席廷宣,尉世凱

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

CO2氣體保護焊接技術的推廣應用

席廷宣1,尉世凱2

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

通過對CO2氣體保護焊接技術優(yōu)缺點的比較,以及總結CO2氣體保護焊接實踐經(jīng)驗和制訂針對性預防措施,在火電施工,特別是煙風煤粉等薄壁管道及鋼結構制作中應用,可以提高施工效率,降低施工成本。

CO2氣體保護焊接技術;分段焊接;工程應用

0 引言

CO2氣體保護焊接技術發(fā)展與金屬結構制造狀況密不可分。20世紀50年代初期,CO2氣體保護焊接技術一經(jīng)開發(fā),就應用于金屬結構制造,并伴隨著焊接結構設計、制造技術水平的不斷提高,逐漸成為金屬結構焊接的主要方法。其高效、優(yōu)質、自動化的技術特點,具有良好應用條件,并且極大地推動了金屬結構焊接技術和相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從20世紀80年代中期到90年代初形成了我國大型金屬結構企業(yè)的CO2氣體保護焊接技術的生產(chǎn)能力,從而大大改變了金屬結構制造企業(yè)的裝備水平、制造能力,提高了產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。山西省電建四公司CO2氣體保護焊接技術也在1989年太原第一熱電廠五期擴建工程的水冷壁密封焊接中得到應用,并且在大唐陽城國際發(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用。

目前,美國、日本、歐洲等發(fā)達國家及地區(qū)采用焊接金屬結構件比例日趨增大,其中CO2氣體保護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%,而我國僅為20%。為了提高現(xiàn)場金屬構件制作焊接效率及焊接質量,應積極推廣CO2氣體保護焊接技術在工程中應用。

1 CO2氣體保護焊的主要優(yōu)點

1.1 生產(chǎn)效率高

首先,CO2氣體保護焊能夠實現(xiàn)較大的焊接電流,如采用φ1.2 mm實心焊絲,焊接電流可達到350 A,φ2.4 mm藥芯焊絲的焊接電流可達到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氣體保護焊輔助時間是焊條電弧焊的50%[1]。據(jù)松下公司資料介紹,CO2氣體保護焊接技術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 焊接質量好

CO2氣體保護焊接的優(yōu)點是明弧焊接,易實現(xiàn)全方位半自動和自動焊接;CO2氣體保護焊接的自動化程度高,電弧自身調節(jié)作用強,焊接過程中電弧穩(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,焊接質量穩(wěn)定[1]。由于CO2氣體在焊接過程中對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氣體保護焊接技術改良了焊接接頭形式

CO2氣體保護焊接技術改良了焊接接頭形式和焊接坡口形式如圖1所示。CO2氣體保護焊的焊接溶深較大,在T形接頭形式時,當熔深增大時,在保證焊縫金屬承載面積保持不變時,焊腳尺寸往往可以減少。在對接接頭時,CO2氣體保護焊接與手工電弧焊相比,焊接坡口角度一般可以減少5～10°,當采用單邊V形坡口對接焊時,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氣體保護焊與手工電弧焊接頭對比圖

1.4 焊接規(guī)范參數(shù)調節(jié)范圍大

CO2氣體保護焊接同一規(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實心焊絲其焊接電流調節(jié)范圍可以為80～350 A,從而使CO2氣體保護焊接的焊接設備、材料具備較好的適應金屬結構產(chǎn)品的變化能力,減少了儲備焊接材料規(guī)格和重量,有利于焊接質量控制和管理[2]。

1.5 CO2氣體保護焊接技術成本低

手工電弧焊熔深淺,所以需要開大坡口 (30～60°),而CO2氣體保護焊接技術焊接熔深大,可減小坡口角度 (45～50°),應用CO2氣體保護焊接時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,降低耗電量65.4%,設備臺班費較焊條電弧焊降低67%～80%,可降低成本20%～40%,減少人工費、工時費,降低成本10%～16%,節(jié)省輔助工時、輔料消耗及矯正變形等費用,綜合CO2氣體保護焊接技術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)相關資料介紹,CO2氣體保護焊接技術的電弧密度高,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氣體保護焊接技術推廣應用有利于節(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。

2 CO2氣體保護焊接的主要缺點

2.1 金屬飛濺較多

純凈二氧化碳制備困難,其中的水份和氮氣等雜質,常常引起較大煙塵和飛濺,特別是當焊接工藝參數(shù)匹配不當時,飛濺更為嚴重,使焊縫外觀不夠光滑。

2.2 焊縫金屬氧化和氣孔夾雜

CO2氣體保護焊接時氣流對焊縫有冷卻作用,又無熔池覆蓋,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,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氣孔、氫氣孔和氮氣孔。

2.3 弧光輻射較強

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

3 CO2氣體保護焊接措施

CO2氣體保護焊接技術是優(yōu)質、高效、低成本的焊接方法。同時它的缺點可通過提高技術水平和改進焊接設備加以解決。

3.1 減少飛濺的方法

金屬飛濺是CO2氣體保護焊接技術的焊接主要問題,特別是粗絲大電流焊接飛濺更為嚴重,有時飛濺損失達焊絲熔化量的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,飛濺金屬粘到導電嘴和噴嘴內壁上,會造成送絲和送氣不暢,影響電弧穩(wěn)定和降低保護作用,惡化焊縫成型。粘到焊件表面上又增加焊后清理工作。

a)采用動特性好的波形控制電源,采用脈沖電源,也就是在選擇焊機的時候要合理選擇,并匹配合適的可調電感,以便當采用不同直徑的焊絲時,能調得合適的電流增長速度。

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,使過渡熔滴變細,甚至得到射流過渡,改善過渡特性,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)采用直流反接進行焊接。

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

3.2 減少焊接氣孔的方法

a)CO2氣體保護焊是明弧作業(yè),抗風能力較弱,焊接作業(yè)時需有防風措施。

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)生強烈的碳還原反應,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氣體保護焊接技術保護不良或CO2氣體純度不高。只要加強CO2氣體保護焊接技術的保護和控制CO2氣體的純度,即可防止。造成保護效果不好的原因一般是過小的氣體流量,噴嘴被堵、噴嘴距工件過大,電弧電壓過高 (即電弧過長),電弧不穩(wěn)或作業(yè)區(qū)有風等。

d)產(chǎn)生H2氣孔是由于在高溫時熔入了大量H 2,結晶過程中不能充分排出,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CO2氣體進行提純與干燥是必要的。

3.3 焊絲吸潮問題

這其實是一個管理上的問題。焊絲打開包裝后,當天未用完,裸露在車間,則容易吸潮,特別在雨天或濕度較大時,因為藥芯焊絲一般都是有縫的,里邊的填充藥粉會吸潮,導致使用過程中容易出現(xiàn)氣孔缺陷。但只要采取一些必要的措施,例如,當天未用完的焊絲送還焊材烘烤室 (焊材二級庫),或根據(jù)濕度大小,用干燥塑料布將未用完的焊絲包扎嚴密,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

當市面出售CO2氣體含水量較高時,在現(xiàn)場減少水分的措施是:

將新灌氣瓶倒立靜置1～2 h,然后開啟閥門,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。經(jīng)倒置放水后的氣瓶,使用前先打開閥門放掉瓶內上部純度低的氣體,然后再套接輸氣管。

使用瓶裝液態(tài)CO2時,注意對氣體預熱,因為瓶中高壓氣體經(jīng)減壓降壓而體積膨脹時,要吸收大量的熱,使氣體溫度降到零度以下,會引起CO2氣中水分在減壓器內結冰而堵塞氣路,故在CO2氣體未減壓之前應經(jīng)過預熱。

4 工程實踐應用

大唐陽城國際發(fā)電廠一期工程6×350 MW工程3號機組汽輪機低壓外缸焊接,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)場進行組合。其中低壓外上缸分為6部分,包括汽側和勵側端部半圓形殼體,中部導汽管左右2塊圓弧板,中部2塊法蘭面。汽缸殼體厚 35 mm,殼體材質為RST37-2,對正中心鍵材質為ST52-3。在1號、2號機組的低壓缸在組合過程中,就由于組合及焊接引起的變形非常大,滿足不了汽輪機組安裝驗收規(guī)范的要求。部件到現(xiàn)場后為雙V坡口,需2名焊工進行雙面對稱施焊。每一層焊縫均采用雙人對稱分段退焊焊接工藝如下。

圖2 焊接順序和坡口形式圖(mm)

焊接要點如下。

對于局部間隙大于4 mm時要設法修正,以保證焊接質量。

兩人的焊接頭及層間接頭應錯開10 mm左右。焊接過程中,用風鎬不斷敲擊焊口兩側邊緣,及時釋放應力。

焊接過程中,在每道焊縫兩側,各劃一條測量線,及時量取焊縫收縮值。收縮不均勻時及時采取措施,調整焊接順序和焊接速度。汽缸組合后完全滿足驗收規(guī)范要求和西門子公司的設計要求,受到了外方專家的好評和陽城監(jiān)理部的通報表揚。

5 結束語

目前,我國電力施工面臨的競爭將越來越激烈,同時結構制作焊接方面的競爭同樣越來越激烈。因此,為了提高金屬結構產(chǎn)品質量、降低生產(chǎn)成本,只有結構制作焊接施工中大面積推廣高效熔化極CO2氣體保護焊接技術,同時,要求CO2氣體保護焊接操作焊工要有高超的技能,焊機要有高品質的焊機性能,選用高質量的焊接材料,執(zhí)行嚴格的CO2氣體保護焊接工藝規(guī)范和技術標準,制造良好的CO2氣體保護焊接環(huán)境,才能滿足結構制作焊接的生存和發(fā)展的需要。

[1] 王玉松.CO2/M AG焊接技術在工程建設焊接上的應用[C].//2005年全國工程建設行業(yè)焊接新材料、新技術交流會論文集.唐山市:中國石化集團公司施工企業(yè)管理協(xié)會及全國石油和化工建設信息站,2005:278-280.

[2] 陳清陽.CO2焊接技術在金屬結構行業(yè)中的應用與推廣[J].機械工人 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)于太原理工大學焊接工藝及設備專業(yè),工程師,主要研究方向為火電廠安裝金屬材料焊接工藝;

尉世凱 (1958-),男,山西陽高人,1982年畢業(yè)于西北工業(yè)大學焊接工程專業(yè),教授級高級工程師,主要研究方向為發(fā)電金屬材料焊接工藝。

book=67,ebook=220