CO2氣體保護(hù)焊在超高結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接中的應(yīng)用

趙 林

0 引言

法門寺合十舍利塔鋼骨結(jié)構(gòu)，高147 m，用鋼量1.6萬t，本工程焊縫設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)，檢驗(yàn)等級(jí)為B級(jí)，評(píng)定等級(jí)為Ⅰ級(jí)，焊接量很大，作業(yè)時(shí)間非常短，焊條電弧焊焊接無法滿足工期要求，必須廣泛應(yīng)用CO2氣體保護(hù)焊，現(xiàn)就焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊野外超高結(jié)構(gòu)焊接的優(yōu)越性進(jìn)行比較。

隨著CO2氣體保護(hù)焊在其他行業(yè)的廣泛應(yīng)用和推廣，大部分CO2氣體保護(hù)焊機(jī)的焊接電纜長度可達(dá)50 m以上，完全能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接的施工需要。鑒于CO2氣體保護(hù)焊具有效率高、成本低、節(jié)能、焊縫成型美觀、環(huán)境污染小、利于文明施工等優(yōu)點(diǎn)，本公司在法門寺合十舍利塔野外超高鋼骨結(jié)構(gòu)施工中大量推廣使用CO2氣體保護(hù)焊。

1 CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊的焊接對(duì)比試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

為比較CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊的優(yōu)劣性，進(jìn)行焊接對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方法及目的:同用橫焊參數(shù)焊接25 mm×600 mm試件的焊縫看需要的焊材、用時(shí)、用量及焊縫質(zhì)量等，推算出成本進(jìn)行比較，用數(shù)據(jù)來取得結(jié)論。

1.2 對(duì)比試驗(yàn)方案

對(duì)比試驗(yàn)方案是在施焊部件、焊接位置、焊縫長度等均一致的條件下同時(shí)進(jìn)行的，并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行全程記錄。

試驗(yàn)有關(guān)參數(shù)、材料消耗量、焊接用時(shí)等，具體參數(shù)如表1，表2所示。

表1 CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊的焊接對(duì)比試驗(yàn)方案

表2 CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊的焊接對(duì)比試驗(yàn)過程記錄

1.3 焊接試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 工作效率比較

根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)方案記錄數(shù)據(jù)可知:焊條電弧焊焊接用時(shí)是CO2氣體保護(hù)焊焊接用時(shí)的2.7倍，即在理想的條件下，CO2氣體保護(hù)焊工作效率是焊條電弧焊的2.7倍。

1.3.2 對(duì)比試驗(yàn)成本分析

1)人工費(fèi):設(shè)焊工實(shí)際工作時(shí)間為6 h/(d?人)，CO2焊工、焊條電弧焊焊工均按120元/(d?人)計(jì)算。

2)焊材費(fèi):CO2氣體 6 000 L/瓶，45元/瓶。φ 1.2 mm CO2焊絲6.6 元/kg;φ 3.2 mm E5016 焊條 5.5 元/kg，φ 3.2 mm 焊條30支/kg。完成1支焊條的焊接時(shí)間為1.2 min(以上價(jià)格是試驗(yàn)時(shí)地方價(jià)格)。

3)電費(fèi)及臺(tái)班費(fèi):ZX7-400焊機(jī) 12元/(臺(tái)?班)，NBC-500 CO2焊機(jī)20元/(臺(tái)?班)。ZX7-400焊機(jī)和NBC-500 CO2焊機(jī)的一、二次電流轉(zhuǎn)換效率均按n=0.85。電費(fèi):0.88元/(kW?h)(試驗(yàn)地電價(jià))。

CO2氣體保護(hù)焊情況:

每天的工作量=6×60×(10.2/90)=40.8 m/d;

每天的焊絲用量=(3.5/10.2)×40.8=14 kg/d;

每天的氣體用量=20×360/6 000=1.2瓶/d;

每天的用電量=(UI/n)×6=(20.2×158/0.85)×6=22.5 kW?h/d;

CO2氣體保護(hù)焊每天的成本=人工費(fèi)+焊材費(fèi)+焊機(jī)臺(tái)班費(fèi)+電費(fèi)=120+(14×6.6+1.2×45)+20+(22.5×0.88)=306.2元/d。

每天焊條電弧焊成本情況(按日完成40.8 m長焊縫計(jì)算):

根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，以焊條電弧焊方法操作，1個(gè)人一天無法完成40.8 m的工作量，故1個(gè)人日實(shí)際工作量=(10.2/240)×6×60=15.3 m/d，則按日完成40.8 m長焊縫需焊條電弧焊焊工人數(shù)=40.8/15.3=2.7人/d。

每天的焊材用量=40.8×(4.2/10.2)=16.8 kg;

每天的用電量=(UI/n)×10.08=(25×120/0.85)×10.08=35.58 kW?h;

焊條電弧焊每天的成本=人工費(fèi)+焊材費(fèi)+焊機(jī)臺(tái)班費(fèi)+電費(fèi)=(120×2.7)+(16.8×5.5)+(2.7×12)+(35.58×0.88)=480.11元/d。

使用CO2氣體保護(hù)焊和使用焊條電弧焊成本比較:

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，使用CO2氣體保護(hù)焊工藝每天可節(jié)約費(fèi)用480.11-306.2=173.91元，則每使用1 kg CO2焊絲節(jié)約成本:173.91元/14 kg=12.42元/kg。

總體來說，使用CO2氣體保護(hù)焊較使用焊條電弧焊節(jié)約成本是顯而易見的。

1.4 焊接和焊縫外觀質(zhì)量對(duì)比

由比較可知，CO2氣體保護(hù)焊成型美觀，由于其沒有焊渣，焊接現(xiàn)場更加干凈整潔，且無藥皮燃燒煙塵，有利于安全文明生產(chǎn)。

2 CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊工藝試驗(yàn)情況

針對(duì)CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊，進(jìn)行了試件的工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)基本參數(shù):母材為Q345GJC，焊接位置為橫焊。CO2氣體保護(hù)焊焊絲為φ 1.2 mm ER50-6，焊條電弧焊焊條為φ 3.2 E5016，并根據(jù)說明烘干保溫使用。工藝試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3。

由表3可以看出，嚴(yán)格按焊接工藝要求進(jìn)行焊接，CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊在焊件外觀、內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能等方面均無大的區(qū)別，可見在某些情況下使用CO2氣體保護(hù)焊不僅高效而且優(yōu)質(zhì)。

表3 同等條件下CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 CO2氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊在法門寺合十舍利塔鋼骨結(jié)構(gòu)施工焊接中的對(duì)比

1)速度快、效率高:CO2氣體保護(hù)焊的焊速相當(dāng)于焊條電弧焊的2.7倍，且焊接過程中省去了更換焊條和焊渣清理時(shí)間，焊接過程輔助時(shí)間比焊條電弧焊少。

2)焊縫成型美觀:CO2氣體保護(hù)焊為明弧操作，熔池的可見度好，所以焊縫成型美觀。特別對(duì)較大的縫隙和不規(guī)則的間隙，通過調(diào)整焊槍的擺幅、焊速，得到成型良好的焊縫。

3)焊接變形小:CO2焊時(shí)，電弧在保護(hù)氣體的壓縮下熱量集中，焊接熱影響區(qū)窄，焊接變形小。

4)焊接現(xiàn)場整潔:CO2氣體保護(hù)焊沒有焊渣，無藥皮燃燒煙塵，焊接現(xiàn)場相對(duì)整潔，有利于安全文明施工。

5)熔敷效率高:1 kg焊條(φ 3.2 mm)剩余0.16 kg焊條頭，熔敷效率為84%。而20 kg CO2焊絲剩余的焊絲頭少于0.2 kg，熔敷效率為99%。即等量的熔敷金屬的焊材使用量，20 kg CO2焊絲相當(dāng)于23.8 kg焊條。

4 CO2氣體保護(hù)焊在法門寺合十舍利塔鋼骨結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接施工中的局限性及應(yīng)對(duì)措施

1)焊接位置的局限性:對(duì)于仰焊位置，CO2氣體保護(hù)焊的焊接有一定的難度，因此CO2焊主要用于平焊、立焊、橫焊位置的焊接，難度位置仍采用焊條電弧焊。

2)焊前準(zhǔn)備工作要求高:CO2焊焊前準(zhǔn)備與焊條電弧焊相比，從整個(gè)焊接過程的工作量來看，CO2焊焊前清理工作量較小。

3)焊接飛濺大:主要是由于CO2氣體分解后具有強(qiáng)烈的氧化性，使碳氧化合生成CO，其受熱急劇膨脹，造成熔滴爆破，產(chǎn)生大量細(xì)粒飛濺。減小飛濺的方法可采用脫氧元素多、碳含量低的脫氧焊絲，以減少CO的生成，采用反極性也可以減小飛濺。由于飛濺很容易造成導(dǎo)流嘴堵塞，可采用防飛濺劑，現(xiàn)場主要使用噴霧類及固體膏類，經(jīng)試用對(duì)比，防飛濺膏成本低，使用方便，效果也比較理想。

4)焊機(jī)的機(jī)動(dòng)性較差:焊機(jī)移動(dòng)不靈活是CO2焊推廣應(yīng)用的障礙，但對(duì)于法門寺合十舍利塔鋼骨結(jié)構(gòu)工程來說，焊機(jī)不需要頻繁移動(dòng)，焊接完一層就把焊機(jī)平臺(tái)整體吊到上一層，再適當(dāng)加長控制線纜，即可便于用CO2氣體保護(hù)焊。

5)高空焊接防風(fēng)措施:焊接規(guī)定，當(dāng)風(fēng)速不小于2 m/s時(shí)CO2氣體保護(hù)焊必須采取擋風(fēng)圍護(hù)，當(dāng)風(fēng)速不小于5 m/s時(shí)手工電弧焊必須采取擋風(fēng)措施。由于高空焊接時(shí)四周的防護(hù)網(wǎng)已經(jīng)打設(shè)完畢，就像在筒內(nèi)焊接一樣，經(jīng)測風(fēng)儀測試風(fēng)速均小于2 m/s。使用CO2氣體保護(hù)焊和使用手工電弧焊無影響。

5 結(jié)語

目前采用CO2氣體保護(hù)焊在野外超高結(jié)構(gòu)施工中雖不可能完全替代焊條電弧焊，但是很多構(gòu)件的焊接是可以采用CO2焊。在法門寺合十舍利塔鋼骨結(jié)構(gòu)施工中80%采用CO2氣體保護(hù)焊，1.6萬t的鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)約成本50萬元以上。既保證了工期，也降低了消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本?？梢奀O2氣體保護(hù)焊在野外超高結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的焊接中值得廣泛推廣應(yīng)用。

[1] JGJ 81-2002，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 霍恭明.CO2焊產(chǎn)生飛濺的原因及控制措施[J].山西建筑，2008，34(1):145-146.

[3] GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].