在压力容器中实心焊丝熔化极气体保护焊工艺的应用探究

【摘要】 实心焊丝在焊接工作中广泛使用，是作为填充金属或同时作为导电用的金属丝焊接材料，与药芯焊丝相比其成本低、抗潮性高。熔化极气体保护焊是目前应用较多的一种焊接方式，广泛应用于各个行业，其中压力容器生产中大都选择该焊接方式。但是其工艺的质量受到保护气体种类、焊接材料等因素的影响，本文通过对保护气体种类、焊接材料等方面来阐述在压力容器中实心焊丝熔化极气体保护焊工艺的应用情况，并与手工焊条电弧焊进行比较。

【关键词】压力容器;实心焊丝;熔化极气体保护焊;工艺研究

前言

从我国“十二五”计划开始，工业生产速度突飞猛进，市场竞争趋近于白炽化，降低生产成本、提升产品质量、提高生产效率是企业争夺市场的发力点。而熔化极气体保护焊作为生产效率高、能源消耗少、易操作、工业化可实现程度高的一种焊接方式，且其工艺不受板材厚度影响，最薄可以做到1mm，不规定上限，被广泛应用于造船、汽车制造、电站设备、石油化工设备以及桥梁建设等。熔化极气体保护电弧焊根据保护气体可以分为CO2气体保护焊、惰性气体保护焊（MIG：Metal Inert Gas Arc Welding）、混合气体保护焊（MAG：Metal Active Gas Arc Welding），通常惰性气体选择为氩气，混合气体保护焊一般选择气体为氩气+二氧化碳、氩气+氧气。但其也有着技术缺点，本研究通过对焊接材料的选择、焊接接头成型与力学性能研究等方面对压力容器中实心焊丝熔化极气体保护焊工艺的应用进行探究，同时与手工焊条电弧焊进行了对比。

1.材料选择

焊接过程中的两个主体是焊接材料以及保护气体的选择，基于降低生产成本、提高产品质量的基础上，在母材确定的基础上，选择合适的焊丝材料与保护气体，是工艺研究重要的基础。

1.1 焊丝材料选择

金属材料压力容器工艺中均包括焊接过程，是金属材料压力容器加工过程中的重要环节，接头焊接的质量是压力容器在承压过程中保证其整体安全性的重要部件。而影响焊接工艺的质量稳定性的因素很多，其中焊接材料（填充金属）的选择是关键因素之一。《压力容器焊接规程》Ⅲ中也规定焊接材料的选用原则为焊缝金属的力学性能应高于或等于母材标准规定的下限值，因此，在压力容器制造行业，焊接材料通常采用等强匹配或高强匹配[1]。本研究通过以低合金钢板（Q345R）为母材，焊丝材料为ER50-6（φ1.2mm）、ER309（φ1.2mm）、YG1CM（φ1.2mm）

1.2 保护气体及比例的选择

在应用中，Ar、CO2 及其混合气体通常作为采用熔化极气体保护焊方式焊接低合金钢（Q345R）的保护气体，其各有优缺点。当采用纯惰性气体氩气做为保护气体时，其不会与熔融金属发生化合，也不会向熔滴和熔池金属溶解，焊缝金属纯净度高、气孔少、缺陷少，但存在熔深浅及指状熔深的缺陷。CO2作为保护气体，气源易获得，且由于工艺研究起步早，在应用上较为成熟，电弧穿透力相对较高，焊丝融化率较高，整个焊接过程的熔敷速度也较为快速，但在高温条件下，电弧将生成较强的氧化性，直接导致合金元素受到严重干扰，造成金属发生飞溅现象，进而形成 CO 2 气孔[2]。而采用氩气+二氧化碳混合气体作为保护气体来进行焊接低合金钢时，可以结合当采用上述纯气体时焊接的优点，同时避免二氧化碳气体保护时发生的金属发生飞溅现象以及焊缝氧化皮厚等问题，且消除了熔深浅及指状熔深的缺陷。在本研究过程中采用Ar+CO2 混合气体作为焊接低合金钢（Q345R）的保护气体。

Ar+CO2 混合气体的混合比例对焊接质量有着关键的作用，当混合气体中的大比例趋近于某种气体时，该混合保护气体焊接的质量就会趋近于某种气体单独使用时，当组合气体中随着氩气比例的占多，焊接过程中的飞溅率下降、气孔与杂质表少，而当二氧化碳比例增加时，焊接电流增加、焊缝质量改善。通过过往数据的积累，本研究采用的比例为VAr：VCO2 =80：20。

2.焊接接头成型与力学性能研究

焊接接头成型与力学性能是评价实心焊丝熔化极气体保护焊焊接質量的的关键指标，而这一过程通过熔滴过渡过程实现。通常熔滴过渡包括粒状熔滴过渡、短路熔滴过渡、旋转熔滴过渡和射流过度等。其中短路过渡和射流过渡是焊接低合金钢（Q345R）的主要形式。

短路过渡适用于薄板或全位置焊接，而射流过渡的优点是过程稳定、飞溅小、熔深大、焊缝成形美观。本研究通过采用射流过渡方式对低合金钢（Q345R）与三种焊丝材料进行焊接试验，考察期其焊接接头成型与力学性能。

2.1 焊接接头形式

本次试验采用日常产品中经常出现的经典坡口形式（图1）。

2.2 焊接工艺

采用相同的工艺参数对3种焊丝材料进行试验，其中母材[低合金钢（Q345R）]厚度为8mm，具体焊接工艺参数见下表（表2）

2.3 试验结果

试验完成后，对比了3种材料焊缝外观、力学性能、焊接过程飞溅情况以及焊缝含碳量参数，结果见表3。试验结果表明，3种材料焊缝外观的美观性均较好，焊接过程飞溅情况少，但ER50-6的含碳量不变，而ER309、YG1CM的含碳量增加，ER50-6的力学性能也明显优越于其余两种材料。

3.在压力容器中实心焊丝熔化极气体保护焊与手工焊条电弧焊的对比

为进一步了解熔化极气体保护焊的优势，本研究通过采用厚度为8mm的低合金钢（Q345R）作为母材，焊丝材料为ER50-6（φ1.2mm）分别采取熔化极气体保护焊与手工焊条电弧焊两种工艺进行坡口焊头的制作，并通过焊缝外观、力学性能、焊接过程飞溅情况进行二者工艺上的比较。试验结果表明熔化极气体保护焊焊缝美观、力学性能达标 的同时并优于手工焊条电弧焊的产品，并且在焊接过程中飞溅情况小，焊接效率高。试验结果见表4。

4.结语

通过本次研究，对比了三种焊接材料在相同的熔化极气体保护焊工艺下其焊接接头成型性与力学性能的指标，结果表明材质ER50-6其成型性好、接缝含碳量无变化、焊接过程飞溅小、力学性能指标优的特点，适合做低合金钢（Q345R）的焊丝材料。同时在使用相同母材和焊丝材料的情况下，比较了熔化极气体保护焊与手工焊条电弧焊的产品质量及工作效率，试验结果表明，熔化极气体保护焊其产品的成型性与力学性能均优于传统工艺，且效率更高，操作简便，更容易实现自动化。

参考文献：

1熊从贵，何静，陈送送. 氨制冷压力容器的焊接材料匹配[J].焊接技术，2018，47（10）：70-73.

2谢学峰.气体保护焊在压力容器设备上的应用[J].设备管理与维修，2020，（17）：129-130.

作者简介：杨文武（1983.2—）男，汉，籍贯-湖南岳阳，学历-本科，单位-湖南工贸技师学院，研究方向-焊接技术应用。