CO2气体保护焊在低变炉衬里中的应用

杜崇鹏

摘 要：该文主要从工厂实际中遇到的问题出发，研究焊接技术中的一种常用方法，即CO2气体保护焊在薄衬里焊接中的推广应用。通过反复地调研与试验，文章中介绍了具体的试验情况以及试验后所得的一些感悟，从而为读者自行利用气体保护焊对于薄件及超薄件焊接提供参考。

关键词：气体保护焊 穿孔 薄板

中图分类号：TG444.72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（b）-0058-02

1 实验背景

榆林某化工厂造气车间对裂化气进行氢变换时，采用中温变换和低温变换两种过程进行。低温变换时的温度大约在150 ℃～240 ℃，压力大约在3 Mpa左右，该反应在低变炉内进行。该厂造气车间原有几套低变系统，系统中使用的低变炉的尺寸为：炉体直径3 200 mm，壳体长度6 300 mm，壁厚46 mm，炉体所用为材料16 MnR（相当于Q345R）。炉内直接装有触媒，变换气在其中发生氢变换反应，炉体外壳用保温材料保温。

2013年为扩大合成氨产能，确定新增一台低变炉。在工艺条件相同的情况下，设计单位按新标准设计时，只能采用15CrMo钢板作为壳体材料，导致制造费用大大增加。最后经协商，壳体材料仍采用Q345R，但须在低变炉内内衬一定厚度的保温材料，保温材料表面用1 mm厚的不锈钢板作为衬里。而且炉内上半部分衬里的焊缝要连续焊，不能漏气，下半部分的衬里可以采用断续焊的方法进行焊接。

设备安装就位且在炉内内衬了保温材料后，工厂就开始了不锈钢钢板衬里的安装工作。安装工艺是：根据内衬保温层表面形状下料。上下封头处的衬里采用瓜瓣形式下料，组装时钢板采用搭接的方法组对，用氩弧焊点固及焊接。按照工艺要求，铆工仅用了一个星期时间，顺利完成了不锈钢衬里的组对和点固任务。

但是搭接焊接时出现了问题：焊接过程中，尽管焊接电流调整得很小，但只要焊枪沿焊道移动，就出现穿孔问题，无法焊缝成形。可见虽然氩弧焊有热输入量小、焊接电流小、熔池易于控制等优点，但用氩弧焊焊接方法不能完成此任务。

2 原因分析

（1）操作规程是否到位：反复尝试后，排除操作过程的不规范、技艺有缺陷等问题。

（2）焊接方法是否科学：经过实验比对，普通电弧焊对于1 mm厚的钢板来说，由于不能形成稳定熔池，不能保证焊接质量。而氩弧焊由于电弧电压只有焊条电弧焊的一半，在同样的焊接电流时（焊接电流决定着能否焊透），热量输入较小，因而适用于薄板的焊接。可以从设备衬板的顺利组装、点固加以佐证。

（3）焊缝成形困难原因：经过查找资料，可能有如下原因：钢板太薄，导热性差，热量不易传导出去，接头处过热，导致焊穿；由于衬板材料是不锈钢，不锈钢板的热导率仅为碳钢板的1/3，相同条件下不锈钢板更易焊穿；衬板外侧贴有保温材料，阻挡热量从焊缝背面发散，导致出现穿孔现象。

综合上述分析，焊接材质及结构影响了焊接成型的过程，因此应从焊接方法上进行改进。

3 问题解决

调查发现该厂现有埋弧自动焊、焊条电弧焊、钨极氩弧焊和CO2气体保护焊。

CO2气体保护焊是利用CO2气作为保护气体的一种熔化极气体保护焊接方法。由于CO2比空气重，因此从喷嘴喷出的CO2气体可以在电弧区形成有效的保护层，防止空气进入熔池；CO2焊根据焊丝直径不同可分为细丝CO2焊（焊丝直径≤1.2 mm）及粗丝CO2焊（焊丝直径≥1.6 mm），由于细丝CO2焊的工艺比较成熟，因此应用最为广泛。CO2气体保护焊的特点：生产率高、成本低，焊接变形和应力小，焊缝质量高，操作简单，但是飞溅较大，弧光较强，很难用交流电源焊接，焊接设备比较复杂，在风速大于2 m/s 时不易施焊。

CO2焊时，焊丝既作为填充材料又作为电弧的一个电极，其端部在焊接过程中不断受热熔化、形成熔滴并陆续脱离焊丝过渡到熔池中去。而熔滴过渡形式主要有两种，一种是短路过渡，另一种是粗滴过渡（喷射过渡是很难出现的）。当CO2焊采用细丝时，一般都是短路过渡，短路频率很高，每秒可达几十次到一百多次。每次短路完成一次熔滴过渡。而在粗丝CO2焊时，往往是以粗滴过渡的形式出现，因此飞溅较大，焊缝成形也差些，但由于电流比较大，所以电流穿透力强，母材熔深大，这对中厚板的焊接是有利的。

CO2气体保护焊与氩弧焊两种焊接方法相比有以下异同点：都是采用气体对焊接过程的熔池进行保护；钨极氩弧焊时电极不熔化，焊接过程可采用加填焊丝或不加填焊丝的方法焊接，CO2气体保護焊焊丝既作为电极又作为填充金属熔化进入焊缝；氩弧焊的氩气是单原子惰性气体，CO2气体保护焊的气体是以分子的形式存在而且是比较活跃的气体。由于两种气体的性质差别，对焊接电弧及焊缝的影响也不同。二氧化碳气体作为保护气体对焊接电弧有很强的冷却作用，使得电弧受到压缩而热量集中，带来的结果就是熔池小、热影响区窄、焊后变形小。同时当二氧化碳气体从焊缝表面向四周扩散时，也会带走大量的热量，有助于焊缝迅速凝固。通过资料论证，由于CO2气体保护焊电流可以进行大范围调节，因此主要用于焊接厚板及角焊缝，企业未进行薄板焊接实验，在排除其他焊接方法后，决定利用CO2气体保护焊进行尝试。

在经过工艺讨论后，首先在厚度为1 mm的碳钢板上焊接，采用和实际衬里相同的搭接焊缝形式进行试焊，但焊接时采用平焊。将电流调至70 A、电压调至18 V进行试焊，此时焊缝成型顺利，未发生焊穿现象。此后将电流调至80 A、电压调至18.5 V进行试焊，焊缝成型效果良好。薄碳钢板试焊成功后即改变采用不锈钢进行了试验，也取得了较为满意的效果。随即开始了低变炉衬里焊缝的CO2气体保护焊焊接。当然，试验时焊缝处于平焊位置，实际衬里的焊缝各种位置都有，大大增加了焊接难度。如立焊缝的焊接，焊接时都是由下向上焊接，此时发现：若电流大时，铁水下坠形成焊瘤，且多烧穿；电流小，母材不能和焊肉很好地熔合，造成未熔合、焊肉不连续等缺陷。遂改变焊接方法，由上向下焊，电流85 A，电压19 V，焊枪左右夹角90°，枪头向上与未焊的焊缝夹角60°～80°，以较快速度试焊，得到了很好的立焊缝。经过多次试验，对于不同的焊接位置，获得了一些相应的焊接工艺参数。焊接电压选择在17～19 V、焊接电流为60～90 A， CO2气体保护焊在这种条件下可以较理想地实现搭接缝焊接。最后，只用5 d，即顺利完成了该衬板的焊接任务。

4 结语

通过这次用CO2气体保护焊焊接厚度为1 mm的不锈钢薄钢板的尝试，增加和扩展了CO2气体保护焊在该单位的使用范围，使机动处员工对CO2气体保护焊的工艺特性及试验方法有了更加深入的认识。由于笔者第一次帮助企业完成实际工作任务，因此，也鼓励了笔者继续参与校企合作，更好地增加自身对于焊接工艺方法的钻研学习。

参考文献

[1] 气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口（GB/T985.1-2008）[S].

[2] 范绍林.焊工操作技巧100问[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3] 王艳芳.CO2气体保护焊技术[M].北京：机械工业出版社，2011.