于建水

中國(guó)化學(xué)工程第十三建設(shè)有限公司 河北滄州 061000

焊接技術(shù)是金屬加工的重要方法，是現(xiàn)代工業(yè)中不可取代的加工手段。陶瓷襯墊是目前廣泛應(yīng)用的單面焊襯墊材料，陶瓷襯墊配合氬弧焊打底焊無(wú)需背面碳弧氣刨清根，解決工件背面清根費(fèi)時(shí)費(fèi)力、碳弧氣刨后槽道增碳（針對(duì)不銹鋼材料尤為明顯）、焊縫韌性差等難題。與雙面焊相比，該施工工藝可提高焊接生產(chǎn)效率3～5 倍，節(jié)省材料10%，節(jié)約電能50%，并且操作簡(jiǎn)單，使用方便，可簡(jiǎn)化裝配工序。

該施工工藝現(xiàn)應(yīng)用于天津渤化化工發(fā)展有限公司兩化搬遷改造項(xiàng)目——專用罐區(qū)項(xiàng)目37 罐組4 臺(tái)15000m3儲(chǔ)罐。其設(shè)備特點(diǎn)是體積大、重量重，罐體的鋼板種類多，材料為S31608, 焊接質(zhì)量要求高。焊縫經(jīng)外觀檢查合格后，按NB/ T47013.2- 2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的雙面手工電弧焊等傳統(tǒng)焊接工藝，焊縫存在缺陷（未融合、氣孔、夾渣）多的問(wèn)題；而采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型的工藝后，不僅焊接質(zhì)量全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。

1 工法特點(diǎn)

1.1 適用范圍廣

陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝可以焊接薄板，也可以焊接中等厚度和大厚度的板材，適合長(zhǎng)焊縫的焊接，如儲(chǔ)罐焊接等，且更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

1.2 生產(chǎn)效率高、焊接變形小

熔化及氬弧焊使用焊絲做電極，允許使用的電流密度較高，因此熔深大，熔敷速度快，生產(chǎn)效率比TIG 焊高，厚大焊件變形比TIG 小。陶瓷襯墊配合熔化及氬弧焊焊接，無(wú)論是焊接效率，還是焊接質(zhì)量都有更顯著的提高。

1.3 焊接過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

熔化極氬弧焊的電弧是明弧，焊接過(guò)程參數(shù)穩(wěn)定，易于檢測(cè)及控制，因此更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。本方法適用于儲(chǔ)罐等非標(biāo)設(shè)備（焊接條件單一、焊接量大）的焊接工程。

2 工藝原理

陶瓷襯墊焊接是以特殊陶質(zhì)材料為襯托，使焊縫強(qiáng)制成形的高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的焊接方式。這種焊接形式避免了清根、仰焊及狹窄封閉的環(huán)境內(nèi)作業(yè)，配合本身焊接效率高、焊接合格率高的熔化極氬弧焊，使焊接生產(chǎn)效率成倍提高，同時(shí)減輕了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接質(zhì)量得到保障。雙面焊焊另一面時(shí)，一般需要清根，或刨或磨掉夾渣，但是本方法恰恰免除了雙面焊接清根這一道工序。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

陶瓷襯墊焊接的施工工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 陶瓷襯墊焊接的施工工藝流程圖

3.1 焊前準(zhǔn)備

焊接前應(yīng)徹底清除工件表面的油污、金屬屑、氧化膜及其他污物，尤其是板材邊緣30mm 范圍內(nèi)的待焊部位，必須徹底清理干凈，防止焊接時(shí)產(chǎn)生焊接缺陷。焊接原理圖如圖2 所示。

圖2 焊接原理圖

3.2 組對(duì)坡口形式

組對(duì)坡口包括立縫坡口形式和環(huán)縫坡口形式，分別見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 立縫坡口形式

圖4 環(huán)縫坡口形式

3.3 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 單面焊立縫焊接參數(shù)

表2 單面焊環(huán)縫焊接參數(shù)

3.4 襯墊粘貼

陶瓷襯墊的安裝必須與鋼板貼合緊密，襯墊與襯墊接茬處應(yīng)相互推緊無(wú)間隙?，F(xiàn)場(chǎng)采用的陶瓷襯墊是SCA3陶瓷襯墊，其成形槽寬度為10mm，深度為1.2mm。陶瓷塊使用前經(jīng)120℃左右烘培1～1.5h，隨烘隨用。施工時(shí)應(yīng)注意將陶瓷襯墊中心線反到兩頭，以確保與焊縫找正對(duì)中，撕開(kāi)背膠，貼好陶瓷襯墊。詳見(jiàn)圖5。

圖5 陶瓷襯墊

3.5 焊接過(guò)程

（1）氬弧單面焊打底層焊接時(shí)，焊接電流按焊接參數(shù)嚴(yán)格控制，以防止產(chǎn)生裂紋。

（2）打底層焊接中，坡口兩根趾應(yīng)完全熔透，對(duì)于坡口間隙較大時(shí)，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖謩?shì)擺動(dòng)，兩根趾處略作停頓，以確保焊縫背面成型良好。

（3）在打底層焊接中，由于各種原因需停頓時(shí)，重新引弧應(yīng)采用熱接法接頭，即前一次熄弧后，待熔池尚未冷卻，隨即引弧開(kāi)始正常焊接。如熔池已完全冷卻，需重新引弧前，必須用砂輪對(duì)弧坑進(jìn)行修整，使弧坑形成圓滑過(guò)渡狀，然后再引弧進(jìn)行正常焊接。焊接過(guò)程中，任何一層或一道的焊接必須從引弧板的坡口起點(diǎn)焊接，焊縫的終點(diǎn)收弧需焊至熄弧板的坡口終止。

焊接成果見(jiàn)圖6。

圖6 焊接成果

3.6 焊接方法

該工藝采用打底蓋面一次成形技術(shù)，焊接時(shí)焊絲的位置、擺動(dòng)方法和焊接速度都是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

焊接時(shí)，先調(diào)好焊接參數(shù)，然后在試板下端引燃電弧，使焊槍在焊縫中心處做月牙形橫向擺動(dòng)。當(dāng)電弧超過(guò)定位焊縫時(shí)產(chǎn)生熔孔，焊接過(guò)程中始終保持熔孔邊緣比下坡口邊緣大0.5～1mm 較合適。電弧擺動(dòng)時(shí)，電弧的位置始終低于熔孔最低點(diǎn)0.5～1mm，以月牙的形式進(jìn)行擺動(dòng)，擺動(dòng)超過(guò)上坡口邊的1～2mm 并注意擺動(dòng)的速度和適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間，保證坡口內(nèi)金屬填充飽滿。停弧或打底焊結(jié)束時(shí)，焊絲不要馬上離開(kāi)弧坑，以防止產(chǎn)生縮孔及氣孔。

3.7 焊后背面焊縫處理

焊接結(jié)束后，焊工需去除焊縫背面襯墊，并檢查背面焊縫是否符合要求。修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表3 修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)

4 施工過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)積累經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了獲得優(yōu)質(zhì)的反面焊縫成形，必須注意下列問(wèn)題：

4.1 坡口的根部間隙

坡口根部間隙的大小直接影響反面焊縫的寬窄和余高的大小，同時(shí)對(duì)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)際操作，在正常焊接條件下，間隙的最佳值為3～7mm，在此范圍內(nèi)容易得到良好的背面焊縫成形。若間隙較大，則需通過(guò)調(diào)整焊接操作手法來(lái)彌補(bǔ)，可以獲得良好的背面成形。若間隙很小或沒(méi)有間隙，則需要采用大電流，降低電弧及焊接速度，并使在熔池前部直接加熱母材，以保證焊縫根部熔透，反面焊縫仍可保證美觀平整、無(wú)咬邊、未熔合及焊不透現(xiàn)象。

4.2 坡口角度

坡口角度是影響反面成形、融合性及精度的一個(gè)重要參量，有時(shí)還影響焊接電弧的穩(wěn)定性。通過(guò)各種試驗(yàn)及相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)坡口角度在50～60°時(shí)為最佳。

4.3 錯(cuò)邊量

錯(cuò)邊量的大小影響襯墊的安裝、貼合，以及反面焊縫的對(duì)稱性與焊縫根部的融合性。專用罐區(qū)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用的襯墊屬于硬襯墊，錯(cuò)邊量超過(guò)3mm 時(shí)，襯墊與儲(chǔ)罐壁板的貼合性較差，熔化的鐵水容易從較低的一側(cè)流漏，焊縫向較低一側(cè)傾斜；而較高一側(cè)出現(xiàn)融合不良、產(chǎn)生凹凸、焊縫不對(duì)稱，從而影響接頭的機(jī)械性能和承載能力。襯墊由許多小陶瓷塊拼接而成，具有一定的柔性，因此，錯(cuò)邊量小于3mm 時(shí)，對(duì)反面焊接質(zhì)量影響不大，完全可以滿足施工現(xiàn)場(chǎng)及相關(guān)規(guī)范的要求。

4.4 鈍邊高度

鈍邊高度主要影響焊縫根部的熔透性及反面焊縫的成形質(zhì)量。如果坡囗的鈍邊高度過(guò)大，超過(guò)3mm，母材的散熱作用加強(qiáng)，焊縫根部容易出現(xiàn)熔合不良、產(chǎn)生凹凸、脈紋、反面焊縫與母材過(guò)渡處粗糙，焊縫表面質(zhì)量惡化。鈍邊高度較小，則有利于坡口根部熔透，反面焊縫成形得到改善。

4.5 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量）的選擇由被焊工件的厚度、焊接位置、接頭形式、焊絲直徑等因素決定。

4.6 接頭處理

使用氬弧焊進(jìn)行單面焊接時(shí)，焊絲直徑較細(xì)，電流較小，并且襯墊散熱，焊縫冷卻較快，要在斷弧處將焊縫接頭連接好。

5 季節(jié)性施工技術(shù)措施

5.1 雨季施工措施

（1）應(yīng)充分注意個(gè)人安全防護(hù)，避免觸電，電焊把線不得破皮漏芯，中間接頭要用絕緣膠帶包扎結(jié)實(shí)，把線不得在地面積水中浸泡使用，在潮濕地方施焊必須穿好絕緣鞋，且用干燥物墊腳。

（2）被雨淋過(guò)的未焊焊口，施焊前必須烤干、除銹，剛焊完的電焊口，不允許雨水直接淋濕。

（3）嚴(yán)禁雨天在無(wú)遮擋的情況下進(jìn)行焊接，要注意焊接材料保管，確保焊材不受潮，焊機(jī)要求有防雨棚，且接地良好。

5.2 冬季施工措施

（1）焊接所使用的焊條必須烘焙1～2h，然后置于80～100℃的烘箱中保存，使用時(shí)應(yīng)裝入保溫溫度為80～110℃的焊條保溫桶內(nèi)，并接上電源通電恒溫，隨用隨取。如在外面超過(guò)4h，亦應(yīng)重新烘焙。焊條的烘焙次數(shù)不宜超過(guò)兩次。

（2）當(dāng)進(jìn)行管道焊接時(shí)，為減少溫度梯度，防止裂紋產(chǎn)生，使管道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，焊縫區(qū)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械性能，須提高施工環(huán)境溫度到0℃以上。在提高壞境溫度的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行預(yù)熱、焊接、熱處理工作。

（3）為更好的防風(fēng)及提高環(huán)境溫度，保溫棚內(nèi)安裝電暖器，在焊接區(qū)域附近安裝溫度表進(jìn)行溫度監(jiān)控。

（4）對(duì)保溫棚的搭設(shè)采取全封閉形式，尤其對(duì)底部均用保溫材料填實(shí)，不留空隙。

（5）當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，焊接前用氧.乙炔焰對(duì)焊縫坡口兩側(cè)100mmm 范圍內(nèi)進(jìn)行加熱烘干，驅(qū)除坡口內(nèi)的露水潮氣，火焰采用中性焰。

（6）當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，除奧氏體不銹鋼外，無(wú)預(yù)熱要求的鋼種，在始焊處100mm 范圍內(nèi)，預(yù)熱到15℃以上。

（7）焊接須連續(xù)進(jìn)行，中斷焊接時(shí)，要采取保溫措施，立即用石棉布或巖棉被將焊口包裹，重新焊接時(shí)再對(duì)焊口進(jìn)行預(yù)熱，焊接過(guò)程中層間溫度不低于預(yù)熱溫度，焊接完畢對(duì)焊口進(jìn)行保溫緩冷。

6 機(jī)具設(shè)備

機(jī)具設(shè)備情況如表4 所示。

表4 機(jī)具設(shè)備

7 質(zhì)量檢驗(yàn)

7.1 質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法

7.1.1 外觀檢查用肉眼或放大鏡現(xiàn)察罡否有缺陷，如咬邊、燒穿、未焊透及裂紋等，檢查焊縫外形尺寸是否符合要求。

7.1.2 密封性檢驗(yàn)

儲(chǔ)罐進(jìn)行焊縫的密封密封性試驗(yàn)，密封性試驗(yàn)有：水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。

（1）水壓試驗(yàn)。用來(lái)檢查焊縫的密封性，是焊縫中用的最多的一種密封性試驗(yàn)。

（2）氣壓試驗(yàn)。比水壓試更靈敏迅速，多用于檢查低壓容器及管道的密封性。將壓縮空氣通入容器內(nèi)，焊縫表面涂抹肥皂水，如果肥皂泡顯現(xiàn)，即為缺陷所在。

（3）真空試驗(yàn)。儲(chǔ)罐底板進(jìn)行真空箱試驗(yàn)。

7.1.3 焊內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行相應(yīng)比例的射線探傷。

7.2 質(zhì)量控制點(diǎn)

質(zhì)量控制點(diǎn)如表5 所示。

表5 質(zhì)量控制點(diǎn)

7.3 質(zhì)量記錄

施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該如實(shí)做好施工記錄、質(zhì)量驗(yàn)收記錄、各道工序間的交接檢查記錄，以及監(jiān)理驗(yàn)收記錄等。

8 效益分析

本方法通過(guò)采用陶瓷襯墊熔化極氬弧焊焊接提高了施工效率，以四臺(tái)10000m3S31608 材質(zhì)拱頂儲(chǔ)罐為例：依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，本工法無(wú)需背面清根、打磨及焊接，共計(jì)節(jié)省人工：105 工日/ 臺(tái)罐，4 臺(tái)共計(jì)420 工日。按現(xiàn)在人工市場(chǎng)價(jià)計(jì)算節(jié)約人工成本約8.4 萬(wàn)元；陶瓷襯墊的應(yīng)用相比與單面焊雙面無(wú)需使用背面保護(hù)氣體及碳弧氣刨相關(guān)材料及用電節(jié)約，成本合計(jì)約：5500 元/ 臺(tái)，4臺(tái)共計(jì)2.2 萬(wàn)元。4 臺(tái)合計(jì)降低成本10.6 萬(wàn)元。

本方法減輕了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，使焊接生產(chǎn)效率成倍提高，焊接質(zhì)量得到保障，同時(shí)焊接過(guò)程中沒(méi)有用到碳弧氣刨，降低了煙塵對(duì)人體及環(huán)境造成的危害。與傳統(tǒng)焊接方法相比，是一種適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展潮流的“綠色”焊接方法。

本方法在天津渤化化工發(fā)展有限公司兩化搬遷改造項(xiàng)目——專用罐區(qū)項(xiàng)目37 罐組及VCM 項(xiàng)目得到應(yīng)用，一次焊接合格率達(dá)98%以上；焊縫外觀成形好，得到業(yè)主和監(jiān)理單位的高度認(rèn)可。