藥芯焊絲氣保焊(簡稱FCAW-G)是一種應(yīng)用非常廣泛的焊接工藝。它廣泛應(yīng)用于重型制造、建筑、造船、海上設(shè)施等行業(yè)中低碳鋼、低合金鋼和其它各種合金材料的焊接。FCAW-G焊接工藝經(jīng)常采用100%的純CO2或者75%~80%的Ar和20%~25%的CO2混合氣體作為保護(hù)氣。

那么在實施藥芯焊絲氣保焊時,究竟該選擇哪一種保護(hù)氣,CO2還是Ar/CO2混合氣呢?每種類型的保護(hù)氣都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。選擇焊接保護(hù)氣的時候,要重點(diǎn)考慮成本、質(zhì)量、生產(chǎn)率等因素。有時候保護(hù)氣的選擇和這些因素是相矛盾的。本文主要闡述了FCAW-G在焊接鋼材中兩種基本保護(hù)氣選擇的優(yōu)缺點(diǎn)。

在具體討論保護(hù)氣選擇利弊之前, 最好回顧一些基本知識。需要說明的是本文只是討論少數(shù)幾種保護(hù)氣。更全面的介紹,請參考ANSI/AWSA5.32/ A5.32M,焊接保護(hù)氣規(guī)范中具體規(guī)定了保護(hù)氣的技術(shù)要求,包括試驗、包裝、鑒定、驗收等方面。此外,它還包括焊接過程中通風(fēng)透氣等一些有用信息,全面考慮安全要求。

保護(hù)氣工作原理

所有保護(hù)氣的一個主要作用是隔絕空氣中氧氣、氮?dú)夂退魵?保護(hù)焊接熔池和電極。保護(hù)氣通過焊槍進(jìn)入,從焊嘴噴出,包圍在電極的四周, 置換掉電極四周的空氣,在熔池和電弧四周形成一個臨時的保護(hù)氣罩。CO2 氣體和Ar/CO2混合氣都能實現(xiàn)這個目的。

這些保護(hù)氣促進(jìn)了電弧等離子區(qū)的形成,電弧等離子區(qū)是焊接電弧的電流通道。保護(hù)氣類型也影響著電弧熱的傳導(dǎo)以及在熔池上施加電弧力大小。在這些問題上,CO2和Ar/CO2混合氣的表現(xiàn)并不相同。

保護(hù)氣的特點(diǎn)

CO2和Ar在電弧熱中的反應(yīng)各異。分析這些差異能幫助了解每種氣體的特性是如何影響焊接工藝和焊接熔敷的。

電離電勢。電離電勢是氣體電離所需能量的大小(比如,將氣體轉(zhuǎn)換成帶電的離子狀態(tài)),使氣體能夠?qū)щ?。電離電勢越低,電弧越輕易引燃并保持穩(wěn)定。CO2的電離電勢為14.4eV, Ar的電離電勢為15.7eV。因此,CO2保護(hù)氣比Ar保護(hù)氣更輕易引燃電弧。

熱傳導(dǎo)。氣體的熱傳導(dǎo)是指氣體傳導(dǎo)熱能的能力大小,它的好壞將影響到熔滴過渡的方式(比如射流過渡和大滴過渡)、電弧外形、焊縫熔深和電弧溫度分布等。CO2氣體比Ar氣和Ar/CO2混合氣體具有更高的熱傳導(dǎo)能力。

反應(yīng)性。氣體的反應(yīng)性是指氣體是否與熔融的焊接熔池發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氣體可以大體分成兩類:惰性氣體和活性氣體。惰性氣體,在焊接熔池中不和其它元素發(fā)生反應(yīng)。Ar就屬于惰性氣體。活性氣體,在焊接熔池中會與其它元素結(jié)合或反應(yīng),形成新的化合物。在室溫下,CO2屬于惰性氣體, 但在電弧等離子區(qū),CO2會被分解,形成一氧化碳(CO),氧氣(O2)和一些獨(dú)立的氧原子(O)。因此,CO2在電弧下就變成了活性氣體,能夠與其它金屬發(fā)生氧化。Ar/CO2混合氣體也屬于活性氣體,不過比CO2的活性要低。

當(dāng)其它焊接規(guī)范參數(shù)一致時,不同的保護(hù)氣產(chǎn)生的焊接煙塵大小也不同。具體說,與CO2保護(hù)氣相比,Ar/ CO2保護(hù)氣產(chǎn)生焊接煙塵較少,這是因為CO2具有氧化性。此外,由于具體的焊接場合和焊接順序的不同,焊接煙塵的多少也不一樣。

惰性氣體介紹

盡管惰性氣體能夠為焊接熔池提供保護(hù),但它們本身卻并不適合鐵基金屬(比如低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等)藥芯焊絲氣保焊的焊接。比如, 假如僅用Ar作為保護(hù)氣焊接不銹鋼,焊縫性能會變得非常差。這是因為采用惰性氣體保護(hù)會造成電弧長度加長和焊條外部鋼皮過早熔化。電弧范圍增大且難以控制,導(dǎo)致焊縫堆積。因此,采用藥芯焊絲氣保焊焊接鐵基母材金屬時,通常采用惰性氣體與活性氣體相結(jié)合的混合氣體保護(hù)。

CO2/Ar混合氣體介紹

在北美,不銹鋼藥芯焊絲氣保焊的焊接常采用Ar/CO2混合氣體作為保護(hù)氣,其中Ar占75%和CO2占25%。有時也采用80%的Ar和20%的CO2混合, 不過這種混合比例不常用。有一些氣保護(hù)藥芯焊絲需要采用90%的Ar和10% 的CO2混合氣進(jìn)行保護(hù)。但是,假如混合保護(hù)氣中的Ar含量小于75%時,就會對電弧性能產(chǎn)生破壞,因此必須確保保護(hù)氣中Ar的百分比。此外,Ar /CO2非標(biāo)準(zhǔn)百分比配置的混合氣罐通常要比標(biāo)準(zhǔn)百分比配置混合氣罐(比如75%Ar/25%CO2或80%Ar/20%CO2)更難獲取。

由于CO2的活性本質(zhì),當(dāng)采用Ar/ CO2混合氣體保護(hù)進(jìn)行藥芯焊絲保護(hù)焊時,比采用單純的CO2氣體保護(hù),焊條合金在焊縫金屬中的熔敷程度更高。這是因為CO2和合金發(fā)生反應(yīng),生成氧化物,與焊劑中的氧化物一起,形成熔渣。焊條的藥芯必須包括一些活性元素,比如錳(Mn)和硅(Si)等,除了其它的用途外,還可用作脫氧劑。這些合金的一部分和CO2電離獲得的游離氧發(fā)生反應(yīng),生成氧化物滯留在熔渣中而不是滯留在焊縫金屬中。因此, 采用Ar/CO2混合氣體比采用CO2氣體保護(hù)的焊接熔敷金屬中的Mn和Si含量更高。

焊接熔敷金屬中Mn和Si含量越高, 焊縫強(qiáng)度就越高,焊縫延伸率就越低, 同時夏普V型缺口沖擊韌性也會隨之改變。簡單地將保護(hù)氣從CO2換成Ar/CO2 混合氣體,拉伸和屈服強(qiáng)度就會提高7~10ksi,延伸率下降2%。理解這一點(diǎn)非常重要,隨著保護(hù)氣中Ar含量的增加,焊縫強(qiáng)度會增加,韌性會降低。

由于保護(hù)氣會影響焊縫的最終性能,AWS D1.1/D1.1M:2008,鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程規(guī)定了確保焊縫性能的一系列具體要求。對于所有的焊接來說,保護(hù)氣的選擇必須與AWS A5.32/A5.32M 的標(biāo)準(zhǔn)一致。FCAW-G的焊接消耗品(A5.20/A5.20M和A5.29/A5.29M)的AWS 分類規(guī)定了焊縫熔敷金屬的強(qiáng)度上限。所選擇的焊接保護(hù)氣必須確保焊接結(jié)果不超過這些規(guī)定的強(qiáng)度上限,這也取決于焊條和焊接工藝的設(shè)計。對于未修改前焊接工藝規(guī)范,D1.1:2008 要求具體的填充物和保護(hù)氣組成支持測試數(shù)據(jù)。

D1.1:2008的3.7.3條目規(guī)定了兩種支持形式:一種是保護(hù)氣的使用用于焊條分類目的;一種是填充金屬制造商的數(shù)據(jù)與AWS A5要求一致,且與WPS規(guī)定的保護(hù)氣一致。假如這兩種條件都不滿足,D1.1:2008要求混合保護(hù)氣要進(jìn)行評定試驗。