Q345钢的CO2气体保护焊的工艺研究.docx
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Q345钢的CO2气体保护焊的工艺研究
Q345钢的CO2气体保护焊的工艺研究
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
TECHNOLOGYOFSTUDYQ345STEELBYCO2GASWELDINGPROTECTION
ABSTRACT
Inthispaper,Q345SteelCO2gasshieldedweldingprocessasanexampleofitsanalysisandresearch.
GoodmechanicalpropertiesofQ345steel,lowtemperatureperformancecan,plasticandweldingofgood,usedinlowpressurevessels,tanks,vehicles,cranes,miningmachinery,powerplants,bridgesandotherstructurestowithstanddynamicload,mechanicalparts,buildingstructures,Generalmetalstructure,useofhot-rolledornormalizedcondition,thefollowingcanbeusedin-40℃coldregionsofthevariousstructures.Inordertoimproveefficiency,costsavings,andmoreuseofweldingtechnology.
Carbondioxidegasweldingprotectionhasgrowntobecomeanimportantbywelding,withlowcost,efficientandflexibleoperatingcharacteristics.Itiswidelyusedinthecarengine,shipbuilding,constructionmachinery.Theboilerpressurevessel,suchasmanufacturing,andallsortsofmetalandmetalprocessingmachineryproduction.
ThispaperanalyzestheQ345steelwelding,followedbyCO2gasshieldedweldingonthecharacteristicsandprocessesareanalyzedtodeterminetheQ345steelCO2gasshieldedweldingprocess.Optimizationofprocessingparameters,notonlycanreducetheweldingprocessoffrequentlyaskedquestions,andeffectivelyreducetheappearanceofwelddefects,andcanimproveproductionefficiency,savingproductioncost.
KEYWORDS:
Q345steel，CO2gasshieldedwelding，technology，defectsofwelding
摘要………………………………………….………...……………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………..……………Ⅱ
目录......................................................................................................Ⅲ
前言……………………………..………………….…………..…................1
第1章Q345钢及CO2气体保护焊简介…………………….................3
1.1Q345钢简介 ………………………....................................................3
1.1.1Q345钢的应用与分类……..........................................................3
1.1.2Q345化学成分及力学性能分析……........................................…3
1.1.3Q345钢的焊接特点……..........................................................…4
1.2CO2气体保护焊简介 …………………….........................................…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
1.2.3CO2气体保护焊冶金原理……..................................................…6
1.2.4CO2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气体流量的选择…............................................................……12
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、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CO2＋Ar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，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。
第1章Q345钢及CO2气体保护焊简介
1.1Q345钢简介
1.1.1Q345钢的应用与分类
Q345钢是一种优质的低合金高强钢（C<0.2%），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。
1.1.2Q345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1-1Q345力学性能分析表
牌号
等级
拉力强度MPa
屈服点MPa
伸长率（%）
Q345
A
470~630
345
22
B
C
D
E
表1-2Q345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
－
－
1.1.3Q345钢的焊接特点
1．碳当量（Ceq）的计算
Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/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。
2．Q345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。
1.2CO2气体保护焊简介
1.2.1CO2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=CO﹢1／2O2放热反应（1-2）
上式反应有利于对熔池的冷却作用。
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、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。
1.2.3CO2气体保护焊冶金原理
在进行焊接时，电弧空间同时存在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，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具有较强的氧化性，在焊缝中不易产生氢气孔。
1.2.4CO2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1.6~2.4mm），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2.4~5mm），以大电流、低电弧电压进行焊接。
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。
如果用直径1.6mm的焊丝钝边可留4~6mm，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10~20mm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。
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
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15~50mm，间距为30~150mm；中厚板的定位焊缝间距可达100~150mm。
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15~50mm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。
2.2.1焊丝直径的选择
对于钢板厚度为1~4mm时，应采用直径为0.6~1.2mm的焊丝；当钢板厚度大于4mm时，应采用直径大于或等于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）
0.6~1.2
1.0~1.6
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
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