二氧化碳保護焊與傳統(tǒng)電弧焊優(yōu)缺點分析

梁軒

（中交四航局第一工程有限公司，廣東廣州 510420）

0 引言

焊接技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要組成部分，現(xiàn)代焊接技術(shù)誕生自19世紀末，發(fā)展出熔焊、壓焊及釬焊三大類焊接技術(shù)，電弧焊是熔焊技術(shù)的典型代表，如今已發(fā)展出豐富的技術(shù)亞種，新型電弧焊技術(shù)如劉黎明團隊建立的穩(wěn)定三絲間接電弧焊系統(tǒng)等[1]。應(yīng)對不同的施工情況，應(yīng)選擇合適的焊接工藝，以平衡焊接成本、效率、質(zhì)量等問題。本文選取二氧化碳保護焊與傳統(tǒng)電弧焊這兩種被普遍應(yīng)用的焊接技術(shù)，主要著眼于這兩種技術(shù)的實際操作特點和施工成果進行分析比較，以確定綜合優(yōu)勢較大的焊接技術(shù)。

1 二氧化碳保護焊與傳統(tǒng)電弧焊技術(shù)概述

1.1 傳統(tǒng)電弧焊的基本原理與特點

傳統(tǒng)電弧焊，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中最廣泛的一種焊接方式，它主要是利用電弧燃燒過程中所產(chǎn)生的熱量，使焊條與焊接物件表面，在高溫環(huán)境下融化，并冷凝后形成相應(yīng)的焊接縫，從而進一步加強焊接物體的牢固程度。當前，傳統(tǒng)電弧焊主要分為手工電弧焊、半自動電弧焊、全自動電弧焊三種形式。

傳統(tǒng)電弧焊的焊接實際效果，與焊接過程中應(yīng)用的焊條種類、焊條直徑以及焊接的層數(shù)、電流、速率等方面，都存在著一定的關(guān)聯(lián)。對實際電弧焊作業(yè)時，焊接處的接頭形式即坡口形式的確定是焊接整體環(huán)境的綜合體現(xiàn)，通常，常見的彎邊焊接厚度一般小于3mm，而平坡口的厚度則控制在3~7mm之間為最佳，V型單面焊接的厚度則是在7~18mm之間為最佳。在進行材料焊接時，應(yīng)綜合考慮焊料材質(zhì)規(guī)格及焊縫特點等因素，制定合理的施工計劃，才能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接工藝的恰當應(yīng)用。

1.2 二氧化碳保護焊的基本原理與特點

二氧化碳保護焊，是以傳統(tǒng)電弧焊工藝為基礎(chǔ)，優(yōu)化發(fā)展出的實用焊接技術(shù)，屬氣體保護焊。在實際二氧化碳保護焊施工過程中，焊接人員利用充電電容，以每10~11s為一個周期做5~10s的短時間放電，讓焊接物質(zhì)表層材料與焊接物體局部加熱熔化，在這一過程中，以二氧化碳保護氣體（通常為二氧化碳與氬氣的混合氣體）包圍焊接位置，將電弧和熔池與復(fù)雜大氣環(huán)境隔離開，防止大氣成分對焊接造成影響。

二氧化碳保護焊的技術(shù)要點在于形成穩(wěn)定可靠的氣體保護環(huán)境，空氣流動會稀釋并破壞二氧化碳氣團，所以通常選擇在無風(fēng)環(huán)境主要是室內(nèi)環(huán)境下作業(yè)，在室外環(huán)境時應(yīng)做好防風(fēng)措施。二氧化碳保護焊的主要應(yīng)用對象是低碳鋼及低合金鋼等黑色金屬材料，對其他多數(shù)類型的鋼材也有較好的焊接效果。

2 二氧化碳保護焊與傳統(tǒng)電弧焊的技術(shù)優(yōu)勢

基于第一節(jié)對二氧化碳保護焊與傳統(tǒng)電弧焊的原理特性的解釋，本節(jié)將對兩種焊接工藝的使用過程及工藝特征進行總結(jié)，對兩種工藝進行對比分析，主要闡述二氧化碳保護焊工藝在效率、成本、質(zhì)量上的優(yōu)勢，為日后類似的工程項目焊接技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

2.1 焊接效率

焊接效率的差別直接影響實際施工的進度，本小節(jié)將考慮兩種工藝在生產(chǎn)中的直接效率及其工藝特征對效率的間接影響兩方面來分析。

2.1.1 直接效率影響

依據(jù)國內(nèi)關(guān)于電焊焊接實踐效果來看，二氧化碳保護焊接技術(shù)的工作效率，是傳統(tǒng)電弧焊工作效率的2~3倍。

首先從電性能方面進行分析，二氧化碳保護焊通常選擇較細的絲徑（0.8~1.2mm），而電弧焊焊條直徑通常在2mm以上，以施加250A電流為例，通過計算可得二氧化碳保護焊的電流密度一般在170~390A/mm2之間，實際使用中通常為200~350A/mm2之間，而傳統(tǒng)電弧焊電流密度約為100~200A/mm2，顯然，二氧化碳保護焊技術(shù)有良好的能量集中性，能更快速將電能轉(zhuǎn)化為熱能，預(yù)期產(chǎn)熱效率約為普通電弧焊2~3倍。而且，二氧化碳保護區(qū)域中的空氣流動較弱，也會降低焊接過程中的熱量散失，側(cè)面提高綜合熱熔效率。

再從熱學(xué)角度分析，焊接過程中經(jīng)由熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的焊縫部分熱場分布會直接影響熱熔效率。一項研究指出[2-3]，在纜式焊絲二氧化碳氣體保護焊在工作狀態(tài)下產(chǎn)生束狀電弧其散熱面積較小，熱對流損失較小，熱流分布密度集中，能顯著提高焊絲熔化速度。從數(shù)值角度分析，相同條件下，纜式焊絲二氧化碳氣體保護焊的熔深為8mm，大于埋弧焊熔深7.5mm。顯然，纜式焊絲二氧化碳氣體保護焊的熱熔效率更高。

2.1.2 間接效率影響

在實際生產(chǎn)條件下，影響焊接效率的不止是直接的電與熱效應(yīng)，還包括其他情況影響工作流程進而產(chǎn)生效率影響。

其中較為典型的一種影響是焊接后期對焊區(qū)焊點進行清理。對傳統(tǒng)電弧焊的實踐環(huán)節(jié)進行分析，焊機作業(yè)人員須在電弧焊前期和后期，對焊接區(qū)域進行全面清理，確保焊接區(qū)域，不會由于焊接區(qū)域灰塵，出現(xiàn)焊接區(qū)域開裂、焊接后美觀程度較低的問題。而二氧化碳保護焊接方式，借助母材焊接電力傳輸速率較快，焊接區(qū)域小面積焊接的方式，實現(xiàn)迅速焊接。這樣的焊接過程，能夠?qū)⑷诨蟮暮附訁^(qū)域都集中進行焊接，也就不會在其表面，形成焊接區(qū)域殘留的問題了。

以對應(yīng)焊接實例的簡單圖例對以上理論進行分析。如圖1所示，假定本次焊接區(qū)域是三角形。傳統(tǒng)電弧焊進行焊接時，需要沿著該三角形的三條邊逐步進行焊接，尤其是對該區(qū)域內(nèi)部三個定點進行焊接，且焊接過程是以全面焊接為主，后期再繼續(xù)進行焊接各個邊緣完善，要求焊接人員進行二次處理。而運用二氧化碳保護焊接時，焊接人員只需按照三角形邊緣，選擇三個頂點、以及三條邊的中點進行焊接即可。兩者對比而言，后者的優(yōu)勢在于焊接效果更加美觀，焊接的實踐環(huán)節(jié)也更加靈活，且需要進行的處理較少，能顯著提高焊接效率。

圖1 三角形焊接區(qū)域結(jié)構(gòu)

2.2 焊接成本

工作成本也是影響實際生產(chǎn)的一項重要因素，對焊接工藝而言，其成本主要在兩方面：直接的資源能源消耗與額外的施工實踐成本。

2.2.1 資源能源損耗成本

首先分析資源損耗。二氧化碳保護焊接法的應(yīng)用，是基于傳統(tǒng)電弧焊的基礎(chǔ)上，進行焊接方式、焊接策略的適當性調(diào)整，額外使用了二氧化碳這一物質(zhì)資源，但二氧化碳本身屬于易得物資，是多種工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，所以并不會明顯提高生產(chǎn)成本。另一方面，對比兩種工藝所用到的焊絲焊條，二氧化碳保護焊的焊絲較細，在實際工作的實施過程中，只需進行焊接時的局部區(qū)域測量、焊接，可以根據(jù)具體焊接情況靈活調(diào)整，無須時刻進行焊接材料的綜合性把握[4]。

而在能源方面，在前文焊接效率部分有分析過二氧化碳保護焊工藝有較高的電能熱能利用效率，這不僅能提高焊接效率，更能減少能源損耗，節(jié)約能源。綜上，二氧化碳保護焊工藝是現(xiàn)代區(qū)域焊接技術(shù)資源全面性應(yīng)用的代表，實現(xiàn)了焊接資源的最優(yōu)化應(yīng)用，與傳統(tǒng)電弧焊焊接工藝相比，是焊接應(yīng)用資本節(jié)約最直接的體現(xiàn)。

2.2.2 實際操作成本

實際焊接中的成本不止在于資源能源消耗，也在于該過程中的人力消耗和時間成本。傳統(tǒng)電弧焊實踐時，電焊人員，需要在焊接前，進行焊接材料尺寸對比。在實際焊接時，為了保障焊接質(zhì)量，也需要進行焊接材料的合理對應(yīng)。每一項焊接工作的開展，都需要人工進行重復(fù)測量，其焊接過程中，自然也需消耗更多的人工雇傭成本和時間成本，才能確保電弧焊技術(shù)的順利實施。而二氧化碳保護焊接工藝的實施過程，主要集中在焊接實踐過程中，焊接要點的準確校對即可，而對于焊接前期的資源規(guī)格，并沒有較為特殊的要求。因此，二氧化碳保護焊接技術(shù)的實施過程，并不需要材料前期整體過程，自然也就達到了提升焊機人員操作效率，節(jié)約焊接成本的目的。

2.3 焊接技術(shù)的可操作性

二氧化碳保護焊對比傳統(tǒng)電弧焊的優(yōu)勢，也體現(xiàn)在焊接作業(yè)過程的靈活度層面。

（1）二氧化碳保護焊接時，焊接人員只需確定焊接點的具體位置，無須考慮焊接資源、焊接尺寸以及焊接的先后順序，而傳統(tǒng)電弧焊接方式，則需要焊接人員在實際焊接過程中，時刻保障焊接材料的尺度、方向、以及焊接角度等條件。與其相比較而言，二氧化碳焊接人員實際操作的靈活度較高，焊接中依據(jù)焊接材料的需要，實行焊接方法靈活應(yīng)用的比例較高。

（2）二氧化碳保護焊接時，焊接方式實踐時，對物體表面的油漬、銹跡等方面的敏感度較低，由此，運用二氧化碳保護焊接時，只要焊接資源表面不出現(xiàn)大面積的油漬、銹跡等情況，焊接技術(shù)都可以直接運用，無須進行全面性的清理，因此，二氧化碳保護焊接技術(shù)的應(yīng)用相對較為靈活。

3 結(jié)語

綜上所述，二氧化碳保護焊對比傳統(tǒng)電弧焊，具有焊接效率高、焊接成本低、焊接質(zhì)量高、操作靈活等多方面優(yōu)點，整體上有著優(yōu)良的綜合性能，適用于小直徑鋼筋的焊接。但同時，二氧化碳保護焊仍有一定不足，比如需要避風(fēng)環(huán)境等?？傮w上，二氧化碳保護焊技術(shù)即是當前的一種優(yōu)勢焊接技術(shù)，也仍有著廣闊的發(fā)展前景，對二氧化碳保護焊技術(shù)與傳統(tǒng)電弧焊的對比，將為我國當代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的深入優(yōu)化提供創(chuàng)新視角。