價值。

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2017-02-21)

袁士杰(1988-)，男，河南平頂山人， 助理工程師，碩士，主要從事大型機械設備安裝工作，Email：276662913@qq.com。