1、 I Q345 钢的 CO2气体保护焊的工艺研究 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。 本文首先分析了 Q345 钢的焊接性， 其次对 CO2气体保护焊特点和工艺
2、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 II TECHNOLOGY OF STUDY Q345 STEEL BY CO2 GAS WELDING PROTECTION ABSTRACT In this paper, Q345 Steel CO2 gas shielded welding process as an example of its analysis and research. G
3、ood mechanical properties of Q345 steel, low temperature performance can, plastic and welding of good, used in low pressure vessels, tanks, vehicles, cranes, mining machinery, power plants, bridges and other structures to withstand dynamic load, mechanical parts, building structures, General metal s
4、tructure, use of hot-rolled or normalized condition, the following can be used in -40 cold regions of the various structures. In order to improve efficiency, cost savings, and more use of welding technology. Carbon dioxide gas welding protection has grown to become an important by welding, with low
5、cost, efficient and flexible operating characteristics. It is widely used in the car engine, shipbuilding, construction machinery.The boiler pressure vessel, such as manufacturing, and all sorts of metal and metal processing machinery production. This paper analyzes the Q345 steel welding, followed
6、by CO2 gas shielded welding on the characteristics and processes are analyzed to determine the Q345 steel CO2 gas shielded welding process. Optimization of processing parameters, not only can reduce the welding process of frequently asked questions, and effectively reduce the appearance of weld defe
7、cts, and can improve production efficiency, saving production cost. KEY WORDS: Q345 steel， CO2 gas shielded welding， technology， defects of welding III 目 录 摘 要. ABSTRACT. 目 录. 前 言.1 第 1 章 Q345 钢及 CO2气体保护焊简介.3 1.1 Q345 钢简介 .3 1.1.1 Q345 钢的应用与分类.3 1.1.2 Q345 化学成分及力学性能分析.3 1.1.3 Q345 钢的焊接特点.4 1.2 CO2气体
8、保护焊简介 . 4 1.2.1 CO2气体保护焊发展史.5 1.2.2 CO2气体保护焊特点.6 1.2.3 CO2气体保护焊冶金原理.6 1.2.4 CO2气体保护焊的熔滴过渡形式.7 第 2 章 CO2 气体保护焊工艺. 8 2.1 焊前准备.8 2.1.1 坡口设计.8 2.1.2 坡口加工方法与原理.9 2.1.3 定位焊缝.9 2.2 焊接参数的选择.9 2.2.1 焊丝直径的选择 .10 2.2.2 焊接电流的选择.10 2.2.3 电弧电压的选择 .11 2.2.4 焊接速度的选择.11 2.2.5 焊丝伸出长度的选择.11 2.2.6 电流极性的选择.12 2.2.7 气体流量
9、的选择.12 IV 第 3 章 Q345 钢在 CO2气体保护焊时常见问题及对策 .13 3.1 焊接裂纹.13 3.1.1冷裂纹 .13 3.1.2 其它裂纹.14 3.2 气孔.15 3.2.1 N2气孔.16 3.2.2 H2气孔.16 3.2.3 CO 气孔.16 3.3 焊接飞溅.17 3.3.1 飞溅产生原因.17 3.3.2 减少飞溅的方法.17 第 4 章 Q345 钢的 CO2气体保护焊工艺的确定.20 4.1 矩形管组焊方案的确定 .20 4.2 焊接工艺.20 4.2.1 坡口形式.20 4.2.2 定位焊缝.21 4.2.3 焊接工艺参数.21 4.2.4 焊接顺序.2
10、2 结 论.23 谢 辞.24 参考文献.25 外文资料翻译.27 1 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 钢是老牌号的 12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、
11、16Mn 等多个钢种的替代，而并非仅替代 16Mn 钢一种材料。在化学成分上，16Mn与 Q345 也不尽相同。更重要的是两种钢材按屈服强度的不同而进行的厚度分组尺寸存在较大差异，而这必将引起某些厚度的材料的许用应力的变化。因此，简单地将 16Mn 钢的许用应力套用在 Q345 钢上是不合适的,而应根据新的钢材厚度分组尺寸重新确定许用应力。 Q345 钢的主要组成元素比例与 16Mn 钢基本相同，区别是增加了 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
12、机械性能应当优于 16Mn 钢，特别是它的低温性能更是 16Mn 钢所不具备的。Q345 钢的许用应力略高于16Mn 钢。 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 CO2Ar 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，
13、2 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
14、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。 3 第 1 章 Q345 钢及 CO2气体保护焊简介 1.1 Q345 钢简介 1.1.1 Q345 钢的应用与分类 Q345 钢是一种优质的低合金高强钢（C0.2%） ，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
15、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 过去的一种叫法为：16Mn。 Q345 无缝管无缝钢管的外部执行标准为：GB709，内部执行标准为：GB/T1591-94。 1.1.2 Q345 化学成分及力学性能分析 Q345 力学性能分析见表 1-1，化学成分分析见表 1-2。 表 1-1 Q345 力学性能分析表 牌号 等级 拉力强度 MPa 屈服点 MPa 伸长率（%）
16、Q345 A 470630 345 22 B C D E 4 表 1-2 Q345 化学成分分析表 牌号 等级 化学成分(质量分数)(%) C Mn Si P S V Nb Ti AI Cr Ni Q345 A 0.20 1.00 1.60 0.55 0.045 0.045 0.02 0.15 0.015 0.060 0.02 0.20 B 0.040 0.040 C 0.035 0.035 0.015 D 0.18 0.030 0.030 0.015 E 0.025 0.025 0.015 1.1.3 Q345 钢的焊接特点 1碳当量(Ceq)的计算 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)
17、/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。 2Q345 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。 1.2 CO2气体保护焊简介 5 1.2.1 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 = CO12 O2 放热反应 （1-2） 上式反应有利于
18、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
19、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
20、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、 6 唐山松下产业机器有限公司等；焊接材料方面的天津电焊条公司、江苏江南焊丝厂和嘉兴东方焊业有限公司等；焊接气体方面的普莱克斯气体有限公司、BOC 气体公司等。展现了我国 CO2气保焊技术推广应用取得丰硕成果。 1.2.2 CO2气体保护焊特
21、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。 2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。 1.2.3 CO2气体保护焊冶金原理 在进行焊接时，电弧空间同时
22、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） （1-3） Fe+O FeO (进入熔渣中) （1-4） C+O CO （进入大气中） （1-5） （1）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 7 FeO 能够被液态金属中的 C 所还原，反应式为： FeO+C Fe+CO （1-6） 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，
23、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） （1-7） FeO+Mn Fe+MnO （进入渣中） （1-8） 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。 （2）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
24、化性，在焊缝中不易产生氢气孔。 1.2.4 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 1.62.4mm） ，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 2.45mm） ，以大电流、低电弧电压进行焊接。 8 第 2 章 CO2气体保护焊工艺 2.1 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。 2.1.1 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。
25、如果用直径 1.6mm 的焊丝钝边可留 46mm，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
26、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。 2.1.2 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 1020mm 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。 9 表 2-1 不同板厚的焊角尺寸 板厚mm 焊接方法 焊角尺寸mm 板厚mm 焊接方法 焊角尺寸mm 6 CO2气体保护焊 5 12
27、 CO2气体保护焊 7.5 焊条电弧焊 6 焊条电弧焊 8.5 9 CO2气体保护焊 6 16 CO2气体保护焊 10 焊条电弧焊 7 焊条电弧焊 11 2.1.3 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
28、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 1550mm，间距为 30150mm；中厚板的定位焊缝间距可达100150mm。 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 1550mm 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。 2.2 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。 10 2.2.1 焊丝直径的选择 对于钢板厚度为 14mm 时，应采用直径为 0.61.2mm 的焊丝；当钢板厚度大于 4mm 时，应采用直径大于或
29、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 母材厚度（mm） 4 4 焊丝直径（mm） 0.61.2 1.01.6 注：焊丝直径常用规格有 0.6，0.8，1.0，1.2，1.6mm 等。 2.2.2 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
30、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 2-4。 表 2-4 焊接电流选择 焊丝直径(mm) 0.6 0.8 1 1.2 1.6 焊接电流（A） 4990 50120 70180 90350 150500 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 焊丝直径(mm) 1 1.2 焊接电流(A) 70120 90150 11 2.2.3 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 12V 左右。最佳的电弧电压与电流的大小，位置
31、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 焊接电流 电弧电压（V） （A） 平焊 立焊 仰焊 75120 1822 1822 130170 2026 1824 180210 2228 1826 220260 2536 / 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。 2.2.4 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
32、接时，焊接速度一般不超过 30 米/时。 2.2.5 焊丝伸出长度的选择 1焊丝伸出长度与焊丝直径，焊接电流及焊接电压有关。 2焊丝伸出长度增加，将降低焊接电流，减少熔深，增加焊缝宽度。 3焊丝伸出长度过长时，容易形成未焊透，未熔合，增加飞溅，削弱 保护，形成气孔；焊丝伸出长度过短时，会妨碍对熔池的观察，喷嘴易被飞溅堵塞，影响保护形成气孔。 12 4一般认为焊丝伸出长度为焊丝的 1015 倍。细丝时（焊丝直径 1.2mm） ，焊丝伸出长度以 815mm 为宜，粗丝时，在 1525mm 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。 2.2.6 电流极性的
33、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 电流极性 应用范围 特点 直流反接 短路过渡及颗粒过渡的普通焊接，一般材料的焊接 飞溅小，电弧稳定，焊缝成形好，熔深大，焊缝金属含氢量低 直流正接 高速焊接、堆焊、铸铁补焊 焊丝熔化速率高，熔深浅，熔宽及余高较大。 2.2.7 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。
34、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 615 升/分；焊丝直径大于 1.2mm 时，气体流量应取 1525 升/分。 13 第 3 章 Q345 钢在 CO2气保焊时常见缺陷及对策 在实际操作中，由于焊件本身、焊接方式和焊接环境等因素的影响，在焊接时经常会出现一些问题或缺陷。如夹渣、裂纹、气孔等。 3.1 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
35、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。 3.1.1 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
36、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 14 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
37、（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 26h 左右，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面） 。 3.1.2 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
38、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温度区间的塑性；此外，从设计和工艺上尽量减少在该温度区间的内部拉伸变形。 （2）液化裂纹 主要产生于焊缝熔合线附近的母材中，有时也产生于多层焊的先施焊的焊道内。形成原因是由于在焊接热的作用下，焊缝熔合线外侧金属内产生沿晶界的局部熔化，以及在随后冷却收缩时引起的沿晶界液化层开裂。造成这种裂纹的情况有二：一是材料晶粒边界有较多的低熔点物质；另一种是由于迅速加热，使某些金属化合物分解而又来不及扩散，致局部晶界出现一些合金元素的富集甚至达到共晶成分。防止这类
39、裂纹的原则为严格控制杂质含量，合理选用焊接材料，尽量减少焊接热的作 15 用。 （3）多边化裂纹 是在低于固相线温度下形成的。其特点是沿“多边形化边界”分布，与一次结晶晶界无明显关系；易产生于单相奥氏体金属中。这种现象可解释为由于焊接的高温过热和不平衡的结晶条件，使晶体内形成大量的空位和位错，在一定的温度、应力作用下排列成亚晶界（多边形化晶界） ，当此晶界与有害杂质富集区重合时，往往形成微裂纹。消除此种缺陷的方法是加入可以提高多边形化激活能的合金元素，如在 Ni-Cr 合金中加入 W、Mo、Ta 等；另一方面是减少焊接时过热和焊接应力。 2再热裂纹 产生于某些低合金高强度钢、珠光体耐热钢、奥氏
40、体不锈钢以及镍基合金焊后的再次高温加热过程中。其主要原因一般认为当焊后再次加热到 500700时， 在热影响区的过热区内,由于特殊碳化物析出引起的晶内二次强化，一些弱化晶界的微量元素的析出，以及使焊接应力松弛时的附加变形集中于晶界，而导致沿晶开裂。因此，这种裂纹具有晶间开裂的特征，并且都发生在有严重应力集中的热影响区的粗晶区内。为了防止这种裂纹的产生，首先在设计时要选择再热裂纹敏感性低的材料，其次从工艺上要尽量减少近缝区的内应力和应力集中问题。 3层状撕裂 主要产生于厚板角焊时，其特征为平行于钢板表面，沿轧制方向呈阶梯形发展。这种裂纹往往不限于热影响区内，也可出现在远离表面的母材中。其产生的主
41、要原因是由于金属中非金属夹杂物的层状分布，使钢板沿板厚方向塑性低于沿轧制方向，另外由于厚板角焊时在板厚方向造成了很大的焊接应力，所以引起层状撕裂。通常认为片状硫化物夹杂危害最大，而层状硅酸盐和过量密集的氧化铝夹杂物也有影响。防止这种缺陷，主要应在冶金过程中严格控制夹杂物的数量和分布状态。另外，改进接头设计和焊接工艺，也有一定的作用。 3.2 气孔 CO2气体保护焊时，在焊缝中形成气孔的主要原因，一般认为是在焊接熔池中存在着被溶解的 N2、CO 和 H2，在焊缝金属结晶的瞬间，由于溶解度突然减小，这些气体将析出，但当这些气体来不及从熔池逸出时，就 16 会在焊缝中形成气孔。因此，气孔分为氮气孔、
42、氢气孔和一氧化碳气孔。 3.2.1 N2气孔 氮气孔经常出现在焊缝表面，呈蜂窝状，或者以弥散形式的微气孔分布于焊缝金属中， 这些气孔往往在抛光后检验或试水压试验时才能被发现。 氮气来源：一是由于保护效果不良，空气侵入焊接区；二是 CO2气体不纯。 实践表明，要避免产生氮气孔，最主要的是应增强气体的保护效果。另外，选用含有固氮元素（如 Ti 和 Al）的焊丝，也有助于防止产生氮气孔。 3.2.2 H2气孔 焊接熔池中氢的含量正比于电弧空间中氢气的含量。 电弧区的 H2主要是来自焊丝，焊件表面的油污及铁锈，以及 CO2气体中的水分。例如，随着 CO2气体中水分的增加，会提高在焊接区域内氢的分压，同
43、时也提高H2在焊缝金属中的含量（见表 3-1） 。当 CO2气体中的水分为 1.92gcm和 100g 焊缝金属中的氢含量为 4.7mL 时，开始出现单个气孔，如果进一步增加 CO2气体中的水分，则焊缝中的气孔说量也将增加。多数国家规定，焊接用 CO2气体纯度不应低于 99.5%。 表 3-1 CO2气体中水分与焊缝金属含氢量的关系 CO2气体中水分（gcm ） 焊缝金属中的含氢量（mL100g） 0.85 2.9 1.35 4.5 1.92 4.7 15 5.5 3.2.3 CO 气孔 在金属结晶的过程中，由于激烈地析出 CO 而产生沸腾现象，而 CO气体不易逸出，因此在焊缝中形成气孔。如果
44、在焊缝金属中 Si 的含量不少 17 于 0.2%时，就可以防止由于产生 CO 气体而引起的气孔，这是因为 Si 在金属凝固温度时能强烈脱氧所致。 在大多数情况下，CO 气孔产生在焊缝内部，并沿结晶方向分布，呈条虫状，表面光滑。如果焊丝的脱氧能力很低时，CO 气孔还可能成为表面气孔。 3.3 焊接飞溅 3.3.1 飞溅产生原因 1由冶金反应引起的飞溅 这种飞溅主要是 CO 气体造成的，由于 CO2气体具有强烈的氧化性, 焊接时熔滴和熔池中的碳元素被氧化生成 CO 气体，在电弧高温作用下，其体积急剧膨胀，逐渐增大的 CO 气体压力最终突破液态熔滴和熔池表面 的约束，形成爆破，从而产生大量的细颗粒
45、飞溅。 2极点压力引起的飞溅 这种飞溅主要取决于电弧的极性，采用正接焊接时，正离子飞向焊丝 末端，机械冲击力大，造成大颗粒飞溅。 3熔滴短路时引起的飞溅 发生短路时，焊丝与熔池间形成液体小桥，由于短路电流的强烈加热 及电磁收缩力作用，使小桥爆断而产生细颗粒飞溅。 4非轴向熔滴过渡造成的飞溅 这种飞溅是在大滴过渡焊接时由于电弧的排斥力所引起的，熔滴形成大颗粒飞溅。 5焊接工艺参数选配不当引起的飞溅 这种飞溅是由于焊接电流、电弧电压、电感值等参数选配不当而引起的。 3.3.2 减少飞溅的方法 1选配合理的焊接工艺参数 （1）选取适当的电弧电压在合适的电弧电压下施焊，飞溅量可减到最 18 小。例如，
46、当使用 1.2mm 焊丝焊接时，若焊接电流为 220A，焊接速度为 30cm/min，电弧电压调到 2728V 时，可使飞溅量减少。 （2）选择合适的焊接电流在合适的焊接电流下施焊，飞溅最小。当使 用 1.2mm 焊丝焊接时，焊接速度为 30cm/min，焊接电流小于 280A 时，随着焊接电流的增大，飞溅量也增加；但当焊接电流超过 280A 时，在一定范围内，随着焊接电流的增加飞溅量反而减少，在焊接电流 250280A区间内，熔滴以滴状过渡而产生大颗粒飞溅。 （3）选择合适的焊接速度，随着焊接速度加快，飞溅量也增加。 （4）选择合适的焊丝干伸长度当焊丝干伸长度过长时，焊丝容易产生 过热而成段
47、熔断。合适的焊丝干伸长度应为焊丝直径的 1012 倍。 （5）选择合适的焊接回路电感值采用合适的焊接回路电感数值，可以 调节短路电流增长速度，从而减少短路飞溅。 （6）掌握合适的焊枪角度由于焊枪角度后倾或前倾都会使飞溅增多， 所以焊枪角度应选择适宜。 2适当控制操作条件及调整焊接设备 （1）清理焊接部位。施焊前，应将焊接部位及其周围的铁锈、污物等 清理干净，以减少飞溅。 （2）焊丝进给必须保持稳定。焊丝最好使用成盘的焊丝，送丝软管可 能呈直线状态；用干燥的压缩空气将软管内的灰尘、脏物等吹除；将粘附在送丝轮沟槽内的脏物清除干净；经常检查导电嘴前端是否粘附飞溅物；检查导电嘴磨损情况，若磨损严重则应
48、及时更换。 （3）保证焊机输入接线及焊接地线连接良好。 （4）焊接电缆的长度必须合适，焊接电缆过长，会使飞溅量增加。 （5）电源极性采用直流反接，反极性时飞溅量小，电弧稳定。 （6）尽可能避免在焊接过程中产生磁偏吹。 （7）CO2气体应有足够的纯度，焊接用 CO2的纯度不应低于 99.5%。 新灌的 CO2气瓶内含有水分，直接用于焊接时不但易形成气孔，而且易形 成飞溅，所以气瓶内的水分应除去。先将新灌气瓶倒立静置 12h，然后打开阀门把沉积在下部的自由状态的水排出，放水结束后，再将气瓶放正，在使用前仍须先放气 23min，放掉气瓶上面部分可能含水的气体。 19 3采用 CO2+Ar 混合气体保
49、护焊利用 CO2+30%Ar 作保护气体，熔滴 呈细粒过渡，电弧燃烧稳定，飞溅量较少，焊缝外形美观，焊波细匀。 4 在焊缝附近涂上适当滑石粉或石灰水涂层为防止少量的飞溅不沾上 工件，还可在焊缝附近涂上适当滑石粉或石灰水涂层，能有效地防止飞溅沾上工件。 20 第 4 章 Q345 钢的 CO2气体保护焊工艺的确定 以 Q345 矩形管的拼焊工艺为例进行分析。选择焊接材料时必须考虑到两方面的问题:一要焊缝没有缺陷；二要满足使用性能的要求。Q345 这种钢的焊缝金属的热裂纹及冷裂倾向在正常情况下是不大的。因此在焊接Q345 这种钢材时选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、韧性、塑性等力学性能与
50、母材相匹配。 4.1 矩形管组焊方案的确定 为满足强度需要，此矩形管截面尺寸为 300mm 200mm， 板厚 3mm，设 计 要 求 扭 曲 及 平 行 度 等 偏 差 1.2mm，制作技术难度较大。为此，通过调查研究，最终确定利用板材对称两半折弯成槽形半壳，然后再采用CO2气体保护焊焊接成形的制造工艺，如图 4-1 所示。 4.2 焊接工艺 4.2.1 坡口形式 对称的两根槽形半管用大型折弯机压制成形，按工艺要求加工对接焊坡口，预留间隙拼接。焊接接头的设计在焊接工程中是较薄弱的环节。 坡口形式对控制焊缝内部质量和焊接结构制造质量有着很重要的作用。坡口设计必须考虑母材的熔合比、施焊空间、焊接
