Q345钢CO2气体保护焊焊接工艺的评定.docx

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Q345钢CO2气体保护焊焊接工艺的评定

Q345钢CO2气体保护焊焊接工艺的评定

摘要

本文以Q345钢的CO2气体保护焊的工艺为例对其进行了分析与研究。

Q345钢综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低压力容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构。

热轧或正火状态使用，可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。

二氧化碳气体保护焊目前已发展成为一种重要的熔焊方法，具有成本低、效率高、操作灵活等特点。

广泛应用于汽车、工程机械、造船业、机车、电梯、锅炉压力容器等制造业，以及各种金属结构和金属加工机械的生产。

首先分析了Q345钢的焊接性，其次对CO2气体保护焊特点和工艺的进行了分析，从而确定了Q345钢的CO2气体保护焊焊接工艺。

通过工艺参数的优化选择，不仅能减少焊接过程中的常见问题，而且有效减少焊接缺陷的出现，并能提高生产效率，节约生产成本。

关键词：

Q345钢，CO2气体保护焊，工艺，焊接缺陷

1.Q345钢的焊接特点……..........................................................…CO2气体保护焊简介…………………….........................................…

2.CO2气体保护焊发展史……………………...............................…

3.CO2气体保护焊特点……......................………………..………..

4.CO2气体保护焊冶金原理……..................................................…

5.CO2气体保护焊的熔滴过渡形式…..............................................7

6.第2章CO2气体保护焊工艺………………..............................………

7.焊前准备..…….......................................………………………………

8.坡口设计….........................................................................…

9.坡口加工方法与原理…......................................................……

10.定位焊缝…….........................................................................

11.焊接参数的选择……….............................................................……..

12.焊丝直径的选择……………................…………………………

13.焊接电流的选择………..…...................………………………..

14.电弧电压的选择……….………...............………………………

15.焊接速度的选择…………..…………..................................…

16.焊丝伸出长度的选择….....................................................……

17.电流极性的选择……............................................................…

18.气体流量的选择…............................................................……

19.第3章Q345钢在CO2气体保护焊时常见问题及对策…....….…

20.焊接裂纹..…………………………...................……….…..…….……

21.冷裂纹………………………………..................................………

22.其它裂纹…………………………….............................…….……

23.气孔……………………...….................................................…..……

24.N2气孔…...........................................................................……

25.H2气孔…............................................................................……

26.CO气孔…...........................................................................……

27.焊接飞溅…......................................................................................

28.飞溅产生原因…...............................................................……

29.减少飞溅的方法…............................................................……

30.第4章Q345钢工艺评定的目的和方法…...................

31.Q345钢工艺评定的规程..........................................………………

32.工艺规程的实施过程.................................................................................

33.Q345钢筒体制造装配工艺过程卡….............................................................................

34.Q345钢筒体焊接工艺卡…...........................................................

35.结论...................................................................................................

36.谢辞.................................................................................................

37.参考文献........................................................................................

前言

随着改革开放的突飞猛进和社会主义现代化建设的日新月异，我们对焊接技术提出了更高的要求。

在上世纪最后十年间，焊接技术在我国国民经济建设各个领域的应用在广度和深度方面均产生了质的飞跃，呈现出新的群雄并存，共同繁荣的新格局；焊接机械化自动化水品也不断提高，具有高参数，高寿命，大型化，超微细等特征的焊接制品不断出现，焊接结构设计革新程度迅速提升；焊接新工艺，新方法投入生产实际，应用周期大为缩短；高效优质焊接材料，焊接设备系列化和国产化均盘上新台阶。

Q345钢的主要组成元素是增加了V、Ti、Nb微量合金元素。

少量的V、Ti、Nb合金元素能细化晶粒，提高钢的韧性，钢的综合机械性能得到较大提高。

也正因为如此，钢板的厚度才可以做得更大一些。

因此，Q345钢的综合机械性能好，特别是它的低温性能更好。

二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。

在应用方面操作简单，适合自动焊和全方位焊接。

在焊接时不能有风，适合室内作业。

由于它成本低，二氧化碳气体易生产，广泛应用于各大小企业。

二氧化碳气体保护电弧焊（简称CO2焊）的保护气体是二氧化碳（有时采用CO2＋Ar的混合气体）。

由于二氧化碳气体的热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断。

因此，与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。

但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。

由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头。

因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一。

Q345钢的广泛应用，以及其较好的焊接性。

而CO2气体保护电弧焊可以焊接可焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金。

也可以用于钛及铁合金的焊接。

但在焊接钛及钛合金时，需对焊缝正面及反面进行良好的气体保护。

但不宜焊接的金属低熔点金属如：

铝、锡、锌等不能使用CO2气体保护焊。

包括被以上低熔金属涂覆过的钢结构焊件。

以及CO2气体保护焊成本低，效率高，操作灵活的优点。

所以，Q345钢的CO2气体保护焊的焊接工艺也显得尤为重要。

一Q345钢简介

（一）Q345钢的应用与分类

Q345钢是一种优质的低合金高强钢（C<0.2%），广泛应用于桥梁、车辆、船舶、压力容器等。

Q代表的是这种材质的屈服，后面的345Mpa，就是指这种材质的屈服值，在345Mpa左右。

并随着材质的厚度的增加而使其屈服值减少。

类同于Q235的命名方法。

Q345A，Q345B，Q345C，Q345D，Q345E。

这是等级的区分，所代表的，主要是冲击的温度有所不同而已。

Q345A级，是不做冲击；Q345B级，是20℃常温冲击；Q345C级，是0℃冲击；Q345D级，是－20℃冲击；Q345E级，是－40℃冲击。

在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。

在板材里，属低合金系列。

在低合金的材质里，此种材质为最普通的。

Q345化学成分及力学性能分析

Q345力学性能分析见表

表1-1Q345力学性能分析表

（二）Q345钢的焊接特点

1．碳当量（Ceq）的计算Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（1-1）按以上公式计算出材料的碳当量为0.39。

由计算结果可知,试验用钢的淬硬倾向不大，焊接性优良，焊接时可不预热。

2．Q345钢在焊接时易出现的问题

（1）热影响区的淬硬倾向Q345钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织—马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。

结果导致焊后发生裂纹。

（2）冷裂纹敏感性Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。

CO2气体保护焊简介

CO2气体保护焊发展史CO2气体保护焊是利用CO2气体为保护气体的保护电弧焊，简称CO2焊。

CO2=CO﹢1／2O2放热反应，上式反应有利于对熔池的冷却作用。

焊接技术发展与金属结构制造状况密不可分。

50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，在焊接技术发展史上书写了辉煌的一页。

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，并可以总结为三个阶段：

探索阶段、起步阶段、发展阶段。

探索阶段是从60年代到80年代中期，国内高校、研究单位及一些厂矿企业对CO2焊接技术外于研究、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。

起步阶段是从80年代中期到90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。

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90年代初至今的近十年时间，自1992年中国焊接协会和中国机械工程学会焊接分会联合举办“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。

。

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

二CO2气体保护焊简介

（一）CO2气体保护焊特点

1．优点：

（1）生产效率高和节省能量。

（2）焊接成本低。

（3）焊接变形小。

（4）对油、锈的敏感度较低。

（5）焊缝中含氢量少，提高了低合金高强度钢抗冷裂纹力。

（6）电弧可见性好，短路过渡可用于全位置焊接。

缺点：

（1）焊接过程飞溅较多，焊缝外形较为粗糙，特别是当焊接参数不匹配时，飞溅就更为严重。

（2）不能焊接易氧化的金属材料，且不适合在有风的地方施焊。

（3）焊接过程弧光较强，尤其是采用大电流焊接时，电弧的辐射较强，故要特别重视对操作者的劳动保护。

（4）设备比较复杂，易出现故障，且需要专业人员负责维修。

CO2气体保护焊冶金原理

在进行焊接时，电弧空间同时存在CO2、CO、O2和O原子等几种气体，其中CO不与液态金属发生任何反应，而CO2、O2、O原子却能与液态金属发生如下反应：

Fe+CO2→FeO+CO（进入大气中）Fe+O→FeO（进入熔渣中）C+O→CO（进入大气中）

CO气孔问题：

由上述反应式可知，CO2和O2对Fe和C都具有氧化作用，生成的FeO一部分进入渣中，另一部分进入液态金属中，这时FeO能够被液态金属中的C所还原，反应式为：

FeO+C→Fe+CO，这时所生成的CO一部分通过沸腾散发到大气中去，另一部分则来不及逸出，滞留在焊缝中形成气孔。

针对上述冶金反应，为了解决CO气孔问题，需使用焊丝中加入含Si和Mn的低碳钢焊丝，这时熔池中的FeO将被Si、Mn还原：

2FeO+Si→2Fe+SiO2（进入渣中）FeO+Mn→Fe+MnO（进入渣中）反应物SiO2、MnO它们将生成FeO和Mn的硅酸盐浮出熔渣表面，另一方面，液态金属含C量较高，易产生CO气孔，所以应降低焊丝中的含C量，通常不超过0.1％。

氢气孔问题：

焊接时，工件表面及焊丝含有油及铁锈，或CO气体中含有较多的水分，但是在CO2保护焊时，由于CO2具有较强的氧化性，在焊缝中不易产生氢气孔。

（二）CO2焊的熔滴过渡形式

1．短路过渡：

细丝（焊丝直径小于1.2mm），以小电流、低电弧电压进行焊接。

2．射滴过渡：

中丝（焊丝直径1.6~2.4mm），以大电流、高电弧电压进行焊接。

3．射流过渡：

粗丝（焊丝直径为2.4~5mm），以大电流、低电弧电压进行焊接。

三CO2气体保护焊工艺

（一）焊前准备焊

前准备工作包括坡口设计、坡口加工、清理、焊件装配等。

（二）坡口设计

CO2气体保护焊采用细颗粒过渡时，电弧穿透力较大，熔深较大，容易烧穿焊件，所以对装配质量要求较严格。

坡口开得要小一些，钝边适当大些，对间隙不能超过2mm。

如果用直径1.6mm的焊丝钝边可留4~6mm，坡口角度可减小到45°左右。

板厚在12mm以下开I形坡口；大于12mm的板材可以开较小的坡口。

但是，坡口角度过小易形成“梨”形熔深，在焊缝中心可能产生裂纹。

尤其在焊接厚板时，由于拘束应力大，这种倾向更大，必须十分注意。

CO2气体保护焊采用短路过渡时熔深浅，不能按细颗粒过渡方法设计坡口。

通常允许较小的钝边，甚至可以不留钝边。

又因为这时的熔池较小，熔化金属温度低、粘度大，搭桥性良好，所以间隙大些会烧穿。

如果对接接头，允许间隙为3mm。

要求较高时，装配间隙应小于3mm。

采用细颗粒过渡焊接角焊缝时，考虑到熔深大的特点，其焊角尺寸K可以比焊条电弧焊时减少10%~20%，见表2-1。

因此，可以进一步提高气体保护焊的效率，减少材料的消耗。

（三）坡口加工方法与清理

坡口加工方法主要有机械加工、气割和碳弧气刨等。

CO2气体保护焊时对坡口精度的要求比焊条电弧焊高。

定位焊之前应将待焊部位及两侧10~20mm范围内的油污、锈迹等污物,并在焊件表面涂上一层飞溅防粘剂,在喷嘴上涂一层喷嘴防堵剂。

6mm以下薄板上的氧化膜对质量几乎无影响；焊厚板时，氧化皮能影响电弧稳定性、恶化焊缝成形和生成气孔。

不同板厚的焊角尺寸

（四）定位焊缝

定位焊是为了防止变形和维持预先的破口而先进行的点固焊。

定位焊易生成气孔和夹渣。

也是随后进行CO2气体保护焊时产生气孔和夹渣的主要原因，所以必须认真地焊接定位焊缝。

定位焊可采用CO2气体保护焊和焊条电弧焊。

用焊条电弧焊焊接的定位焊缝，如果渣清除不净，会引起电弧不稳和产生缺陷。

定位焊缝的定位也很重要，应尽可能的使定位焊缝分布在焊缝的背面。

当背面难以焊接时，可在正面焊一条短焊缝。

焊接时此处就不要再焊了。

定位焊缝的长度和间距，应根据焊件厚度决定。

薄板的定位焊缝应细而短，长度为15~50mm，间距为30~150mm；中厚板的定位焊缝间距可达100~150mm。

为增加定位焊缝的焊接深度，应适当增大定位焊缝及其长度，一般为15~50mm长。

使用夹具定位焊时，应考虑磁偏吹问题。

因此，夹具的材质、形状、位置和焊接方向应注意。

（五）焊接参数的选择

CO2气体保护焊的焊接参数较多，主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝干伸长度、电流极性和气体流量等。

1焊丝直径的选择

对于钢板厚度为1~4mm时，应采用直径为0.6~1.2mm的焊丝；当钢板厚度大于4mm时，应采用直径大于或等于1.6mm的焊丝。

在电流相同时，熔深将随焊丝直径的减少而增加；焊丝越细，则焊丝熔化速度越高。

焊丝直径可根据表2-2选择。

表2-2焊丝直径的选择

注：

焊丝直径常用规格有0.6，0.8，1.0，1.2，1.6mm等。

2.焊接电流的选择

1．在保证母材焊透又不致烧穿的原则下，应根据母材厚度，接头形式焊接位置及焊丝直径正确选用焊接电流。

2．焊接电流是确定熔深的主要因素。

随着电流的增加，熔深和熔敷度都要增加，熔宽也略有增加。

3．送丝速度越快，焊接电流越大，基本上是正比关系。

4．焊接电流过大时，会造成熔池过大，焊缝成形恶化。

5．各种直径的焊丝常用的焊接电流范围见表

6．立焊，仰焊及对接接头横焊表面焊道时，当所用焊丝直径1.0mm时，应选用较小的焊接电流。

见表2-5。

表2-5立、仰焊接时电流选择

3.电弧电压的选择

为获得良好的工艺性能，应选择最佳的电弧电压，该值是一个很窄的电压区间，一般仅为1~2V左右。

最佳的电弧电压与电流的大小，位置等因素有关。

可参见表2-6。

表2-6不同焊接时电弧电压的选择

1．随电弧电压的增加，熔宽明显增加，而余高和熔深略有减少，焊缝机械性能有所降低。

2．电弧电压过高，会产生焊缝气孔和增加飞溅。

电弧电压过低，焊丝将插入熔池，电弧不稳，影响焊缝形成。

4.焊接速度的选择

1．焊接速度过高，会破坏气体保护效果，焊缝成形不良，焊缝冷却过快，导致降低焊缝塑性，韧性。

焊接速度过低易使焊缝烧穿，形成粗大焊缝组织。

2．半自动焊接时，焊接速度一般不超过30米/时。

4．一般认为焊丝伸出长度为焊丝的10~15倍。

细丝时（焊丝直径1.2mm），焊丝伸出长度以8~15mm为宜，粗丝时，在15~25mm之间。

为减少飞溅，尽量使焊丝伸出长度少些，但随焊接电流的增大，其伸出长度应适当增加。

电流极性的选择

CO2气体保护焊主要采用直流反接法。

不同极性接法的应用范围及特点见表2-7。

表2-7电流极性的应用范围及特点

5.气体流量的选择

1．气体流量直接影响气体保护效果。

气体流量过小时，焊缝易产生气孔等缺陷气体流量过大时，不仅浪费气体，而且焊缝由于氧化性增强而形成氧化皮，降低焊缝质量。

2．气体流量应根据焊接电流，焊接速度，焊丝伸出长度，喷嘴直径，焊接位置等因素考虑。

当焊接电流越大，焊接速度越快，焊丝伸出长度较长，喷嘴直径增大，室外焊接及仰焊位置时，应采用较大的气体流量。

3．当焊丝直径小于或等于1.2mm时，气体流量一般为6~15升/分；焊丝直径大于1.2mm时，气体流量应取15~25升/分。

三Q345钢在CO2气保焊时常见缺陷及对策

（一）焊接裂纹

焊接缺陷是焊接件中最常见的一种严重缺陷。

金属的焊接性中包括了两大类的问题：

一类是焊接引起的材料性能变坏，使焊件失掉了材料原来特有的性能，如不锈钢焊后失掉其耐蚀性等；另一类是在焊接接头或其附近的母材内产生裂纹和气孔等缺陷。

裂纹影响焊接件的安全使用，是一种非常危险的工艺缺陷。

焊接裂纹不仅发生于焊接过程中，有的还有一定潜伏期，有的则产生于焊后的再次加热过程中。

焊接裂纹根据其部位、尺寸、形成原因和机理的不同，可以有不同的分类方法。

按裂纹形成的条件，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等四类。

Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。

（二）冷裂纹

Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。

根据引起的主要原因可分为淬火裂纹、氢致延迟裂纹和变形裂纹。

1．定义冷裂纹焊接接头冷却到较低温度时（对于钢来说在MS温度，即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下）产生的焊接裂纹。

最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹-------因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。

2．产生原因

（1）焊接接头存在淬硬组织，性能脆化。

（2）扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成17/38大量氢分子，造成非常大的局部压力。

（氢是诱发延迟裂纹的最活跃因素，故有人将延迟裂纹又称氢致裂纹）。

3）存在较大的焊接拉应力。

3．预防措施

（1）选用碱性焊条，减少焊缝金属中氢含量、提高焊缝金属塑性。

（2）减少氢来源枣焊材要烘干，接头要清洁（无油、无锈、无水）。

（3）避免产生淬硬组织枣焊前预热、焊后缓冷（可以降低焊后冷却速度）。

（4）降低焊接应力枣采用合理的工艺规范，焊后热处理等。

（5）焊后立即进行消氢处理（即加热到250℃，保温2~6h左右，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。

（三）其它裂纹

1．热裂纹多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界（见界面）分布的特征；但有时也能在低于固相线的温度下，沿“多边形化边界”形成。

热裂纹通常多产生于焊缝金属内，但也可能形成在焊接熔合线附近的被焊金属（母材）内。

按其形成过程的特点，又可分为下述三种情况。

（1）结晶裂纹产生于焊缝金属结晶过程末期的“脆性温度”区间，此时晶粒间存在着薄的液相层，因而金属塑性极低，由冷却的不均匀收缩而产生的拉伸变形超过了允许值时，即沿晶界液层开裂。

消除结晶裂纹的主要冶金措施为通过调整成分，细化晶粒，严格控制形成低熔点共晶的杂质元素等，以达到提高材料在脆性