大型鋼制筒體自動焊技術(shù)應(yīng)用

付吉哲

上海核工程研究設(shè)計院有限公司 上海 200233

引言

某項目中大型鋼制筒體材料為低合金高強度SA-738 Gr.B調(diào)質(zhì)鋼板，壁厚為43～55mm。筒體焊縫總長約1867m，均是雙面坡口熔透焊縫，由于焊縫數(shù)量多，焊接量大， 因此在筒體拼裝焊接工作中，除使用焊條電弧焊（SMAW）外，部分焊縫使用了MAG自動焊（自動焊縱縫及環(huán)縫坡口為雙面對稱全熔透坡口），以減少對于高技能焊工的需求量，在保證質(zhì)量的前提下提高焊接效率，加快現(xiàn)場的建造速度，縮短建造周期，保證整個建造周期的進度，同時降低人為因素的影響，從而提高了焊接工程的質(zhì)量。在施工過程中，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇適應(yīng)的焊接方法進行焊接。

1 筒體自動焊工藝方法

自動焊焊接工藝采用熔化極氣體保護焊，焊絲為ER90S-G，焊接保護氣體為80%Ar+20%CO2，焊工通過遙控器的操作完成焊接過程，焊工可操作控制焊接參數(shù)包括（電流、電壓、行走速度等），能夠減輕現(xiàn)場焊工勞動強度，確保焊接性能穩(wěn)定[1]。

ER90S-G藥芯焊絲是一種高效、節(jié)能、工藝性能優(yōu)良的焊接材料，綜合了焊條電弧焊和普通熔化極氣體保護焊所具備的優(yōu)點，具備焊條連續(xù)焊接的能力。焊絲熔敷速度快，效率高，生產(chǎn)效率較焊條電弧焊提高了3～5倍。綜合藥芯焊絲氣體保護焊的優(yōu)點，在筒體拼裝過程中，主要拼裝焊縫均是長直焊縫，采用藥芯焊絲氣體保護焊可以顯著提高焊接效率。

2 筒體自動焊工藝過程關(guān)鍵控制點

2.1 組對調(diào)整及定位焊

焊縫組對調(diào)整采用組對器或其他調(diào)整工裝進行調(diào)整固定，使其達到下述要求：組對間隙為0～10mm，對于間隙在5～10mm時，焊接時應(yīng)使用陶瓷襯墊。筒體組對過程中使用工裝卡具進行調(diào)整固定。

焊接坡口組對錯邊量、焊接坡口尺寸公差應(yīng)符合設(shè)計要求和焊接工藝規(guī)程要求，定位焊完成以后復(fù)查檢查定位的尺寸是否改變。在縱縫、環(huán)縫允許的錯邊量范圍內(nèi)應(yīng)修整成平滑過渡。

定位焊時嚴(yán)格按照正式焊縫焊接工藝規(guī)程要求執(zhí)行，預(yù)熱溫度和道間溫度要求與正式焊縫相同，焊工不能超資格施焊。定位焊時用手工電弧焊在焊縫清根一側(cè)進行定位焊接，筒體縱縫與環(huán)縫的定位焊時用手工電弧焊在筒體內(nèi)側(cè)進行定位焊接。縱縫定位焊縫長度為80～100mm左右，間隔200～300mm；環(huán)縫定位焊縫的長度為100～200mm左右，間隔200～400mm。施工時，可根據(jù)實際情況調(diào)整定位焊縫長度及間隔距離。

2.2 預(yù)熱

筒體焊縫定位焊及正式焊接時需采用電加熱的方法或其他符合要求的加熱方式進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度和道間溫度嚴(yán)格遵守焊接工藝規(guī)程的要求?？紤]筒體板材較厚，且現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，使用火焰加熱易造成焊縫周圍受熱不均勻，且大風(fēng)及較低溫環(huán)境下熱量散失快，導(dǎo)致焊縫部分位置無法達到預(yù)熱溫度，而電加熱受熱均勻且可以維持一定溫度，因此應(yīng)盡量采用電加熱片進行加熱并保持一定的時間，使焊縫周圍均勻受熱。

2.3 自動焊焊接順序

縱縫焊接焊縫的焊接方向是從下向上，每條縱縫焊接順序見圖1，現(xiàn)場焊接過程中，焊接工程師可根據(jù)焊縫的變形隨時調(diào)整焊縫內(nèi)外側(cè)焊接順序或調(diào)整工位焊接順序。焊縫打底層及部分填充層焊縫焊接時焊接工位順序為：1、2、3；其他填充焊縫及蓋面層焊接工位順序3、2、1，具體焊接順序根據(jù)焊縫變形情況進行調(diào)整。

圖1 縱縫焊自動焊接順序示意圖

環(huán)縫同側(cè)焊接采用分段同向焊的方法，環(huán)縫組對調(diào)整符合要求后，同時均勻布置多臺焊機同時施焊。焊縫共分6段，正式焊接時，如有必要，可先對環(huán)縫T型接頭處焊接3～4層，以防止T型接頭處應(yīng)力過大造成焊縫開裂等缺陷。焊接注意事項：

2.3.1 縱焊縫先行焊接外側(cè)打底層和部分填充層。

2.3.2 完成打底層和部分填充層焊接之后，背面碳弧氣刨后再進行打磨清根或直接進行打磨清根（清根打磨時應(yīng)打磨圓滑以便于下一層焊道焊接），清根打磨后進行PT檢測。

2.3.3 出現(xiàn)部分焊層或局部位置不宜使用自動焊工藝焊接時（如清根后局部位置過深，坡口過窄等情況），可采用手工電弧焊進行焊接補償。

2.3.4 焊接過程中應(yīng)檢查焊接變形，可采用全站儀或自制樣板進行過程監(jiān)測，待焊縫焊接完成后在采取全站儀測量焊縫兩側(cè)各30mm左右半徑。在焊接過程中，焊接工程師根據(jù)焊接變形，可以適當(dāng)調(diào)整內(nèi)外側(cè)的焊接順序。

2.3.5 風(fēng)速應(yīng)不大于2m/s，當(dāng)超過此值時，應(yīng)采取防風(fēng)措施。

3 影響藥芯焊絲氣保焊焊縫成形質(zhì)量原因

3.1 模擬工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

3.1.1 焊接電流。焊接電流大小的選擇是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，焊接電流過大容易造成咬邊、焊瘤、燒穿等缺陷。焊接電流過小會使焊縫熔深減小，容易造成未焊透、夾渣、縮孔、未熔合等缺陷。在模擬試驗中，采用相同焊接電壓及速度等工藝參數(shù)，分別采用160A和190A的電流，在橫焊填充焊道進行焊接。隨著電流的減小，焊縫的寬度也逐漸減小；當(dāng)焊接電流為190A時焊縫寬度與厚度比合理，表面比較光滑，焊縫呈光亮金屬光澤；而當(dāng)焊接電流為160A時，焊縫表面凹凸不平，無光澤且呈黑色。當(dāng)焊接電流小時，由于焊接電弧產(chǎn)生熱減少，造成了對藥芯焊絲的加熱不足，使藥芯焊絲的合金粉末不能充分地進行冶金反應(yīng)，導(dǎo)致了形成的焊縫形狀；而在190A的焊接電流下，熔池的溫度較高，脫渣充分，在熔池凝固前，焊渣完全浮在熔池上面，焊縫呈光亮金屬光澤[2]。

3.1.2 焊接速度。在焊速較高時會出現(xiàn)較大的飛濺，產(chǎn)生的煙塵也增多，焊速過快易導(dǎo)致熔渣包敷不均勻，出現(xiàn)咬邊，使焊縫的形狀變壞；焊速較低，熔深增加，焊道變寬，易導(dǎo)致熔化的合金成分與母材熔合不良等缺陷，甚至出現(xiàn)液態(tài)金屬導(dǎo)前，造成焊瘤。焊接速度的影響類似于焊接電流的影響，當(dāng)焊接速度達到一個最優(yōu)值時，電弧的穿透力最大，超過這個臨界值時穿透力則減弱。當(dāng)采用較快的焊接速度時，電弧產(chǎn)生的熱輸入沒有足夠的時間來充分的熔化母材，導(dǎo)致未焊透或未熔合缺陷。根據(jù)線能量公式，在焊接電流一定，弧壓穩(wěn)定的情況下，線能量的大小由焊接速度來決定的，采用較慢的焊接速度時，大量熔敷金屬在同一個位置熔敷，熔化的焊縫金屬流淌在電弧之前，流淌在母材上，近一步阻止電弧穿透。在焊接電流、電壓不變的情況下，改變焊接速度，觀察速度對焊縫成形的影響。焊接速度分別采用25cm/min和40cm/min，焊接速度的提高在焊速較高時會出現(xiàn)較大的飛濺，產(chǎn)生的煙塵也增多，焊速過快易導(dǎo)致熔渣包敷不均勻，出現(xiàn)咬邊，使焊縫的形狀變壞；焊速較低，熔深增加，焊道變寬，易導(dǎo)致熔化的合金成分與母材熔合不良等缺陷，甚至出現(xiàn)液態(tài)金屬導(dǎo)前，造成焊瘤。

3.1.3 焊接電壓。電弧電壓（弧壓）是指工件和焊絲端部之間的電壓，即電弧長度，是配合焊接電流決定電弧長度的因子，對電弧的穩(wěn)定性、飛濺的產(chǎn)生、焊縫的形狀、熔深的狀態(tài)、焊接氣孔等影響很大?；撼３Ｓ脕砜刂坪缚p的成型，當(dāng)弧壓增加，焊縫的高度減小，焊縫的寬度增加，熔合效果較好。焊接時應(yīng)注意，隨著焊接電流增大和焊絲的熔化，焊接電壓也應(yīng)該增加一些以保持電弧的穩(wěn)定，減少飛濺；同樣在電弧弧壓增加的同時也要增加電流。

焊接過程中改變電弧電壓，其電壓值分別為22V和24V，當(dāng)電弧電壓增大時，焊縫寬度變寬，同時與母材融合部位易出現(xiàn)未融合等缺陷，在橫焊位置還體現(xiàn)為熔敷金屬整體往下垂趨勢，當(dāng)電弧電壓變小時熔敷金屬無法正常鋪開，焊道變窄，焊道兩側(cè)根部成形不良，未能與母材或上一層焊道完全融合。電弧長度過長易造成電弧不穩(wěn)定從而影響焊縫質(zhì)量，降低電弧推力并導(dǎo)致未焊透缺陷的產(chǎn)生。如果電弧長度過短，就會使焊絲容易粘堵導(dǎo)電嘴，甚至造成導(dǎo)電嘴燒損。

3.1.4 保護氣體流量。流量過小，保護效果變差，焊縫易出現(xiàn)凹坑和氣孔。流量過大會產(chǎn)生紊流，從而破壞氣保護。氣體流量的設(shè)定，取決于保護氣體的種類、氣嘴直徑和焊接電流等因素。焊接電流、電壓不變的情況下，將保護氣體流量由20L/min調(diào)為10L/min，隨著氣體流量的減小，保護效果減弱整條焊縫呈現(xiàn)出密集型氣孔。

3.1.5 焊接層數(shù)及焊道排布。藥芯焊絲氣體保護焊焊接層數(shù)的選擇對焊縫質(zhì)量也有一定的影響，每層厚度過大，對焊縫金屬的塑性有不利的影響，而且焊接過程中熔渣容易倒流產(chǎn)生夾渣和未熔合等缺陷。每層厚度也不易過小，以免造成焊縫兩側(cè)熔合不良。

焊道排布對于焊縫成形以及層間融合有很大的影響，橫焊位置時，每一層最后一道焊道焊接前有8～10mm的間隙，在焊接時需要優(yōu)化焊道布置。

3.2 操作水平對焊縫成形影響

自動焊的使用減少了對于焊接人員的依賴，通過自動化的控制及焊接，能夠避免手工焊接中人員技能、身體/心理狀態(tài)等人為因素的影響，但是自動焊的使用仍依賴于操作員，焊機操作員對于焊接參數(shù)的選擇控制、焊接操作技巧，焊接過程中的質(zhì)量意識等都會對焊縫的最終成型質(zhì)量造成影響[3]。

在焊接操作的過程中，如焊工的操作技術(shù)水平低，則有可能導(dǎo)致打底層的焊接方法、起頭方法、接頭方法、收尾方法等操作方法使用不當(dāng)，以及焊接工藝參數(shù)的選擇不合理，從而影響焊接的質(zhì)量。同時焊前對工件上的油污、銹、水分清理不干凈，會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生大量的氣孔，從而使焊縫質(zhì)量達不到要求。

4 結(jié)束語

在筒體拼裝焊接工作中使用MAG自動焊及藥芯焊絲，具有焊接質(zhì)量好，焊接速度快，熔敷效率高，操作簡單的特點，在結(jié)構(gòu)模塊后續(xù)施工過程中，可以有效地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，同時減少人為因素造成的焊接質(zhì)量。在碳鋼板材焊接過程中，調(diào)整合適的參數(shù)，保證焊絲融化速度和送絲速度的一致性，可以減少焊接過程中產(chǎn)生焊瘤等缺陷。

通過相應(yīng)的自動焊技術(shù)研究及應(yīng)用，可以減少對于高技能焊工的需求量，在保證質(zhì)量的前提下提高焊接效率，加快現(xiàn)場的建造速度，縮短建造周期，從而保證建造周期的進度。