CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用

席廷宣,尉世凱

(1.山西省電建四公司,山西太原 030012;2.山西電力科學(xué)研究院,山西太原 030001)

CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用

席廷宣1,尉世凱2

(1.山西省電建四公司,山西太原 030012;2.山西電力科學(xué)研究院,山西太原 030001)

通過(guò)對(duì)CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的比較,以及總結(jié)CO2氣體保護(hù)焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和制訂針對(duì)性預(yù)防措施,在火電施工,特別是煙風(fēng)煤粉等薄壁管道及鋼結(jié)構(gòu)制作中應(yīng)用,可以提高施工效率,降低施工成本。

CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù);分段焊接;工程應(yīng)用

0 引言

CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)發(fā)展與金屬結(jié)構(gòu)制造狀況密不可分。20世紀(jì)50年代初期,CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)一經(jīng)開(kāi)發(fā),就應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)制造,并伴隨著焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)水平的不斷提高,逐漸成為金屬結(jié)構(gòu)焊接的主要方法。其高效、優(yōu)質(zhì)、自動(dòng)化的技術(shù)特點(diǎn),具有良好應(yīng)用條件,并且極大地推動(dòng)了金屬結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從20世紀(jì)80年代中期到90年代初形成了我國(guó)大型金屬結(jié)構(gòu)企業(yè)的CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的生產(chǎn)能力,從而大大改變了金屬結(jié)構(gòu)制造企業(yè)的裝備水平、制造能力,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。山西省電建四公司CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)也在1989年太原第一熱電廠五期擴(kuò)建工程的水冷壁密封焊接中得到應(yīng)用,并且在大唐陽(yáng)城國(guó)際發(fā)電廠一期工程低壓缸及凝汽器的組合焊接中再次成功應(yīng)用。

目前,美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)采用焊接金屬結(jié)構(gòu)件比例日趨增大,其中CO2氣體保護(hù)焊消耗的焊接金屬材料重量約占全部焊接材料總重量的50%,而我國(guó)僅為20%。為了提高現(xiàn)場(chǎng)金屬構(gòu)件制作焊接效率及焊接質(zhì)量,應(yīng)積極推廣CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)在工程中應(yīng)用。

1 CO2氣體保護(hù)焊的主要優(yōu)點(diǎn)

1.1 生產(chǎn)效率高

首先,CO2氣體保護(hù)焊能夠?qū)崿F(xiàn)較大的焊接電流,如采用φ1.2 mm實(shí)心焊絲,焊接電流可達(dá)到350 A,φ2.4 mm藥芯焊絲的焊接電流可達(dá)到500 A,電弧熱量集中、焊絲熔化速度快、熔敷系數(shù)高,熔化速度和熔化系數(shù)高,比焊條電弧焊大1～3倍;其次,由于熔深大,CO2氣體保護(hù)焊坡口截面比焊條電弧焊減小50%,即熔敷金屬量減少1/2;再次,CO2氣體保護(hù)焊輔助時(shí)間是焊條電弧焊的50%[1]。據(jù)松下公司資料介紹,CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的工效與焊條電弧焊相比提高2.02～3.88倍,而且保持連續(xù)焊接,從而提高焊接生產(chǎn)效率。

1.2 焊接質(zhì)量好

CO2氣體保護(hù)焊接的優(yōu)點(diǎn)是明弧焊接,易實(shí)現(xiàn)全方位半自動(dòng)和自動(dòng)焊接;CO2氣體保護(hù)焊接的自動(dòng)化程度高,電弧自身調(diào)節(jié)作用強(qiáng),焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定性好,減少了人為干擾因素;電弧可持續(xù)燃燒,整條焊縫焊接接頭少,減少了接頭缺陷;焊縫金屬組織致密,焊接質(zhì)量穩(wěn)定[1]。由于CO2氣體在焊接過(guò)程中對(duì)焊縫有一定的冷卻作用,可以防止薄板焊接燒穿,電弧熱量集中,焊接熱影響區(qū)小,焊接變形小。

1.3 CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)改良了焊接接頭形式

CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)改良了焊接接頭形式和焊接坡口形式如圖1所示。CO2氣體保護(hù)焊的焊接溶深較大,在T形接頭形式時(shí),當(dāng)熔深增大時(shí),在保證焊縫金屬承載面積保持不變時(shí),焊腳尺寸往往可以減少。在對(duì)接接頭時(shí),CO2氣體保護(hù)焊接與手工電弧焊相比,焊接坡口角度一般可以減少5～10°,當(dāng)采用單邊V形坡口對(duì)接焊時(shí),坡口角度為45°。采用錐形噴嘴,就可以使根部焊透,并使焊縫熔合的很好[2]。

圖1 CO2氣體保護(hù)焊與手工電弧焊接頭對(duì)比圖

1.4 焊接規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大

CO2氣體保護(hù)焊接同一規(guī)格尺寸的焊絲可采用焊接規(guī)范參數(shù)變化范圍較大,如φ1.2 mm實(shí)心焊絲其焊接電流調(diào)節(jié)范圍可以為80～350 A,從而使CO2氣體保護(hù)焊接的焊接設(shè)備、材料具備較好的適應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的變化能力,減少了儲(chǔ)備焊接材料規(guī)格和重量,有利于焊接質(zhì)量控制和管理[2]。

1.5 CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)成本低

手工電弧焊熔深淺,所以需要開(kāi)大坡口 (30～60°),而CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)焊接熔深大,可減小坡口角度 (45～50°),應(yīng)用CO2氣體保護(hù)焊接時(shí)可大幅度地降低熔敷金屬量即焊絲使用量減少,可降低成本。由于焊縫截面積減少36%～54%,節(jié)省填充金屬量,同時(shí),降低耗電量65.4%,設(shè)備臺(tái)班費(fèi)較焊條電弧焊降低67%～80%,可降低成本20%～40%,減少人工費(fèi)、工時(shí)費(fèi),降低成本10%～16%,節(jié)省輔助工時(shí)、輔料消耗及矯正變形等費(fèi)用,綜合CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)焊接能使焊接總成本降低39.6%～78.7%,平均降低59%[1]。

1.6 能源利用率高

據(jù)相關(guān)資料介紹,CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的電弧密度高,電弧能量大多有效地用于焊接材料熔化及母材金屬的熔合,獲得每千克熔敷金屬的耗電量較低,φ1.2 mm實(shí)心焊絲為1.8～2.0 kW·h/kg;φ1.2～2.4 mm藥芯焊絲為2.1～2.4 kW·h/kg,能源利用率高[2]。因此,CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)推廣應(yīng)用有利于節(jié)省能源,可比手工電弧焊節(jié)電50%～60%,從而減少了能源浪費(fèi)。

2 CO2氣體保護(hù)焊接的主要缺點(diǎn)

2.1 金屬飛濺較多

純凈二氧化碳制備困難,其中的水份和氮?dú)獾入s質(zhì),常常引起較大煙塵和飛濺,特別是當(dāng)焊接工藝參數(shù)匹配不當(dāng)時(shí),飛濺更為嚴(yán)重,使焊縫外觀不夠光滑。

2.2 焊縫金屬氧化和氣孔夾雜

CO2氣體保護(hù)焊接時(shí)氣流對(duì)焊縫有冷卻作用,又無(wú)熔池覆蓋,故熔池冷卻快。此外,所用的電流密度大,焊縫窄而深,氣體逸出路程長(zhǎng),于是增加了產(chǎn)生氣孔的可能性。

CO2容易高溫分解,生成CO和O2,造成一定的焊縫金屬氧化和氣孔夾雜,(也是熔池飛濺的原因之一),不能焊接易氧化的金屬材料,可能產(chǎn)生的氣孔主要有一氧化碳?xì)饪?、氫氣孔和氮?dú)饪住?/p>

2.3 弧光輻射較強(qiáng)

CO2氣體保護(hù)焊接是明弧作業(yè),焊接弧光較強(qiáng),特別是大電流焊接時(shí),要注意對(duì)操作人員防弧光輻射保護(hù)。

3 CO2氣體保護(hù)焊接措施

CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)是優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的焊接方法。同時(shí)它的缺點(diǎn)可通過(guò)提高技術(shù)水平和改進(jìn)焊接設(shè)備加以解決。

3.1 減少飛濺的方法

金屬飛濺是CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的焊接主要問(wèn)題,特別是粗絲大電流焊接飛濺更為嚴(yán)重,有時(shí)飛濺損失達(dá)焊絲熔化量的30%～40%,飛濺增加了焊絲的電能消耗,降低焊接生產(chǎn)率和增加焊接成本,同時(shí),飛濺金屬粘到導(dǎo)電嘴和噴嘴內(nèi)壁上,會(huì)造成送絲和送氣不暢,影響電弧穩(wěn)定和降低保護(hù)作用,惡化焊縫成型。粘到焊件表面上又增加焊后清理工作。

a)采用動(dòng)特性好的波形控制電源,采用脈沖電源,也就是在選擇焊機(jī)的時(shí)候要合理選擇,并匹配合適的可調(diào)電感,以便當(dāng)采用不同直徑的焊絲時(shí),能調(diào)得合適的電流增長(zhǎng)速度。

b)采用混合氣體,即用 (75%～95%)A r+(25%～5%)CO2氣體,加入氬氣的混合氣體保護(hù),使過(guò)渡熔滴變細(xì),甚至得到射流過(guò)渡,改善過(guò)渡特性,減少金屬飛濺。

c)采用藥芯焊絲,由于藥芯中加入脫氧劑、穩(wěn)弧劑及造渣劑等,造成氣—渣聯(lián)合保護(hù)飛濺少、氣孔少、韌性高、熔深大、熔敷速度高。

d)采用直流反接進(jìn)行焊接。

e)要合理選擇焊接工藝參數(shù),采用不同熔滴過(guò)渡形式焊接,以獲得最小的飛濺。

3.2 減少焊接氣孔的方法

a)CO2氣體保護(hù)焊是明弧作業(yè),抗風(fēng)能力較弱,焊接作業(yè)時(shí)需有防風(fēng)措施。

b)產(chǎn)生CO氣孔的主要原因是焊絲中脫氧元素不足,使熔池中熔入較多的FeO,它和C發(fā)生強(qiáng)烈的碳還原反應(yīng),便產(chǎn)生CO氣孔。因此,只要焊絲中有足夠的脫氧元素Si和M n,以及限止焊絲中C含量,就能有效防止CO氣孔。

c)產(chǎn)生N2氣孔的原因主要是CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)保護(hù)不良或CO2氣體純度不高。只要加強(qiáng)CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù)的保護(hù)和控制CO2氣體的純度,即可防止。造成保護(hù)效果不好的原因一般是過(guò)小的氣體流量,噴嘴被堵、噴嘴距工件過(guò)大,電弧電壓過(guò)高 (即電弧過(guò)長(zhǎng)),電弧不穩(wěn)或作業(yè)區(qū)有風(fēng)等。

d)產(chǎn)生H2氣孔是由于在高溫時(shí)熔入了大量H 2,結(jié)晶過(guò)程中不能充分排出,而留在焊縫金屬中。電弧區(qū)的H 2主要來(lái)自焊絲、工件表面的油污和鐵銹以及CO2氣體中所含的水分。因此對(duì)CO2氣體進(jìn)行提純與干燥是必要的。

3.3 焊絲吸潮問(wèn)題

這其實(shí)是一個(gè)管理上的問(wèn)題。焊絲打開(kāi)包裝后,當(dāng)天未用完,裸露在車(chē)間,則容易吸潮,特別在雨天或濕度較大時(shí),因?yàn)樗幮竞附z一般都是有縫的,里邊的填充藥粉會(huì)吸潮,導(dǎo)致使用過(guò)程中容易出現(xiàn)氣孔缺陷。但只要采取一些必要的措施,例如,當(dāng)天未用完的焊絲送還焊材烘烤室 (焊材二級(jí)庫(kù)),或根據(jù)濕度大小,用干燥塑料布將未用完的焊絲包扎嚴(yán)密,與大氣隔離,焊絲吸潮、生銹的可能性大大減小。

3.4 CO2氣體提純方法

當(dāng)市面出售CO2氣體含水量較高時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)減少水分的措施是:

將新灌氣瓶倒立靜置1～2 h,然后開(kāi)啟閥門(mén),把沉積在瓶口部的自由狀態(tài)排出,可放水2～3次,每次間隔30 min,放后,將瓶正回來(lái)。經(jīng)倒置放水后的氣瓶,使用前先打開(kāi)閥門(mén)放掉瓶?jī)?nèi)上部純度低的氣體,然后再套接輸氣管。

使用瓶裝液態(tài)CO2時(shí),注意對(duì)氣體預(yù)熱,因?yàn)槠恐懈邏簹怏w經(jīng)減壓降壓而體積膨脹時(shí),要吸收大量的熱,使氣體溫度降到零度以下,會(huì)引起CO2氣中水分在減壓器內(nèi)結(jié)冰而堵塞氣路,故在CO2氣體未減壓之前應(yīng)經(jīng)過(guò)預(yù)熱。

4 工程實(shí)踐應(yīng)用

大唐陽(yáng)城國(guó)際發(fā)電廠一期工程6×350 MW工程3號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)低壓外缸焊接,低壓外上缸外形尺寸為8 520 mm×6 595 mm×2 980 mm,由于體積龐大,以散件形式供貸,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組合。其中低壓外上缸分為6部分,包括汽側(cè)和勵(lì)側(cè)端部半圓形殼體,中部導(dǎo)汽管左右2塊圓弧板,中部2塊法蘭面。汽缸殼體厚 35 mm,殼體材質(zhì)為RST37-2,對(duì)正中心鍵材質(zhì)為ST52-3。在1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的低壓缸在組合過(guò)程中,就由于組合及焊接引起的變形非常大,滿足不了汽輪機(jī)組安裝驗(yàn)收規(guī)范的要求。部件到現(xiàn)場(chǎng)后為雙V坡口,需2名焊工進(jìn)行雙面對(duì)稱(chēng)施焊。每一層焊縫均采用雙人對(duì)稱(chēng)分段退焊焊接工藝如下。

圖2 焊接順序和坡口形式圖(mm)

焊接要點(diǎn)如下。

對(duì)于局部間隙大于4 mm時(shí)要設(shè)法修正,以保證焊接質(zhì)量。

兩人的焊接頭及層間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)10 mm左右。焊接過(guò)程中,用風(fēng)鎬不斷敲擊焊口兩側(cè)邊緣,及時(shí)釋放應(yīng)力。

焊接過(guò)程中,在每道焊縫兩側(cè),各劃一條測(cè)量線,及時(shí)量取焊縫收縮值。收縮不均勻時(shí)及時(shí)采取措施,調(diào)整焊接順序和焊接速度。汽缸組合后完全滿足驗(yàn)收規(guī)范要求和西門(mén)子公司的設(shè)計(jì)要求,受到了外方專(zhuān)家的好評(píng)和陽(yáng)城監(jiān)理部的通報(bào)表?yè)P(yáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前,我國(guó)電力施工面臨的競(jìng)爭(zhēng)將越來(lái)越激烈,同時(shí)結(jié)構(gòu)制作焊接方面的競(jìng)爭(zhēng)同樣越來(lái)越激烈。因此,為了提高金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本,只有結(jié)構(gòu)制作焊接施工中大面積推廣高效熔化極CO2氣體保護(hù)焊接技術(shù),同時(shí),要求CO2氣體保護(hù)焊接操作焊工要有高超的技能,焊機(jī)要有高品質(zhì)的焊機(jī)性能,選用高質(zhì)量的焊接材料,執(zhí)行嚴(yán)格的CO2氣體保護(hù)焊接工藝規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),制造良好的CO2氣體保護(hù)焊接環(huán)境,才能滿足結(jié)構(gòu)制作焊接的生存和發(fā)展的需要。

[1] 王玉松.CO2/M AG焊接技術(shù)在工程建設(shè)焊接上的應(yīng)用[C].//2005年全國(guó)工程建設(shè)行業(yè)焊接新材料、新技術(shù)交流會(huì)論文集.唐山市:中國(guó)石化集團(tuán)公司施工企業(yè)管理協(xié)會(huì)及全國(guó)石油和化工建設(shè)信息站,2005:278-280.

[2] 陳清陽(yáng).CO2焊接技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)行業(yè)中的應(yīng)用與推廣[J].機(jī)械工人 熱加工,2002(9):69-70.

Application of CO2 Gas Protection Welding Technology

XITing-xuan1,WEIShi-kai2
(1.No.4 Electric Power Construction Co.of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030012,China;2.Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

The advantages and disadvantages of CO2gas p rotection we lding technology are compared in this paper.Experience is summed up and precautions are p roposed on CO2gas p rotection welding techno logy.It is p resented to utilize the CO2gas p rotection welding technology in thermal power p lant,especially in flue gas pulverized coal piping and steel structures,in order to improve construction efficiency and reduce construction costs.

CO2gas p rotection w elding technology;partial welding;engineering application

TG444+.73

B

1671-0320(2010)01-0047-03

2009-06-02,

2009-12-12

席廷宣 (1965-),男,山西翼城人,1988年畢業(yè)于太原理工大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè),工程師,主要研究方向?yàn)榛痣姀S安裝金屬材料焊接工藝;

尉世凱 (1958-),男,山西陽(yáng)高人,1982年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)焊接工程專(zhuān)業(yè),教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榘l(fā)電金屬材料焊接工藝。

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