前言

      随着Q420B、Q460C等高强钢在输变电钢结构中越来越多的应用，作为与其强度等级相当的ER55-D2锰钼焊丝也将大量应用在焊接生产中。我公司近来该焊丝的使用量增大，但是在焊接生产中，使用传统的CO₂气体做保护，飞溅量大、焊缝成形不良等问题影响着产品的质量。研究表明不同成分的保护气体对实芯焊丝的各项性能有着重大的影响^[1]，为了得到焊丝良好的焊接性能，采用三种不同的常用保护气，以Q420B钢为母材，以各自保护气较理想的中等焊接参数进行试验。

1 不同保护气对焊接飞溅及成形的影响

1.1试验条件

试验选用三种不同保护气分别与焊丝ER55-D2配合焊接，进行对比分析。气保焊机为松下KR-500，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分见表1，采用焊接工艺中等常用参数见表2。试验在Q420B平板上进行，观察焊接时的飞溅，观察焊接时液态金属及熔池的流动性，观察焊缝表面质量及成形状态，计量焊接飞溅数及残留在平板表面的飞溅颗粒大小。焊接飞溅计数方法以平板无限法计量，取焊缝长度200mm，以200mm×200mm范围内附熔在平板表面的有效数量计算，此有效数量飞溅指影响焊缝质量和物件表面质量，需要后工序清渣、打磨。

表1 高强钢焊丝ER55-D2化学成分（质量分数，%）

表2 焊接工艺参数表

序号	保护气成分	焊丝	流量/L/min	电流/A	电压/V	干丝长度/mm	焊速/mm/min
a	CO2	ER55-D2	20	250～260	33～34	20	360
b	80%Ar+20%CO2	ER55-D2	20	280～290	29～30	20	360
c	97%Ar+3%O2	ER55-D2	20	280～290	29～30	20	360

1.2 试验结果

三种气体与ER55-D2焊丝焊接后实物如图1，其外观描述见表3。
  

表3 三种保护气焊接外观描述

序号	保护气成分	飞溅数量及形态	外观成形	熔液流动性
a	CO2	约20个，颗粒较大，直径最小的为1mm，以2～3mm直径的为主，如图1（a），飞溅付熔在焊缝及附近表面	表面成型纹路粗，在200mm长的试验焊缝上，焊缝表面不间断的分布着焊渣壳，呈晶莹灰褐色。	熔液流动性大，铁水“散开”大，铁水形成的熔池不易控制，易导致熔合不良缺陷。
b	80%Ar+20%CO2 （MAG）	约11个，颗粒很小，直径小于1mm，易清理	表面纹路比较细腻，在200mm长的试验焊缝上，焊缝表面分布着焊渣壳，呈晶莹灰褐色。	熔液流动性合适， 铁水“散开”合适，熔池易控制，铁水边缘熔合性好。
c	97%Ar+3%O2 （粗氩）	基本没有飞溅	表面纹路非常细腻， 在200mm长的试验焊缝上，焊缝表面不间断的分布着焊渣壳，呈晶莹灰褐色。	熔液流动性合适，铁水“散开”合适，熔池易控制，铁水边缘熔合性好。

注：飞溅数以200mm×200mm范围内计

1.3 飞溅、成形、熔液流动性等工艺性比较

从试验结果可以看出,不同的保护气即焊接区气相对ER55-D2焊丝的飞溅、外观成形、熔液流动性等工艺性能有着很大的影响。

它们依次为：MAG混合保护气工艺性比纯CO₂保护气好，粗Ar保护气比MAG混合保护气好。

飞溅产生与焊接冶金反应有关系，焊接时，CO_{2       ＋O，CO气体在高温下膨胀，在熔滴过渡时和熔池中受到阻碍，就会发生局部爆破，从而产生大量的颗粒飞溅金属^[2]，因此三种保护气中，纯CO2的飞溅量最大，97%Ar+3%O2（粗氩）基本没有飞溅；飞溅产生与熔滴过渡方式有关系，熔滴过渡时，熔滴细小，甚至射流过渡，飞溅量小^[3]，传统CO2保护气焊接，小参数打底焊时为短路过渡，中等参数时为颗粒过渡，而MAG和粗氩保护气均能在中等参数焊接时，能实现细滴过渡及射流过渡，因此飞溅量少。}CO

成形和熔液流动性与熔液的黏度及表面张力有关。气保焊焊接时，由于脱氧反应，生成Si、Mn的氧化物，氧化物聚集浮在熔液表面形成熔渣，熔渣液的氧化物成分在熔液中也存在，使得熔渣液和熔液表面的结构趋于相近，因此熔渣液和熔液界面张力大大减弱，所以熔液铁水很容易散开^[4]。根据此分析，本次试验的三种不同保护气，以CO₂保护气氧化性最强，MAG保护气次之，粗Ar保护气最弱，当焊丝相同时，CO₂保护气焊接时，焊缝表面的熔渣膜最多，相应“散开”强，导致焊接时，铁水不易控制，容易导致熔合不良等缺陷。

2 不同保护气对焊缝化学成分及力学性能的影响

2.1试验条件

Q420B钢板（360mm×150mm×14mm），实芯焊丝型号ER55-D2,化学成分见表1，焊丝直径为1.2mm，焊机同上。钢板开V型坡口，单边坡口角度约30°，钝边1mm，对接组装，预留间隙3mm，采用CO₂、MAG混合气、粗Ar三种保护气制作对接焊缝。试板焊接，底焊均处于横焊位置焊接，填充焊和盖面焊处于平焊位置焊接，层间温度控制150°～200°，均直流反接，焊接工艺参数见表4。

表4 三种保护气相应焊接工艺参数表

焊接 层次	保护气成分	焊丝	流量/L/min	电流/A	电压/V	干丝长度/mm	焊速/mm/min
打底焊	CO2	ER55-D2	20	120～130	21～22	15～20	130～140
填充、盖面焊	CO2	ER55-D2	20	250～260	30～31	15～20	150～220
打底焊	MAG	ER55-D2	20	170～180	20～21	15～20	145～150
填充、盖面焊	MAG	ER55-D2	20	270～290	28～29	15～20	150～220
打底焊	粗Ar	ER55-D2	20	190～200	19～20	15～20	150～160
填充、盖面焊	粗Ar	ER55-D2	20	280～290	29～30	15～20	190～250

2.2 试验结果

试板按制定的工艺制作完成后，根据相应的标准，进行焊接接头工艺评定，做拉伸试验时,三种保护气对应的试件均在母材上断裂，焊缝完好。 获取的焊缝化学成分见表5,焊接接头的力学性能见表6。

    表5 三种保护气相应焊缝主要化学成分（质量分数，%）

保护气成分	C	Si	Mn	S	P	Mo	Ni	Cu
CO2	0.087	0.367	1.215	0.020	0.028	0.342	＜0.008	0.138
MAG	0.074	0.592	1.58	0.016	0.023	0.331	＜0.008	0.132
粗Ar	0.067	0.580	1.60	0.023	0.032	0.386	＜0.008	0.161

表6 三种保护气相应的焊缝接头力学性能

试样 组别	拉伸试验			弯曲试验		冲击试验Akv （试验温度20℃）
	屈服 强度 （MPa）	抗拉 强度 （MPa）	断后伸长率（A）/%	面弯	背弯	焊缝	热影响区
CO2	448	561	23	合格	合格	84	80
MAG	450	562	22	合格	合格	92	80
粗Ar	455	580	23	合格	合格	96	82

注：力学性能试验均按GB1591-2008,DL/T868-2004进行，每组为三组试样结果均值。            

2.3 结果比较

三种不同保护气对ER55-D2焊丝焊缝化学成分的影响：从试验的结果来看，在这几种主要化学成分上，不同的保护气对C、Si、Mn的影响较大，随着CO₂气体含量的增多，焊缝中C元素的含量有增加，同时Si、Mn等脱氧元素相应降低。主要是因为光焊丝在不同保护气中焊接时，熔滴和熔池与不同的气相发生了充分的冶金反应，导致焊缝增C，而Si、Mn等部分被烧损，形成熔渣附着在焊缝表面。Si、Mn是合金中有益元素，适当的含量可以改善焊缝的冷脆倾向，以及细化晶粒，提高焊缝强度，这对高强钢有利。

三种保护气进行焊接工艺评定时力学性能的影响：三种不同保护气做焊缝拉伸试验时，均在热影响区以外的母材区断裂，而且焊缝接头基本没有发生形变，说明ER55-D2焊丝可以使用CO₂、MAG、粗Ar三种焊接方法进行Q420B高强钢板焊接，屈服和抗拉强度能够满足要求，同时焊缝的弯曲性能均良好。焊缝及热影响区的冲击韧性分别都满足规范要求，从结果来看，CO₂做保护气，焊缝及热影响区的冲击韧性相对MAG、粗Ar两种保护气稍小，表明不同保护气焊接对ER55-D2焊丝的冲击韧性有一定的影响。

3结束语

3.1 三种不同的保护气对ER55-D2焊丝的焊缝化学成分及力学性能都有一定的影响，经试验证明，使用三种不同保护气，选择合适的焊接工艺参数和焊材，焊缝接头均能满足受力要求。

3.2 ER55-D2焊丝焊接高强钢时，在试验三种保护气中，使用粗氩保护气，焊接工艺性能最好，焊接过程中基本无飞溅，铁水易控制，铁水边缘流动可视性好，成形细腻美观。

[1]尹 丰，等.保护气对实心焊丝气体保护焊性能的影响.[J]机械制造文摘—焊接分册.2011.(6).

[2]郑海生.CO₂焊接飞溅产生原因与防止方法探究[J].机电工程技术，2011（40），8.

[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社.

[4]黄治军，等.ER70S-G焊丝焊接工艺性能的研究[J].钢铁研究，2012,2.