二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊在井架安裝工程中的應(yīng)用研究

袁士杰，蘇南丁

(1.平煤神馬建工集團(tuán)有限公司安裝處， 河南 平頂山市 467000；2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司， 河南 鄭州 454000)

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊在井架安裝工程中的應(yīng)用研究

袁士杰1，蘇南丁2

(1.平煤神馬建工集團(tuán)有限公司安裝處， 河南 平頂山市 467000；2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司， 河南 鄭州 454000)

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接技術(shù)以其焊接效率高、焊接質(zhì)量好、低成本、低能耗、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種焊接工程。介紹了二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)；然后以平煤建工集團(tuán)安裝處第四項(xiàng)目部井架安裝工程為背景，通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究方法，確定了二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊在大型鋼結(jié)構(gòu)施工中的工藝參數(shù)以及技術(shù)措施，工程實(shí)踐表明：與焊條電弧焊相比，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊可明顯縮短工作時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

二氧化碳?xì)怏w；保護(hù)焊；鋼結(jié)構(gòu)；井架安裝

0 引 言

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊起源于20世紀(jì)50年代，我國于20世紀(jì)60年代開始批量生產(chǎn)二氧化碳焊機(jī)，并開始推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)[1-4]。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)于傳統(tǒng)的手工焊條電弧焊來說，堪稱一次技術(shù)革命，它以速度快、操作方便、焊接質(zhì)量高、適用范圍廣和低成本等諸多優(yōu)勢(shì)，目前已發(fā)展成為一種重要的熔焊方法，在工程結(jié)構(gòu)中尤其是鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大[5-9]。

平煤神馬建工集團(tuán)有限公司安裝處屬于國家一級(jí)總承包資質(zhì)機(jī)電安裝施工企業(yè)，每年都要承擔(dān)眾多大型鋼結(jié)構(gòu)制作安裝工程，例如加工大型非標(biāo)準(zhǔn)件煤礦鋼結(jié)構(gòu)井架、煤礦用型鋼井筒及配套井筒裝備安裝等。而焊接則是鋼結(jié)構(gòu)制作生產(chǎn)以及安裝過程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是影響建安工程質(zhì)量、成本、進(jìn)度的關(guān)鍵工作，在工程中的作用十分重要。因此，目前平煤建工集團(tuán)安裝處也在積極推廣二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)，并全面應(yīng)用于型鋼井架加工中，以代替企業(yè)現(xiàn)有的手工焊條電弧焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工及組裝過程焊接半自動(dòng)化，探索施工現(xiàn)場(chǎng)大型鋼結(jié)構(gòu)加工高效率、高質(zhì)量、低成本、低能耗的生產(chǎn)方式，目前已取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是利用二氧化碳為保護(hù)氣體的一種熔化極氣體保護(hù)焊接方法，由于二氧化碳?xì)怏w比空氣重，因此從噴嘴中噴出的氣體可以在電弧區(qū)形成有效的保護(hù)層，防止空氣進(jìn)入熔池，消除空氣中氮的有害影響。熔化電極(焊絲)通過送絲滾輪不斷地送進(jìn)，與工件之間產(chǎn)生電弧，在電弧熱的作用下，熔化焊絲與工件形成熔池，隨著焊槍的移動(dòng)，熔池凝固形成焊縫[10-11]。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)技術(shù)原理見圖1。

圖1 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)原理

1.2 與傳統(tǒng)焊條電弧焊的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

傳統(tǒng)焊條電弧焊工作原理：焊條與焊件在電弧熱的作用下，局部被加熱到融化狀態(tài)，焊條端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池。隨著電弧向前移動(dòng)，熔池液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶，形成焊縫。

比較而言，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊具有如下優(yōu)點(diǎn)[12-14]：

(1) 焊接速度快。單位時(shí)間內(nèi)熔化焊絲比手工電弧焊快一倍。

(2) 焊接質(zhì)量好。對(duì)鐵銹不敏感，焊縫含氫量低，抗裂性能好，受熱變形小，且無焊渣。

(3) 可弧性能好。能量集中，引弧容易，連續(xù)送絲電弧不中斷。

(4) 熔深大。熔深是手弧焊的3倍，坡口加工小。

(5) 熔敷效率高。手弧焊焊條熔敷效率是60%，二氧化碳焊焊絲熔敷效率是90%。

(6) 穿透能力強(qiáng)，焊接電流密度大(100～300 A/m)，變形小，生產(chǎn)效率高。

(7) 殘余應(yīng)力小，電弧焊殘余應(yīng)力大，易產(chǎn)生變形。

(8) 焊縫連續(xù)，引弧點(diǎn)少，電弧焊引弧點(diǎn)多，易產(chǎn)生熔透、裂紋等現(xiàn)象。

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊缺點(diǎn)[15-16]：

(1) 不適宜大風(fēng)天氣操作，野外作業(yè)時(shí)需要有防風(fēng)措施。

(2) 不能焊接易氧化的有色金屬。

(3) 弧光強(qiáng)，焊接時(shí)需注意加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)。

2 工程實(shí)踐及應(yīng)用效果分析

以平煤神馬建工集團(tuán)有限公司安裝處第四項(xiàng)目部平煤股份天安二礦三水平進(jìn)風(fēng)井井架安裝工程為工程背景，將二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接技術(shù)應(yīng)用于該項(xiàng)安裝工程，對(duì)比分析二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊技術(shù)的應(yīng)用效果。

2.1 實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)分析

該工程為室外大型鋼結(jié)構(gòu)井架安裝工程，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)焊接時(shí)面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)[17-18]：野外作業(yè)，對(duì)施工環(huán)境要求相對(duì)較高，需采取防護(hù)措施；該安裝工程焊接為箱體焊接，焊縫為長焊縫，需克服焊接變形困難；不同焊接角度(仰角焊接、平行焊接和立縫焊接)時(shí)的焊接參數(shù)(焊接電流、電壓、出絲速度、噴氣流速等)。只有解決好以上技術(shù)問題，制定出完整的技術(shù)體系指標(biāo)，才能保證全方位二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)的焊接質(zhì)量。

為解決以上技術(shù)問題，在本項(xiàng)目部基地正式安裝工程開始前，采用表1中的試驗(yàn)設(shè)備及材料，通過反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，分析總結(jié)滿足質(zhì)量要求的二氧化碳焊接工藝參數(shù)及技術(shù)措施。

2.1.1 工藝參數(shù)

采用純度較高的二氧化碳?xì)怏w，氣瓶中的壓力降到1 MPa時(shí)，應(yīng)停止用氣，二氧化碳?xì)怏w流量的控制范圍應(yīng)取15～25 L/min。焊槍傾角為10°～15°，焊絲伸出長度為10～20 mm。噴嘴與焊件的距離：當(dāng)電流<200 A時(shí)，焊嘴距離為10～15 mm；當(dāng)電流為200～350 A時(shí)，焊嘴距離為15～20 mm；當(dāng)電流為350～500 A時(shí)，焊嘴距離為20～25 mm。

表1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

2.1.2 野外施工防風(fēng)措施

在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)應(yīng)做好防風(fēng)措施，自建簡易防風(fēng)墻，形成相對(duì)封閉的焊接環(huán)境，其次調(diào)整井架對(duì)接焊口平整度，架空焊接，使焊工焊接仰角焊縫時(shí)能夠采用直立后退法進(jìn)行焊接；同時(shí)監(jiān)控二氧化碳?xì)怏w純度，以滿足焊接需求。

2.1.3 不同角度焊接技術(shù)措施

(1) 仰角焊接。仰角焊接是幾種基本焊接位置中最困難的一種。由于仰焊時(shí)，形成的熔池位于焊件下方，熔池金屬由于自重而下墜，因此，仰焊時(shí)背面易形成凹陷，正面易出現(xiàn)過度焊瘤[19-20]。采用二氧化碳?xì)獗：笝C(jī)進(jìn)行仰焊時(shí)，為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)采用遞增法疊壓焊接：第一步為打底焊，采用直線法快速焊接，使板材迅速連接，焊接電流為130～180 A，焊接電壓為19～24 V；焊接方向夾角為70°～80°；第二步為填充焊。采取橫向小幅度擺動(dòng)的方法，依次疊加覆蓋進(jìn)行焊接，逐層補(bǔ)充，直到焊縫填充完畢。填充焊焊絲與焊接方向的夾角為85°～90°，焊接電流為120～150 A，焊接電壓為19～23 V；第三步為蓋面焊。操作方法與填充焊基本相同，但應(yīng)注意坡口焊接處理，當(dāng)焊條擺動(dòng)到坡口邊緣時(shí)，要稍微做停頓，以坡口邊緣融化1～2 mm為準(zhǔn)，以防咬邊，使焊縫表面平整。

(2) 平行焊接技術(shù)措施。平焊焊接宜采用鋸齒形小幅度擺動(dòng)的方式進(jìn)行焊接，焊道采用疊壓法逐層補(bǔ)充焊接，第一道打底焊時(shí)，電弧始終在坡口內(nèi)做小幅度橫向擺動(dòng)，并在坡口兩側(cè)稍作停頓，使熔孔深入坡口兩側(cè)各0.5～1 mm；焊接以板厚12 mm焊絲直徑為Ф1.2 mm為例，根部間隙在0～1.2 mm，電流控制在420～480 A之間，電壓控制在38～41 V之間，速度控制在40～50 cm/min，導(dǎo)電嘴與工件之間的距離為20～25 mm之間，氣體流量為20 L/min。

(3) 全位置焊接技術(shù)措施。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊全位置焊接技術(shù)，由于水平固定全位置焊接難度較大，要求焊工水平較高。坡口加工時(shí)，采用上進(jìn)焊接法，第一層焊接時(shí)電流控制在100～140 A之間，電壓控制在18～22 V之間，速度控制在20～35 cm/min；第二層焊接時(shí)電流控制在120～160 A之間，電壓控制在19～23 V之間，速度控制在20～35 cm/min。

2.2 應(yīng)用效果分析

以平煤股份二礦三水平井架箱體斜架仰焊縫對(duì)接為例，二氧化碳焊采用Φ1.2 mm焊絲、手工焊采用4 mm焊條，鋼板厚度為20 mm，Q235鋼板，采用550 V型焊接坡口，100%探傷，焊縫長度1 m，焊接時(shí)間：二氧化碳焊為76 min，焊條為248 min。二氧化碳焊需要焊絲1.25 kg，手工焊需要焊條1.9 kg，以市場(chǎng)價(jià)7.5元每公斤計(jì)算，每米焊縫節(jié)約焊材成本4.875元。二氧化碳焊熔敷速度約為3～5 kg/h,是焊條的1～2.25倍。二氧化碳焊電流密度為100～300 A/mm2, 焊條電流密度為10～25 A/mm2, 二氧化碳焊可產(chǎn)生高于10倍左右的單位電流密度。電弧熱量集中，不需要為熔化藥皮消耗能量，熔化系數(shù)比焊條大1～3倍。二氧化碳焊接無渣，無需清渣，打磨，清坡口和換焊條，減少焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，焊縫成形好，熔深大。二氧化碳焊的輔助時(shí)間為焊條輔助時(shí)間的50%。二氧化碳焊一次探傷合格率達(dá)到100%，而采用焊條電弧焊，一次探傷合格率遠(yuǎn)高于手工焊。

3 結(jié) 論

通過對(duì)手工焊條電弧焊與二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的技術(shù)特點(diǎn)分析，可以清晰的比較出使用二氧化碳?xì)獗Ｗo(hù)焊能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，進(jìn)行焊接加工可以縮短工作時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，更有利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)加工，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇，不僅能減少焊接過程中的常見問題，而且可有效減少焊接缺陷的出現(xiàn)，有效避免因?yàn)楹附右蛩赜绊懙疆a(chǎn)品質(zhì)量，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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2017-02-21)

袁士杰(1988-)，男，河南平頂山人， 助理工程師，碩士，主要從事大型機(jī)械設(shè)備安裝工作，Email：276662913@qq.com。