藥芯焊絲氣保焊(簡稱FCAW-G)是一種應用非常廣泛的焊接工藝。它廣泛應用于重型制造、建筑、造船、海上設施等行業中低碳鋼、低合金鋼和其它各種合金材料的焊接。FCAW-G焊接工藝經常采用100%的純CO2或者75%~80%的Ar和20%~25%的CO2混合氣體作為保護氣。
那么在實施藥芯焊絲氣保焊時,究竟該選擇哪一種保護氣,CO2還是Ar/CO2混合氣呢?每種類型的保護氣都有各自的優點和缺陷。選擇焊接保護氣的時候,要重點考慮成本、質量、生產率等因素。有時候保護氣的選擇和這些因素是相矛盾的。本文主要闡述了FCAW-G在焊接鋼材中兩種基本保護氣選擇的優缺點。
在具體討論保護氣選擇利弊之前, 最好回顧一些基本知識。需要說明的是本文只是討論少數幾種保護氣。更全面的介紹,請參考ANSI/AWSA5.32/ A5.32M,焊接保護氣規范中具體規定了保護氣的技術要求,包括試驗、包裝、鑒定、驗收等方面。此外,它還包括焊接過程中通風透氣等一些有用信息,全面考慮安全要求。
保護氣工作原理
所有保護氣的一個主要作用是隔絕空氣中氧氣、氮氣和水蒸氣,保護焊接熔池和電極。保護氣通過焊槍進入,從焊嘴噴出,包圍在電極的四周, 置換掉電極四周的空氣,在熔池和電弧四周形成一個臨時的保護氣罩。CO2 氣體和Ar/CO2混合氣都能實現這個目的。
這些保護氣促進了電弧等離子區的形成,電弧等離子區是焊接電弧的電流通道。保護氣類型也影響著電弧熱的傳導以及在熔池上施加電弧力大小。在這些問題上,CO2和Ar/CO2混合氣的表現并不相同。
保護氣的特點
CO2和Ar在電弧熱中的反應各異。分析這些差異能幫助了解每種氣體的特性是如何影響焊接工藝和焊接熔敷的。
電離電勢。電離電勢是氣體電離所需能量的大小(比如,將氣體轉換成帶電的離子狀態),使氣體能夠導電。電離電勢越低,電弧越輕易引燃并保持穩定。CO2的電離電勢為14.4eV, Ar的電離電勢為15.7eV。因此,CO2保護氣比Ar保護氣更輕易引燃電弧。
熱傳導。氣體的熱傳導是指氣體傳導熱能的能力大小,它的好壞將影響到熔滴過渡的方式(比如射流過渡和大滴過渡)、電弧外形、焊縫熔深和電弧溫度分布等。CO2氣體比Ar氣和Ar/CO2混合氣體具有更高的熱傳導能力。
反應性。氣體的反應性是指氣體是否與熔融的焊接熔池發生化學反應。氣體可以大體分成兩類:惰性氣體和活性氣體。惰性氣體,在焊接熔池中不和其它元素發生反應。Ar就屬于惰性氣體。活性氣體,在焊接熔池中會與其它元素結合或反應,形成新的化合物。在室溫下,CO2屬于惰性氣體, 但在電弧等離子區,CO2會被分解,形成一氧化碳(CO),氧氣(O2)和一些獨立的氧原子(O)。因此,CO2在電弧下就變成了活性氣體,能夠與其它金屬發生氧化。Ar/CO2混合氣體也屬于活性氣體,不過比CO2的活性要低。
當其它焊接規范參數一致時,不同的保護氣產生的焊接煙塵大小也不同。具體說,與CO2保護氣相比,Ar/ CO2保護氣產生焊接煙塵較少,這是因為CO2具有氧化性。此外,由于具體的焊接場合和焊接順序的不同,焊接煙塵的多少也不一樣。
惰性氣體介紹
盡管惰性氣體能夠為焊接熔池提供保護,但它們本身卻并不適合鐵基金屬(比如低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等)藥芯焊絲氣保焊的焊接。比如, 假如僅用Ar作為保護氣焊接不銹鋼,焊縫性能會變得非常差。這是因為采用惰性氣體保護會造成電弧長度加長和焊條外部鋼皮過早熔化。電弧范圍增大且難以控制,導致焊縫堆積。因此,采用藥芯焊絲氣保焊焊接鐵基母材金屬時,通常采用惰性氣體與活性氣體相結合的混合氣體保護。
CO2/Ar混合氣體介紹
在北美,不銹鋼藥芯焊絲氣保焊的焊接常采用Ar/CO2混合氣體作為保護氣,其中Ar占75%和CO2占25%。有時也采用80%的Ar和20%的CO2混合, 不過這種混合比例不常用。有一些氣保護藥芯焊絲需要采用90%的Ar和10% 的CO2混合氣進行保護。但是,假如混合保護氣中的Ar含量小于75%時,就會對電弧性能產生破壞,因此必須確保保護氣中Ar的百分比。此外,Ar /CO2非標準百分比配置的混合氣罐通常要比標準百分比配置混合氣罐(比如75%Ar/25%CO2或80%Ar/20%CO2)更難獲取。
由于CO2的活性本質,當采用Ar/ CO2混合氣體保護進行藥芯焊絲保護焊時,比采用單純的CO2氣體保護,焊條合金在焊縫金屬中的熔敷程度更高。這是因為CO2和合金發生反應,生成氧化物,與焊劑中的氧化物一起,形成熔渣。焊條的藥芯必須包括一些活性元素,比如錳(Mn)和硅(Si)等,除了其它的用途外,還可用作脫氧劑。這些合金的一部分和CO2電離獲得的游離氧發生反應,生成氧化物滯留在熔渣中而不是滯留在焊縫金屬中。因此, 采用Ar/CO2混合氣體比采用CO2氣體保護的焊接熔敷金屬中的Mn和Si含量更高。
焊接熔敷金屬中Mn和Si含量越高, 焊縫強度就越高,焊縫延伸率就越低, 同時夏普V型缺口沖擊韌性也會隨之改變。簡單地將保護氣從CO2換成Ar/CO2 混合氣體,拉伸和屈服強度就會提高7~10ksi,延伸率下降2%。理解這一點非常重要,隨著保護氣中Ar含量的增加,焊縫強度會增加,韌性會降低。
由于保護氣會影響焊縫的最終性能,AWS D1.1/D1.1M:2008,鋼結構焊接規程規定了確保焊縫性能的一系列具體要求。對于所有的焊接來說,保護氣的選擇必須與AWS A5.32/A5.32M 的標準一致。FCAW-G的焊接消耗品(A5.20/A5.20M和A5.29/A5.29M)的AWS 分類規定了焊縫熔敷金屬的強度上限。所選擇的焊接保護氣必須確保焊接結果不超過這些規定的強度上限,這也取決于焊條和焊接工藝的設計。對于未修改前焊接工藝規范,D1.1:2008 要求具體的填充物和保護氣組成支持測試數據。
D1.1:2008的3.7.3條目規定了兩種支持形式:一種是保護氣的使用用于焊條分類目的;一種是填充金屬制造商的數據與AWS A5要求一致,且與WPS規定的保護氣一致。假如這兩種條件都不滿足,D1.1:2008要求混合保護氣要進行評定試驗。
根據氣體類型對填充金屬分類
從2005年開始,美國焊接協會的藥芯填充金屬分類就將保護氣類型編入焊條的分類符號中。低碳鋼FCAW -G焊條的AWS編號為EXXT-XX,最后一位符號就是指保護氣類型。假如最后一位為C,就代表保護氣為CO2;假如為M,代表Ar/CO2混合氣體(比如, E71T-1C或E71T-1M)。對于低合金鋼焊條,保護氣符號與規定符號最后的熔敷金屬成分符號一致(比如E81T1 -Ni1C)。相反,自保護藥芯焊條,不需要任何保護氣,在它的分類編號中也就沒有保護氣體的代號(比如E71T-8)。
一些焊條只能用CO2進行保護。還有一些焊條只能用Ar/CO2混合氣體保護。還有一些焊條可以同時選用CO2氣體或Ar/CO2混合氣體保護,在這種情況下,焊條必須滿足兩種分類要求。
FCAW-G保護氣的選擇
進行藥芯焊絲焊接時,是選擇CO2 氣體保護還是選擇Ar/CO2混合氣體保護需要考慮以下三個方面。
1)保護氣的成本
通常,焊接總成本中有80%屬于人工和治理開支,20%屬于材料成本, 其中保護氣的成本大約占材料成本的1/4,或者說占焊接總成本的5%。假定保護氣的成本是唯一的決定因素,那么通過用CO2保護氣替代Ar/CO2混合保護氣的方式可以大大降低焊接成本。然而,通常其它成本也影響著焊接總成本,這將隨后討論。
CO2比Ar/CO2便宜,因為它可以低成本獲得。世界上CO2的資源廣泛而豐富。CO2通?？梢酝ㄟ^其它工藝的副產品獲得。對焊接工業來說,一方面可以通過天然氣體的加工或分離獲得CO2, 另一方面也可以通過空氣獲得CO2。因為Ar在大氣中的含量不到1%,需要加工和處理大量的空氣才能提取一定量的Ar,并且需要專門的空氣分離裝置來處理空氣。空氣分離裝置耗費大量的電力,也需要放置在專門的區域。
2)焊工的偏好和生產率的影響
當采用相同類型和大小的焊絲進行焊接時,采用Ar/CO2保護氣比單純采用CO2保護氣焊接時所獲得電弧更平穩、更弱,飛濺更小,因此深受焊工的喜愛。CO2保護氣施焊時焊接電弧輕易產生大的熔滴過渡(熔滴通常大于焊絲直徑),導致電弧不穩定,不連續,飛濺較大。Ar/CO2混合氣體保護飛濺過渡的熔滴較小(熔滴通常小于焊絲直徑),導致電弧更加穩定連續, 飛濺小。
Ar/CO2混合氣體保護的另一個特點也增加了焊工們對它的喜愛程度,與使用CO2保護氣施焊相比,它的熱傳導能力較低,因此它能保持熔池的熱度和液態程度。這能使熔池的反應更徹底,焊縫焊趾部分更輕易熔化充分。當進行非凡位置焊接時(比如上坡焊或仰焊時),采用Ar/CO2具有更大的吸引力,因為技術欠佳的焊工也能很好控制電弧,提高焊接生產率。
采用Ar/CO2混合氣體保護焊接時, 由于Ar含量較高,它比CO2保護氣焊接時向焊工放射更多的熱量。這就意味著焊工焊接時感覺更熱。此外,焊槍也會更熱(Ar/CO2保護氣下焊槍的占空比要比CO2保護氣的占空比低),這就要求采用更大的焊槍或者要求同型號焊槍及其易損組件的更換更加頻繁。
3)焊接質量
正如前面討論的一樣,使用Ar/CO2 混合保護氣體與使用CO2保護氣施焊相比,它能保持熔池的熱度和液態程度, 使熔池的反應更徹底,焊縫焊趾部分更輕易熔化充分。因此,它大大提高了焊縫成形能力和焊縫質量。
此外,Ar/CO2混合氣保護施焊時飛濺小,焊縫質量大大提高,同時降低了焊后清理的時間和成本。較低的飛濺量也改善了超聲波焊縫檢測的成本,因為飛濺過多的話,為確保超聲波檢測的準確性,必須要事先清理飛濺。
另外一個影響焊縫外觀外形的質量問題是保護氣對氣痕的敏感性。氣痕,類似蚯蚓爬痕或小雞抓痕的缺陷, 是一些有時會分布在焊縫表面的小溝槽。他們是由焊縫金屬中溶解的氣體導致的,這些氣體在熔池凝固前移出, 卻被滯留在凝固的熔渣下面。
Ar/CO2混合氣體保護比單純CO2氣體保護具有更高的氣痕敏感性。Ar/CO2 保護氣體的飛濺過渡特點導致產生大量的細小熔滴,這增加了熔滴的表面區域,導致焊縫金屬溶解大量的氣體。除了保護氣類型會影響氣痕的敏感性外,還有其他一些因素,但它們不屬于本文討論范圍之內。一些主要應用場合的常用保護氣體
多年以來,一些主要場合的FCAW -G的保護氣已經逐漸形成標準。比如, 在平焊和橫焊的高熔敷焊接應用場合, 通常采用CO2氣保護,因為在這些焊接位置,Ar/CO2混合氣體保護并不具有太大優勢。
造船業也通常喜歡用CO2氣體保護, 因為CO2氣體保護的電弧特性能更好地燒掉母材底漆。北美的海上建筑業,下向焊焊接T型、Y型和K型連接坡口焊縫時都需要光滑的焊縫外形和較小的焊接飛濺,因此采用Ar/CO2混合氣體保護更適合。假如在施工車間里采用不止一種氣保焊工藝,比如說GMAW 和FCAW-G,通常將兩種工藝的保護氣標準化。有時,為了獲得更好的飛濺率和脈沖電弧過渡,許多廠家也選擇Ar/CO2混合氣體保護進行GMAW焊接。
結束語
當為FCAW-G應用選擇保護氣時, 不應該只考慮氣體的成本,而是應該考慮本文所討論的三個方面。每種氣體類型如何影響總的焊接成本?哪種氣體能夠降低每米焊縫的成本?一些廠商發現Ar/CO2混合氣體保護可以提高焊縫質量和生產率。另外一些廠商認為Ar/CO2混合氣體保護焊的優點并不理想或者并不及CO2氣體保護的焊接成本低。然而對另外一些廠商來說,CO2成本低廉,應用于它們的某些焊接場合非常合適。對于FCAW-G工藝的用戶來說,如何選擇保護氣應根據這種氣體是如何影響焊接操作的成本、質量和生產率來確定。一旦選定了保護氣, FCAW-G的焊條應該適合這種氣體的焊接。