付吉哲

上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200233

引言

某項(xiàng)目中大型鋼制筒體材料為低合金高強(qiáng)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(dòng)焊（自動(dòng)焊縱縫及環(huán)縫坡口為雙面對(duì)稱全熔透坡口），以減少對(duì)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(chǎng)的建造速度，縮短建造周期，保證整個(gè)建造周期的進(jìn)度，同時(shí)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(chǎng)實(shí)際情況選擇適應(yīng)的焊接方法進(jìn)行焊接。

1 筒體自動(dòng)焊工藝方法

自動(dòng)焊焊接工藝采用熔化極氣體保護(hù)焊，焊絲為ER90S-G，焊接保護(hù)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(chǎng)焊工勞動(dòng)強(qiáng)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(hù)焊所具備的優(yōu)點(diǎn)，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(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)，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(hù)焊可以顯著提高焊接效率。

2 筒體自動(dòng)焊工藝過程關(guān)鍵控制點(diǎn)

2.1 組對(duì)調(diào)整及定位焊

焊縫組對(duì)調(diào)整采用組對(duì)器或其他調(diào)整工裝進(jìn)行調(diào)整固定，使其達(dá)到下述要求：組對(duì)間隙為0～10mm，對(duì)于間隙在5～10mm時(shí)，焊接時(shí)應(yīng)使用陶瓷襯墊。筒體組對(duì)過程中使用工裝卡具進(jìn)行調(diào)整固定。

焊接坡口組對(duì)錯(cuò)邊量、焊接坡口尺寸公差應(yīng)符合設(shè)計(jì)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(cuò)邊量范圍內(nèi)應(yīng)修整成平滑過渡。

定位焊時(shí)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(shí)用手工電弧焊在焊縫清根一側(cè)進(jìn)行定位焊接，筒體縱縫與環(huán)縫的定位焊時(shí)用手工電弧焊在筒體內(nèi)側(cè)進(jìn)行定位焊接?？v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(shí)，可根據(jù)實(shí)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(shí)需采用電加熱的方法或其他符合要求的加熱方式進(jìn)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(chǎng)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(dá)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(jìn)行加熱并保持一定的時(shí)間，使焊縫周圍均勻受熱。

2.3 自動(dòng)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(chǎng)焊接過程中，焊接工程師可根據(jù)焊縫的變形隨時(shí)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(shí)焊接工位順序?yàn)椋?、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(jìn)行調(diào)整。

圖1 縱縫焊自動(dòng)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(duì)調(diào)整符合要求后，同時(shí)均勻布置多臺(tái)焊機(jī)同時(shí)施焊。焊縫共分6段，正式焊接時(shí)，如有必要，可先對(duì)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(xiàng)：

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(jìn)行打磨清根或直接進(jìn)行打磨清根（清根打磨時(shí)應(yīng)打磨圓滑以便于下一層焊道焊接），清根打磨后進(jìn)行PT檢測(cè)。

2.3.3 出現(xiàn)部分焊層或局部位置不宜使用自動(dòng)焊工藝焊接時(shí)（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(jìn)行焊接補(bǔ)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(jìn)行過程監(jiān)測(cè)，待焊縫焊接完成后在采取全站儀測(cè)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(shí)，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(duì)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(huì)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(yàn)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(jìn)行焊接。隨著電流的減小，焊縫的寬度也逐漸減??；當(dāng)焊接電流為190A時(shí)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(shí)，焊縫表面凹凸不平，無光澤且呈黑色。當(dāng)焊接電流小時(shí)，由于焊接電弧產(chǎn)生熱減少，造成了對(duì)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(jìn)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(shí)會(huì)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(dá)到一個(gè)最優(yōu)值時(shí)，電弧的穿透力最大，超過這個(gè)臨界值時(shí)穿透力則減弱。當(dāng)采用較快的焊接速度時(shí)，電弧產(chǎn)生的熱輸入沒有足夠的時(shí)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(shí)，大量熔敷金屬在同一個(gè)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(duì)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(shí)會(huì)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)，焊縫寬度變寬，同時(shí)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(shì)，當(dāng)電弧電壓變小時(shí)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(huì)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(hù)氣體流量。流量過小，保護(hù)效果變差，焊縫易出現(xiàn)凹坑和氣孔。流量過大會(huì)產(chǎn)生紊流，從而破壞氣保護(hù)。氣體流量的設(shè)定，取決于保護(hù)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(hù)氣體流量由20L/min調(diào)為10L/min，隨著氣體流量的減小，保護(hù)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(hù)焊焊接層數(shù)的選擇對(duì)焊縫質(zhì)量也有一定的影響，每層厚度過大，對(duì)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(duì)于焊縫成形以及層間融合有很大的影響，橫焊位置時(shí)，每一層最后一道焊道焊接前有8～10mm的間隙，在焊接時(shí)需要優(yōu)化焊道布置。

3.2 操作水平對(duì)焊縫成形影響

自動(dòng)焊的使用減少了對(duì)于焊接人員的依賴，通過自動(dòng)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(dòng)焊的使用仍依賴于操作員，焊機(jī)操作員對(duì)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(shí)等都會(huì)對(duì)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(shí)焊前對(duì)工件上的油污、銹、水分清理不干凈，會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生大量的氣孔，從而使焊縫質(zhì)量達(dá)不到要求。

4 結(jié)束語

在筒體拼裝焊接工作中使用MAG自動(dòng)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(diǎn)，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(shí)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(dòng)焊技術(shù)研究及應(yīng)用，可以減少對(duì)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(chǎng)的建造速度，縮短建造周期，從而保證建造周期的進(jìn)度。