二氧化碳保护焊与传统电弧焊优缺点分析

梁轩

（中交四航局第一工程有限公司，广东广州 510420）

0 引言

焊接技术是现代工业生产发展的重要组成部分，现代焊接技术诞生自19世纪末，发展出熔焊、压焊及钎焊三大类焊接技术，电弧焊是熔焊技术的典型代表，如今已发展出丰富的技术亚种，新型电弧焊技术如刘黎明团队建立的稳定三丝间接电弧焊系统等[1]。应对不同的施工情况，应选择合适的焊接工艺，以平衡焊接成本、效率、质量等问题。本文选取二氧化碳保护焊与传统电弧焊这两种被普遍应用的焊接技术，主要着眼于这两种技术的实际操作特点和施工成果进行分析比较，以确定综合优势较大的焊接技术。

1 二氧化碳保护焊与传统电弧焊技术概述

1.1 传统电弧焊的基本原理与特点

传统电弧焊，是现代工业发展中最广泛的一种焊接方式，它主要是利用电弧燃烧过程中所产生的热量，使焊条与焊接物件表面，在高温环境下融化，并冷凝后形成相应的焊接缝，从而进一步加强焊接物体的牢固程度。当前，传统电弧焊主要分为手工电弧焊、半自动电弧焊、全自动电弧焊三种形式。

传统电弧焊的焊接实际效果，与焊接过程中应用的焊条种类、焊条直径以及焊接的层数、电流、速率等方面，都存在着一定的关联。对实际电弧焊作业时，焊接处的接头形式即坡口形式的确定是焊接整体环境的综合体现，通常，常见的弯边焊接厚度一般小于3mm，而平坡口的厚度则控制在3~7mm之间为最佳，V型单面焊接的厚度则是在7~18mm之间为最佳。在进行材料焊接时，应综合考虑焊料材质规格及焊缝特点等因素，制定合理的施工计划，才能够实现对焊接工艺的恰当应用。

1.2 二氧化碳保护焊的基本原理与特点

二氧化碳保护焊，是以传统电弧焊工艺为基础，优化发展出的实用焊接技术，属气体保护焊。在实际二氧化碳保护焊施工过程中，焊接人员利用充电电容，以每10~11s为一个周期做5~10s的短时间放电，让焊接物质表层材料与焊接物体局部加热熔化，在这一过程中，以二氧化碳保护气体（通常为二氧化碳与氩气的混合气体）包围焊接位置，将电弧和熔池与复杂大气环境隔离开，防止大气成分对焊接造成影响。

二氧化碳保护焊的技术要点在于形成稳定可靠的气体保护环境，空气流动会稀释并破坏二氧化碳气团，所以通常选择在无风环境主要是室内环境下作业，在室外环境时应做好防风措施。二氧化碳保护焊的主要应用对象是低碳钢及低合金钢等黑色金属材料，对其他多数类型的钢材也有较好的焊接效果。

2 二氧化碳保护焊与传统电弧焊的技术优势

基于第一节对二氧化碳保护焊与传统电弧焊的原理特性的解释，本节将对两种焊接工艺的使用过程及工艺特征进行总结，对两种工艺进行对比分析，主要阐述二氧化碳保护焊工艺在效率、成本、质量上的优势，为日后类似的工程项目焊接技术的应用提供参考。

2.1 焊接效率

焊接效率的差别直接影响实际施工的进度，本小节将考虑两种工艺在生产中的直接效率及其工艺特征对效率的间接影响两方面来分析。

2.1.1 直接效率影响

依据国内关于电焊焊接实践效果来看，二氧化碳保护焊接技术的工作效率，是传统电弧焊工作效率的2~3倍。

首先从电性能方面进行分析，二氧化碳保护焊通常选择较细的丝径（0.8~1.2mm），而电弧焊焊条直径通常在2mm以上，以施加250A电流为例，通过计算可得二氧化碳保护焊的电流密度一般在170~390A/mm2之间，实际使用中通常为200~350A/mm2之间，而传统电弧焊电流密度约为100~200A/mm2，显然，二氧化碳保护焊技术有良好的能量集中性，能更快速将电能转化为热能，预期产热效率约为普通电弧焊2~3倍。而且，二氧化碳保护区域中的空气流动较弱，也会降低焊接过程中的热量散失，侧面提高综合热熔效率。

再从热学角度分析，焊接过程中经由热传导产生的焊缝部分热场分布会直接影响热熔效率。一项研究指出[2-3]，在缆式焊丝二氧化碳气体保护焊在工作状态下产生束状电弧其散热面积较小，热对流损失较小，热流分布密度集中，能显著提高焊丝熔化速度。从数值角度分析，相同条件下，缆式焊丝二氧化碳气体保护焊的熔深为8mm，大于埋弧焊熔深7.5mm。显然，缆式焊丝二氧化碳气体保护焊的热熔效率更高。

2.1.2 间接效率影响

在实际生产条件下，影响焊接效率的不止是直接的电与热效应，还包括其他情况影响工作流程进而产生效率影响。

其中较为典型的一种影响是焊接后期对焊区焊点进行清理。对传统电弧焊的实践环节进行分析，焊机作业人员须在电弧焊前期和后期，对焊接区域进行全面清理，确保焊接区域，不会由于焊接区域灰尘，出现焊接区域开裂、焊接后美观程度较低的问题。而二氧化碳保护焊接方式，借助母材焊接电力传输速率较快，焊接区域小面积焊接的方式，实现迅速焊接。这样的焊接过程，能够将融化后的焊接区域都集中进行焊接，也就不会在其表面，形成焊接区域残留的问题了。

以对应焊接实例的简单图例对以上理论进行分析。如图1所示，假定本次焊接区域是三角形。传统电弧焊进行焊接时，需要沿着该三角形的三条边逐步进行焊接，尤其是对该区域内部三个定点进行焊接，且焊接过程是以全面焊接为主，后期再继续进行焊接各个边缘完善，要求焊接人员进行二次处理。而运用二氧化碳保护焊接时，焊接人员只需按照三角形边缘，选择三个顶点、以及三条边的中点进行焊接即可。两者对比而言，后者的优势在于焊接效果更加美观，焊接的实践环节也更加灵活，且需要进行的处理较少，能显著提高焊接效率。

图1 三角形焊接区域结构

2.2 焊接成本

工作成本也是影响实际生产的一项重要因素，对焊接工艺而言，其成本主要在两方面：直接的资源能源消耗与额外的施工实践成本。

2.2.1 资源能源损耗成本

首先分析资源损耗。二氧化碳保护焊接法的应用，是基于传统电弧焊的基础上，进行焊接方式、焊接策略的适当性调整，额外使用了二氧化碳这一物质资源，但二氧化碳本身属于易得物资，是多种工业生产的副产品，所以并不会明显提高生产成本。另一方面，对比两种工艺所用到的焊丝焊条，二氧化碳保护焊的焊丝较细，在实际工作的实施过程中，只需进行焊接时的局部区域测量、焊接，可以根据具体焊接情况灵活调整，无须时刻进行焊接材料的综合性把握[4]。

而在能源方面，在前文焊接效率部分有分析过二氧化碳保护焊工艺有较高的电能热能利用效率，这不仅能提高焊接效率，更能减少能源损耗，节约能源。综上，二氧化碳保护焊工艺是现代区域焊接技术资源全面性应用的代表，实现了焊接资源的最优化应用，与传统电弧焊焊接工艺相比，是焊接应用资本节约最直接的体现。

2.2.2 实际操作成本

实际焊接中的成本不止在于资源能源消耗，也在于该过程中的人力消耗和时间成本。传统电弧焊实践时，电焊人员，需要在焊接前，进行焊接材料尺寸对比。在实际焊接时，为了保障焊接质量，也需要进行焊接材料的合理对应。每一项焊接工作的开展，都需要人工进行重复测量，其焊接过程中，自然也需消耗更多的人工雇佣成本和时间成本，才能确保电弧焊技术的顺利实施。而二氧化碳保护焊接工艺的实施过程，主要集中在焊接实践过程中，焊接要点的准确校对即可，而对于焊接前期的资源规格，并没有较为特殊的要求。因此，二氧化碳保护焊接技术的实施过程，并不需要材料前期整体过程，自然也就达到了提升焊机人员操作效率，节约焊接成本的目的。

2.3 焊接技术的可操作性

二氧化碳保护焊对比传统电弧焊的优势，也体现在焊接作业过程的灵活度层面。

（1）二氧化碳保护焊接时，焊接人员只需确定焊接点的具体位置，无须考虑焊接资源、焊接尺寸以及焊接的先后顺序，而传统电弧焊接方式，则需要焊接人员在实际焊接过程中，时刻保障焊接材料的尺度、方向、以及焊接角度等条件。与其相比较而言，二氧化碳焊接人员实际操作的灵活度较高，焊接中依据焊接材料的需要，实行焊接方法灵活应用的比例较高。

（2）二氧化碳保护焊接时，焊接方式实践时，对物体表面的油渍、锈迹等方面的敏感度较低，由此，运用二氧化碳保护焊接时，只要焊接资源表面不出现大面积的油渍、锈迹等情况，焊接技术都可以直接运用，无须进行全面性的清理，因此，二氧化碳保护焊接技术的应用相对较为灵活。

3 结语

综上所述，二氧化碳保护焊对比传统电弧焊，具有焊接效率高、焊接成本低、焊接质量高、操作灵活等多方面优点，整体上有着优良的综合性能，适用于小直径钢筋的焊接。但同时，二氧化碳保护焊仍有一定不足，比如需要避风环境等。总体上，二氧化碳保护焊技术即是当前的一种优势焊接技术，也仍有着广阔的发展前景，对二氧化碳保护焊技术与传统电弧焊的对比，将为我国当代工业生产技术的深入优化提供创新视角。