埋弧焊在巴拿馬四橋項目施工中的應(yīng)用設(shè)想

白麗楠

摘要：利用埋弧焊制造的設(shè)備和材料在巴拿馬四橋項目中將會大量使用，特別是對于大型鋼構(gòu)件設(shè)施和材料以及現(xiàn)場施工。埋弧焊（含埋弧堆焊及電渣堆焊等）是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法。其固有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點，使其成為壓力容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。近年來，雖然先后出現(xiàn)了許多種高效、優(yōu)質(zhì)的新焊接方法，但埋弧焊的應(yīng)用領(lǐng)域依然未受任何影響。

關(guān)鍵詞：埋弧焊;鋼結(jié)構(gòu)

巴拿馬四橋作為中國與巴拿馬建交后中國交建和中國港灣在巴拿馬的第一個超大型政府基礎(chǔ)設(shè)施項目，也是當(dāng)前中國港灣在海外承接的最大單體橋梁項目。鋼構(gòu)件作為巴拿馬四橋價值和技術(shù)含量最高的組成部分，它的制作工藝和質(zhì)量水準(zhǔn)將直接影響橋梁的整體施工進度和后期的使用壽命。

使用埋弧焊制備的設(shè)備和材料在巴拿馬四橋項目預(yù)計將使用的十分廣泛，例如鋼管樁、鋼箱梁，鋼護筒等大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施和材料以及現(xiàn)場施工。埋弧焊（SAW）是通過電弧為熱源的施焊形式，施焊時電弧將處于一層顆粒形的可熔化焊劑遮蓋下燃燒并不暴露在外部環(huán)境中，由此而得名。

筆者根據(jù)以往完成項目的經(jīng)驗，從“人、機、料、法”等幾個方面簡要介紹一下海外項目對埋弧焊施焊工藝流程、人員資質(zhì)、材料要求以及設(shè)備選用需要注意的事項，也為后期本項目對材料和設(shè)備的到貨檢驗、焊接工藝審查和駐場監(jiān)造提供參考。

1 焊工和焊機操作人員的資格認定

由于埋弧焊屬于自動焊（半自動焊），對施焊人員的要求相對簡單，只要經(jīng)過焊接工程師同意，已經(jīng)有適當(dāng)文件證實以前通過自動焊和定位焊的焊工是可以承認的。如業(yè)主方不接受此認定方式，可以參考AWS B2.1焊接工藝和人員評定標(biāo)準(zhǔn)進行測試。

2 焊機的選擇

在選購過程中，盡量選擇由廠家配置弧焊電源。如果沒有弧焊電源，通常在該產(chǎn)品的樣本中，會明確標(biāo)注何種型號的弧焊電源。單絲埋弧焊作為最為常用的焊接設(shè)備，選擇時可以參考如下：

3 焊接材料和母材的準(zhǔn)備

母材必須符合合同文本制定的規(guī)格和類別。已經(jīng)經(jīng)過評定的材料也同樣適用于引弧板和熄弧板，這一點也應(yīng)給與關(guān)注。用作鋼襯墊的鋼材最低屈服強度為100Ksi（690MPa），如有更高屈服強度要求應(yīng)滿足。

埋弧焊的焊芯和焊劑也是直接參與焊接過程中的冶金反應(yīng)，這與焊條的焊芯和焊劑相同。焊芯和焊劑的化學(xué)元素和力學(xué)性能都會影響焊接的工藝流程，焊接金屬的化學(xué)成分、組織和性能會通過施焊過程相互影響發(fā)生質(zhì)變。埋弧焊的將焊絲送到焊縫處的形式與氣保焊以及藥芯焊的送絲方式非常相近，他們最大的差別是保護方式。對埋弧焊的工藝而言，顆粒狀焊劑往往被播撒在焊絲的前部或周邊，以保證溶化金屬與外界隔離起到防止污染和避免缺陷的作用。在焊接過后，在焊道上留有一層焊劑殘渣，外形仍然為顆粒狀。這些殘余焊劑在清除后往往不被允許再次使用，但是在一些應(yīng)用中允許將一部分殘余焊劑和新焊劑混合再利用。如果根據(jù)規(guī)格書和工程師要求作好防污染措施，殘余焊劑是可以繼續(xù)回收利用的。但是如果焊接要求對焊劑殘余清潔度和焊縫的缺陷率要求很高，那么不建議使用回收混用的焊劑。

4 焊接工藝規(guī)范（WPS）和焊接工藝評定報告（PQR）

由于巴拿馬四橋所涉及的材料焊接工作比較復(fù)雜，焊接需要根據(jù)母材的材質(zhì)、母材厚度、焊材、位置和電流電壓等因素的不同，使用不同的WPS和PQR。

埋弧焊的電流極性考慮到鋼護筒和鋼管樁母材的厚度，可以使用直流反接的方式施焊，填充金屬的直徑已4mm左右為宜，為保證焊道的平整，電流和電壓的參數(shù)建議調(diào)整到500-700A，30-36V之間。為了保證熱輸入值的穩(wěn)定，焊接速度在22-40cm/min為好。焊道坡口的準(zhǔn)備和焊藥（焊劑）的要求，需要根據(jù)工廠條件和焊接工程師的要求，可參考AWSD1.1相關(guān)要求。

需要注意的是鋼護筒的為圓柱形筒體，筒體之間的對接環(huán)焊縫優(yōu)選自動埋弧焊來完成，一般要求為全熔透。如果焊接工藝考慮雙面焊，則先焊內(nèi)側(cè)焊后焊外側(cè)縫，焊接內(nèi)側(cè)縫時，焊接接頭需在筒內(nèi)施焊，在背（外）面采用焊劑墊。在焊接外環(huán)焊縫之前，必須對已完成的內(nèi)側(cè)焊縫進行氣刨清根，最常用的方法是碳棒氣刨（需要注意選用碳棒的直徑），既可以清除夾渣和根部缺陷，還可以順帶開破口，保證熔透和改善焊接成形。外側(cè)縫的焊接時焊機在筒體外面上方施焊，不需焊接提前設(shè)置襯墊。

5 實現(xiàn)焊接過程全/半自動化的一般要求

電弧施焊過程包括引燃電弧、焊接和熄弧三個階段，若要實現(xiàn)焊接過程自動/半自動化，這三個步驟的協(xié)調(diào)可以通過機電控制和人工輔助的方式來完成。對于引燃電弧，正常步驟是先使焊絲和焊件進行接觸短路，焊劑鋪設(shè)后焊絲立即自動向上提升而引起電弧。引燃電弧后，要求焊機則會根據(jù)事前設(shè)定的焊接工藝程序參數(shù)，如焊接電流、電弧電壓、焊接速度等進行施焊，并能確保這些程序參數(shù)在整個施焊過程中保持穩(wěn)定平穩(wěn)。焊接結(jié)束應(yīng)保證焊機能先停止送絲，然后關(guān)閉焊接電源（熄?。绱思饶軐崿F(xiàn)填滿弧坑，又不會出現(xiàn)焊絲和焊件粘住的情況。

眾所周知，保證施焊過程的穩(wěn)定和降低焊接缺陷是埋弧焊工藝流程的關(guān)鍵，這使得前期工藝制定變得困難和復(fù)雜，因為在實際生產(chǎn)過程中，會受到場地、天氣或人為因素等各種情況的干擾使得工藝參數(shù)常常無法令人滿意。即使引燃電弧和熄弧的自動過程比較簡單，在實際中也容易實現(xiàn)，焊接工藝的制定也會對后期的焊縫質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

焊接電流是直接影響焊縫成型的主要工藝參數(shù)之一，在埋弧焊施工過程中，電流的大小取決于弧長的波動而引起，而弧長的波動，往往是由于受到如焊機電壓的變化、工件表面的平整度高低、焊縫坡口加工不齊整、焊道上的臨時焊點未能及時清理等外界因素所導(dǎo)致，這些因素常常是很難避免的。因此，解決保持焊接電弧弧長穩(wěn)定問題，就成為實現(xiàn)埋弧焊自動控制的鑰匙。于是要求在焊接過程中，當(dāng)出現(xiàn)干擾弧長波動時，應(yīng)保證焊機可以根據(jù)情況自身調(diào)整，使焊機弧長立即回復(fù)到預(yù)設(shè)的長度。

當(dāng)前根據(jù)不同的電弧調(diào)節(jié)原理，研發(fā)機構(gòu)設(shè)計和制造了等速送絲和變速送絲兩種自動埋弧焊機。大部分埋弧焊機采用的是兩種能自動調(diào)節(jié)電弧長度的系統(tǒng)，即電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電壓自動（強制）調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

埋弧焊是在自動或半自動下完成焊接的，與手工電弧焊、氣保焊或其他焊接方法比較優(yōu)點有：

（1）生產(chǎn)率高。埋弧焊施焊時，焊絲從導(dǎo)電嘴伸出長度短，可以提高焊接電流（或電流密度），一般可以提高4-5倍。所以，熔透能力和焊絲熔敷率大大提高，一般不需要開坡口單面一次成型，焊后金屬熔深可達20mm，另一方面，由于焊劑和熔渣具備良好的隔熱能力，同時電弧熱散失少、飛濺少、故熱效率高，焊接速度也非常快。例如厚度10-12mm鋼板對接，單絲埋弧焊的施焊速度可達30-50m/h，而手工電弧焊不超過7m/h。

（2）焊縫質(zhì)量高。施焊時，熔渣和焊劑能非常有效的阻止空氣滲入熔池而免受外界污染，同時可以使焊縫冷卻速度緩慢降低，從而可以提高焊接接頭的物理性能;由于施焊工藝參數(shù)可以通過自動調(diào)節(jié)保證平穩(wěn)，焊縫表面一次成型率很高，焊縫金屬的化學(xué)成分和物理性能均勻而穩(wěn)定，對焊工技術(shù)能力要求并不高。

（3）節(jié)省焊接材料和能源。對于較厚的工件即使不開坡口也容易熔透，從而焊縫中所需填充金屬使用量明顯減少，節(jié)約了開坡口和填充坡口所用的材料成本和時間;熔渣的保護作用避免了焊絲合金元素的燒損和飛濺損失;不像焊條電弧焊那樣，產(chǎn)生焊條頭的耗損。

（4）勞動條件較好。由于焊接過程的機械化和自動化，焊工的勞動強度大大減弱，沒有弧光對焊工的輻射，焊接時釋放的煙塵和有害氣體較少，改了焊工的工作環(huán)境。

同時，埋弧焊也存在一些缺點：

（1）埋弧焊是靠顆粒狀焊劑隔絕覆蓋而形成對焊道的保護條件，故主要適用于平焊位置。其他位置埋弧焊因施焊裝置過于復(fù)雜而難以使用。

（2）最適合長焊縫的焊接。其適應(yīng)度和靈便度不如手工電弧焊和氣保焊，特別是針對短焊縫時，埋弧焊的施焊效率低。同時不適用于焊接厚度小于1mm以下的薄板，因為不穩(wěn)定的電流會導(dǎo)致鋼板擊穿。

（3）焊接時需要的輔助工裝較多。如焊機的送絲和焊劑收回裝置，焊縫襯墊、引弧板和熄弧板;焊絲的去污和纏繞裝置等，有時還需要焊接工裝配合才能使用。

埋弧焊的焊接生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量突出、少煙塵、弧光很少，這些特點使其很容易成為壓力容器、大型管道、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。不難設(shè)想，在巴拿馬四橋的鋼結(jié)構(gòu)部分的焊接工作中，埋弧焊將扮演非常重要的角色，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將是業(yè)主方和咨工的關(guān)注重點。

參考文獻

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