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药芯焊丝气保焊(简称FCAW-G)是一种应用非常广泛的焊接工艺。它广泛应用于重型制造、建筑、造船、海上设施等行业中低碳钢、低合金钢和其它各种合金材料的焊接。FCAW-G焊接工艺经常采用100%的纯CO2或者75%~80%的Ar和20%~25%的CO2混合气体作为保护气。
那么在实施药芯焊丝气保焊时,究竟该选择哪一种保护气,CO2还是Ar/CO2混合气呢?每种类型的保护气都有各自的优点和缺陷。选择焊接保护气的时候,要重点考虑成本、质量、生产率等因素。有时候保护气的选择和这些因素是相矛盾的。本文主要阐述了FCAW-G在焊接钢材中两种基本保护气选择的优缺点。
在具体讨论保护气选择利弊之前, 最好回顾一些基本知识。需要说明的是本文只是讨论少数几种保护气。更全面的介绍,请参考ANSI/AWSA5.32/ A5.32M,焊接保护气规范中具体规定了保护气的技术要求,包括试验、包装、鉴定、验收等方面。此外,它还包括焊接过程中通风透气等一些有用信息,全面考虑安全要求。
保护气工作原理
所有保护气的一个主要作用是隔绝空气中氧气、氮气和水蒸气,保护焊接熔池和电极。保护气通过焊枪进入,从焊嘴喷出,包围在电极的四周, 置换掉电极四周的空气,在熔池和电弧四周形成一个临时的保护气罩。CO2 气体和Ar/CO2混合气都能实现这个目的。
这些保护气促进了电弧等离子区的形成,电弧等离子区是焊接电弧的电流通道。保护气类型也影响着电弧热的传导以及在熔池上施加电弧力大小。在这些问题上,CO2和Ar/CO2混合气的表现并不相同。
保护气的特点
CO2和Ar在电弧热中的反应各异。分析这些差异能帮助了解每种气体的特性是如何影响焊接工艺和焊接熔敷的。
电离电势。电离电势是气体电离所需能量的大小(比如,将气体转换成带电的离子状态),使气体能够导电。电离电势越低,电弧越轻易引燃并保持稳定。CO2的电离电势为14.4eV, Ar的电离电势为15.7eV。因此,CO2保护气比Ar保护气更轻易引燃电弧。
热传导。气体的热传导是指气体传导热能的能力大小,它的好坏将影响到熔滴过渡的方式(比如射流过渡和大滴过渡)、电弧外形、焊缝熔深和电弧温度分布等。CO2气体比Ar气和Ar/CO2混合气体具有更高的热传导能力。
反应性。气体的反应性是指气体是否与熔融的焊接熔池发生化学反应。气体可以大体分成两类:惰性气体和活性气体。惰性气体,在焊接熔池中不和其它元素发生反应。Ar就属于惰性气体。活性气体,在焊接熔池中会与其它元素结合或反应,形成新的化合物。在室温下,CO2属于惰性气体, 但在电弧等离子区,CO2会被分解,形成一氧化碳(CO),氧气(O2)和一些独立的氧原子(O)。因此,CO2在电弧下就变成了活性气体,能够与其它金属发生氧化。Ar/CO2混合气体也属于活性气体,不过比CO2的活性要低。
当其它焊接规范参数一致时,不同的保护气产生的焊接烟尘大小也不同。具体说,与CO2保护气相比,Ar/ CO2保护气产生焊接烟尘较少,这是因为CO2具有氧化性。此外,由于具体的焊接场合和焊接顺序的不同,焊接烟尘的多少也不一样。
惰性气体介绍
尽管惰性气体能够为焊接熔池提供保护,但它们本身却并不适合铁基金属(比如低碳钢、低合金钢、不锈钢等)药芯焊丝气保焊的焊接。比如, 假如仅用Ar作为保护气焊接不锈钢,焊缝性能会变得非常差。这是因为采用惰性气体保护会造成电弧长度加长和焊条外部钢皮过早熔化。电弧范围增大且难以控制,导致焊缝堆积。因此,采用药芯焊丝气保焊焊接铁基母材金属时,通常采用惰性气体与活性气体相结合的混合气体保护。
CO2/Ar混合气体介绍
在北美,不锈钢药芯焊丝气保焊的焊接常采用Ar/CO2混合气体作为保护气,其中Ar占75%和CO2占25%。有时也采用80%的Ar和20%的CO2混合, 不过这种混合比例不常用。有一些气保护药芯焊丝需要采用90%的Ar和10% 的CO2混合气进行保护。但是,假如混合保护气中的Ar含量小于75%时,就会对电弧性能产生破坏,因此必须确保保护气中Ar的百分比。此外,Ar /CO2非标准百分比配置的混合气罐通常要比标准百分比配置混合气罐(比如75%Ar/25%CO2或80%Ar/20%CO2)更难获取。
由于CO2的活性本质,当采用Ar/ CO2混合气体保护进行药芯焊丝保护焊时,比采用单纯的CO2气体保护,焊条合金在焊缝金属中的熔敷程度更高。这是因为CO2和合金发生反应,生成氧化物,与焊剂中的氧化物一起,形成熔渣。焊条的药芯必须包括一些活性元素,比如锰(Mn)和硅(Si)等,除了其它的用途外,还可用作脱氧剂。这些合金的一部分和CO2电离获得的游离氧发生反应,生成氧化物滞留在熔渣中而不是滞留在焊缝金属中。因此, 采用Ar/CO2混合气体比采用CO2气体保护的焊接熔敷金属中的Mn和Si含量更高。
焊接熔敷金属中Mn和Si含量越高, 焊缝强度就越高,焊缝延伸率就越低, 同时夏普V型缺口冲击韧性也会随之改变。简单地将保护气从CO2换成Ar/CO2 混合气体,拉伸和屈服强度就会提高7~10ksi,延伸率下降2%。理解这一点非常重要,随着保护气中Ar含量的增加,焊缝强度会增加,韧性会降低。
由于保护气会影响焊缝的最终性能,AWS D1.1/D1.1M:2008,钢结构焊接规程规定了确保焊缝性能的一系列具体要求。对于所有的焊接来说,保护气的选择必须与AWS A5.32/A5.32M 的标准一致。FCAW-G的焊接消耗品(A5.20/A5.20M和A5.29/A5.29M)的AWS 分类规定了焊缝熔敷金属的强度上限。所选择的焊接保护气必须确保焊接结果不超过这些规定的强度上限,这也取决于焊条和焊接工艺的设计。对于未修改前焊接工艺规范,D1.1:2008 要求具体的填充物和保护气组成支持测试数据。
D1.1:2008的3.7.3条目规定了两种支持形式:一种是保护气的使用用于焊条分类目的;一种是填充金属制造商的数据与AWS A5要求一致,且与WPS规定的保护气一致。假如这两种条件都不满足,D1.1:2008要求混合保护气要进行评定试验。
根据气体类型对填充金属分类
从2005年开始,美国焊接协会的药芯填充金属分类就将保护气类型编入焊条的分类符号中。低碳钢FCAW -G焊条的AWS编号为EXXT-XX,最后一位符号就是指保护气类型。假如最后一位为C,就代表保护气为CO2;假如为M,代表Ar/CO2混合气体(比如, E71T-1C或E71T-1M)。对于低合金钢焊条,保护气符号与规定符号最后的熔敷金属成分符号一致(比如E81T1 -Ni1C)。相反,自保护药芯焊条,不需要任何保护气,在它的分类编号中也就没有保护气体的代号(比如E71T-8)。
一些焊条只能用CO2进行保护。还有一些焊条只能用Ar/CO2混合气体保护。还有一些焊条可以同时选用CO2气体或Ar/CO2混合气体保护,在这种情况下,焊条必须满足两种分类要求。
FCAW-G保护气的选择
进行药芯焊丝焊接时,是选择CO2 气体保护还是选择Ar/CO2混合气体保护需要考虑以下三个方面。
1)保护气的成本
通常,焊接总成本中有80%属于人工和治理开支,20%属于材料成本, 其中保护气的成本大约占材料成本的1/4,或者说占焊接总成本的5%。假定保护气的成本是唯一的决定因素,那么通过用CO2保护气替代Ar/CO2混合保护气的方式可以大大降低焊接成本。然而,通常其它成本也影响着焊接总成本,这将随后讨论。
CO2比Ar/CO2便宜,因为它可以低成本获得。世界上CO2的资源广泛而丰富。CO2通常可以通过其它工艺的副产品获得。对焊接工业来说,一方面可以通过天然气体的加工或分离获得CO2, 另一方面也可以通过空气获得CO2。因为Ar在大气中的含量不到1%,需要加工和处理大量的空气才能提取一定量的Ar,并且需要专门的空气分离装置来处理空气。空气分离装置耗费大量的电力,也需要放置在专门的区域。
2)焊工的偏好和生产率的影响
当采用相同类型和大小的焊丝进行焊接时,采用Ar/CO2保护气比单纯采用CO2保护气焊接时所获得电弧更平稳、更弱,飞溅更小,因此深受焊工的喜爱。CO2保护气施焊时焊接电弧轻易产生大的熔滴过渡(熔滴通常大于焊丝直径),导致电弧不稳定,不连续,飞溅较大。Ar/CO2混合气体保护飞溅过渡的熔滴较小(熔滴通常小于焊丝直径),导致电弧更加稳定连续, 飞溅小。
Ar/CO2混合气体保护的另一个特点也增加了焊工们对它的喜爱程度,与使用CO2保护气施焊相比,它的热传导能力较低,因此它能保持熔池的热度和液态程度。这能使熔池的反应更彻底,焊缝焊趾部分更轻易熔化充分。当进行非凡位置焊接时(比如上坡焊或仰焊时),采用Ar/CO2具有更大的吸引力,因为技术欠佳的焊工也能很好控制电弧,提高焊接生产率。
采用Ar/CO2混合气体保护焊接时, 由于Ar含量较高,它比CO2保护气焊接时向焊工放射更多的热量。这就意味着焊工焊接时感觉更热。此外,焊枪也会更热(Ar/CO2保护气下焊枪的占空比要比CO2保护气的占空比低),这就要求采用更大的焊枪或者要求同型号焊枪及其易损组件的更换更加频繁。
3)焊接质量
正如前面讨论的一样,使用Ar/CO2 混合保护气体与使用CO2保护气施焊相比,它能保持熔池的热度和液态程度, 使熔池的反应更彻底,焊缝焊趾部分更轻易熔化充分。因此,它大大提高了焊缝成形能力和焊缝质量。
此外,Ar/CO2混合气保护施焊时飞溅小,焊缝质量大大提高,同时降低了焊后清理的时间和成本。较低的飞溅量也改善了超声波焊缝检测的成本,因为飞溅过多的话,为确保超声波检测的准确性,必须要事先清理飞溅。
另外一个影响焊缝外观外形的质量问题是保护气对气痕的敏感性。气痕,类似蚯蚓爬痕或小鸡抓痕的缺陷, 是一些有时会分布在焊缝表面的小沟槽。他们是由焊缝金属中溶解的气体导致的,这些气体在熔池凝固前移出, 却被滞留在凝固的熔渣下面。
Ar/CO2混合气体保护比单纯CO2气体保护具有更高的气痕敏感性。Ar/CO2 保护气体的飞溅过渡特点导致产生大量的细小熔滴,这增加了熔滴的表面区域,导致焊缝金属溶解大量的气体。除了保护气类型会影响气痕的敏感性外,还有其他一些因素,但它们不属于本文讨论范围之内。一些主要应用场合的常用保护气体
多年以来,一些主要场合的FCAW -G的保护气已经逐渐形成标准。比如, 在平焊和横焊的高熔敷焊接应用场合, 通常采用CO2气保护,因为在这些焊接位置,Ar/CO2混合气体保护并不具有太大优势。
造船业也通常喜欢用CO2气体保护, 因为CO2气体保护的电弧特性能更好地烧掉母材底漆。北美的海上建筑业,下向焊焊接T型、Y型和K型连接坡口焊缝时都需要光滑的焊缝外形和较小的焊接飞溅,因此采用Ar/CO2混合气体保护更适合。假如在施工车间里采用不止一种气保焊工艺,比如说GMAW 和FCAW-G,通常将两种工艺的保护气标准化。有时,为了获得更好的飞溅率和脉冲电弧过渡,许多厂家也选择Ar/CO2混合气体保护进行GMAW焊接。
