CO2氣體保護(hù)焊在化工、石化、石油天然氣建設(shè)中的應(yīng)用(大會(huì)二等獎(jiǎng))

1、2002全國化工石化石油天然氣建設(shè)系統(tǒng)焊接技術(shù)交流會(huì)論文 Panasonic電焊機(jī)CO2/MAG氣體保護(hù)焊在化工、石化、石油天然氣工程建設(shè)中的應(yīng)用唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司 王玉松 劉斌摘要：本文介紹了CO2/MAG氣保焊工藝方法，高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的綜合優(yōu)越性和在化工、石化、石油天然氣工程建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展，分析了CO2焊接接頭韌性偏低的產(chǎn)生原因及防止措施，不同種類的氣體與焊絲相組合的工藝特點(diǎn)及控制焊縫成形的操作技術(shù)。關(guān)鍵詞：CO2/MAG氣保焊、工藝特點(diǎn)、應(yīng)用技術(shù)。1、前言：化工、石化、石油天然氣是我國的主要工業(yè)命脈，這些工業(yè)設(shè)備裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行與國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。焊接新技

2、術(shù)、新工藝、新材料、新機(jī)具在工程建設(shè)中的應(yīng)用是企業(yè)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障，也是工程建設(shè)隊(duì)伍雄厚技術(shù)實(shí)力的充分體現(xiàn)。CO2/MAG氣保焊是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的焊接方法，在大型鋼結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)罐、塔器、球罐及管道等工程焊接中有突出的表現(xiàn)，為工程建設(shè)行業(yè)贏得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，我國CO2焊在鋼材焊接熔敷金屬總量中所占比例還偏低（約20%左右）。日本、歐美所占比例較高（60%80%）。其中主要原因之一是有些企業(yè)決策層及焊接工作者對CO2焊優(yōu)越性的認(rèn)識不足，存在一些認(rèn)識誤區(qū)，或是不適當(dāng)?shù)目浯罅薈O2焊的固有的缺點(diǎn)。下面的一些看法帶有一定的普遍性：1.1 CO2焊的焊接接頭質(zhì)量比焊條電弧焊要低，

3、焊接過程中飛濺大，不適合焊接重要的焊接產(chǎn)品，如鍋爐、受壓容器等。1.2 CO2焊的生產(chǎn)效率比焊條電弧焊大概也高不了多少，成本也不一定低。1.3 CO2焊抗風(fēng)性能差，不適合現(xiàn)場施工焊接。這些不正確和不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識，阻礙了CO2焊大面積的推廣應(yīng)用。2、CO2焊的高效率2.1 CO2焊有較高的熔化速度和熔化系數(shù)。CO2焊熔敷速度35kg/h,是焊條的12.25倍。CO2焊采用細(xì)焊絲（0.81.6）電流密度大（CO2焊100300A/mm2,焊條1025 A/mm2,）。電弧熱量集中，熔化系數(shù)比焊條大13倍，可提高工效12倍。2.2 CO2焊縫坡口一般400450,鈍邊較大，間隙較小，坡口截面比焊條減小

4、50%，可使焊縫熔敷金屬量減小，等于提高了焊接速度，焊接工效提高1倍左右。2.3 CO2 焊接無需清渣，打磨，清坡口和換焊條，CO2焊的輔助時(shí)間為焊條輔助時(shí)間的50%，由此提高工效0.30.8倍。上述三項(xiàng)可得出CO2焊的工效與焊條電弧焊相比可提高倍數(shù)是2.023.88倍。如某單位一萬M3油罐立焊縫，厚度=16mm ，雙面焊，100%探傷，其每米焊縫焊接時(shí)間：CO2焊為88分鐘，焊條為377分鐘。再如529X9. 16Mn原油管道，單面焊，每個(gè)焊口焊接時(shí)間；CO2焊為77分鐘，TIG打底、焊條蓋面焊為360分鐘。這兩項(xiàng)實(shí)踐證明，CO2焊比焊條電弧焊分別提高功效3.28倍和3.67倍。例：錦西石化

5、安裝公司承建的50噸鋼梁結(jié)構(gòu)，原用電焊工20名，電焊條施焊一個(gè)月完成，改用CO2焊接，4名CO2焊工一個(gè)月完成，減員增效十分顯著。3、CO2焊接接頭的質(zhì)量水平用CO2焊接低碳鋼和低合金鋼，只要焊材選配適當(dāng)，均可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，綜合機(jī)械性能可以達(dá)到或超過低氫型焊條電弧焊的質(zhì)量水平。3.1 CO2焊是一種低氫焊接方法，焊縫中擴(kuò)散氫的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低氫焊條（CO2焊擴(kuò)散氫含量HD1.0mL/100g，低氫型焊條HD3.15 mL/100g）。CO2焊對銹和水分不敏感，焊縫中產(chǎn)生氣孔的傾向小于低氫焊條。這也是CO2焊十分可貴的優(yōu)點(diǎn)，是CO2焊接接頭質(zhì)量可靠的主要原因。3.2 CO2焊縫中的含氧量

6、和含氮量也與低氫型焊條焊接的焊縫相當(dāng)。CO2焊在焊接過程中由于采取了可靠的脫氧措施，可以使焊縫中的含氧量降低到0.02%。由于有較為可靠的氣體保護(hù)，可防止空氣中的氮進(jìn)入熔池，有效的防止氮?dú)饪椎纳伞?.3 CO2焊的焊縫熱影響區(qū)小，焊接接頭的變形量小，提高了焊接接頭承受有效載荷的能力，這是焊條電弧焊所不及的。3.4 CO2焊縫成形好，表面及內(nèi)部缺陷少，一次探傷合格率高于焊條電弧焊。 如某單位焊接529X9 原油管道，CO2焊一次探傷合格率達(dá)到100%，而同一管線采用焊條電弧焊，一次探傷合格率70%左右。再如，中化第三化建公司在10004000 M3球罐全位置藥芯焊絲CO2氣保焊應(yīng)用中，一次探傷

7、合格率達(dá)99.04%。3.5 以往CO2焊絲長期遵循GB8110-87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩個(gè)鋼號：H08Mn2SiA及H08Mn2Si，Mn的限量分別為1.802.10%，1.702.10%。由于Mn含量偏高，使焊縫強(qiáng)度偏高而韌性不夠理想，有些單位做焊接工藝評定測出韌性值偏低。有人曾提出：CO2焊不適合鍋爐、受壓容器的焊接，這是由于焊絲中Mn/Si比值較高帶來的影響。如圖一：保護(hù)氣體與焊絲組合對焊縫韌性值的影響。（AKV/J）韌 性氣體組成圖一 保護(hù)氣體與焊絲組合對焊縫韌性的影響（日本資料）Mn偏高的YGW-11（Mn=1.401.90；Si=0.551.10）適用于CO2焊接；Mn偏低的YGW-15

8、（Mn=1.001.60；Si=0.401.00）適用于富氬（MAG）焊接，兩者不能相互替代，否則韌性值滿足不了機(jī)械性能的要求。當(dāng)前我國已修訂焊絲標(biāo)準(zhǔn)為GB/T8110-1995，保留原H08Mn2SiA焊絲為ER49-1，新增加ER50-2、50-3、50-4、50-6、50-7，完全等效采用AWS國際標(biāo)準(zhǔn)，焊絲中的Mn含量為1.401.50%，Si含量為0.70.9%，考慮CO2焊時(shí)的合金過渡系數(shù)，焊縫熔敷金屬的Mn1.0%，Si0.4%，具有良好的強(qiáng)度和韌性。眾多壓力容器制造單位經(jīng)完成數(shù)量較大的焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果證明：針對不同的鋼種，正確選擇焊絲化學(xué)成分與保護(hù)氣體相組合，CO2焊接接頭

9、的綜合機(jī)械性能等同于或略高于低氫電焊條焊接接頭的綜合機(jī)械性能，完全能夠滿足低氫焊條所勝任的場合。3.5.1 焊絲成分、熔敷金屬成分及焊縫成分是三種工藝概念，三者之間不能劃等號。如表一15MnMoV NRE鋼CO2焊時(shí)的成分變化就說明了這三者之間的成分變化，焊接工作者注重的是焊縫金屬成分。依據(jù)母材成分選擇焊絲成分（即焊絲牌號），顯得十分重要。表一 15MnMoV NRE鋼CO2焊時(shí)的成分變化（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析對象CMnSiNiMoVNSP母材15MnMoV NRE0.151.540.51-0.530.030.0170.0150.019焊絲08Mn2SiNiMo0.061.500.502.000.4

10、3-0.0140.007熔敷金屬0.0561.020.281.500.38-0.0080.003焊縫金屬0.091.310.441.110.490.030.0170.0150.0163.5.2 混合氣體保護(hù)焊（80%Ar+20%CO2）即MAG焊，以飛濺少（熔滴達(dá)到噴射過渡時(shí)無飛濺），成形好，合金元素過渡系數(shù)高，焊縫綜合機(jī)械性能優(yōu)良等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。如果采用CO2氣保焊的焊絲（ER50-6），焊縫成分中的Mn、Si含量明顯偏高，強(qiáng)韌性匹配不理想，韌性值偏低。MAG焊接應(yīng)選用Mn、Si含量低的ER50-3、ER50-4焊絲，滿足焊接接頭強(qiáng)韌性匹配優(yōu)良的工藝要求。3.5.3 富氬混合氣的應(yīng)用

11、在歐美十分廣泛，見表二。其對油、銹的影響不十分敏感（見圖二），內(nèi)在質(zhì)量好。在我國大面積推廣，將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。表二 國外氣體保護(hù)與焊絲組合的工藝特點(diǎn)鋼 種焊絲類型歐 美日 本結(jié)構(gòu)鋼實(shí)芯富氬混合氣體，如：Ar+20CO2CO2藥芯富氬混合氣體，如：Ar+20CO2CO2不銹鋼實(shí)芯Ar+13O2Ar+He+（O2）Ar+2O2藥芯Ar+20CO2CO23.5.4 奧氏體不銹鋼材料的焊接在化工、石化、石油天然氣行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，采用98%Ar+2%O2氣體保護(hù)的實(shí)芯不銹鋼焊絲工藝和CO2氣保護(hù)藥芯不銹鋼焊絲熔化極焊接工藝。不僅熔敷效率高，焊接速度快，而且焊縫成形好，無弧坑、偏析物及火口裂紋，耐腐

12、蝕性能較高，應(yīng)用在不銹鋼容器、復(fù)合板材焊接及不銹鋼堆焊層熔化極焊接上有著廣闊的發(fā)展前景。4、CO2焊的低成本盡管CO2焊機(jī)和焊絲價(jià)格較貴，但由于下面諸多原因，使CO2焊的實(shí)際成本較大幅度的低于焊條電弧焊。4.1 大幅度節(jié)約焊材。由于CO2焊采用小截面坡口型式，焊縫截面積可減少3654%，即可以節(jié)約3654%的填充金屬。節(jié)省了焊條藥皮和焊條頭的浪費(fèi)。這是CO2焊成本降低的主要原因之一。4.2 CO2焊可節(jié)約大量電能。CO2焊機(jī)與硅整流弧焊機(jī)相比，可節(jié)約用電平均達(dá)37%，與交流弧焊機(jī)相比，可節(jié)約用電69%以上。CO2因提高工效2.023.88倍，因此實(shí)際焊接時(shí)間可以減少6780%。如與手弧焊機(jī)容量

13、相同，焊接參數(shù)相當(dāng)，則耗電量大致降低比例是6780%。據(jù)有關(guān)單位測定：CO2焊的耗電量僅為手弧焊的34.6%，或可降低耗電量的比例是65.4%。4.3 由于CO2焊效率高，實(shí)際設(shè)備臺(tái)班費(fèi)較手工焊降低6780%。設(shè)備臺(tái)班費(fèi)約占焊接成本的3050%，采用CO2焊工藝，可使焊接總成本降低2040%。4.4 CO2焊生產(chǎn)效率高，實(shí)際焊接時(shí)間相應(yīng)減少，即減少焊接人工費(fèi)，工時(shí)費(fèi)，焊接總成本較手工焊降低1016%。4.5 CO2焊減少了清渣和清根的工序，焊縫打磨基本可以避免，節(jié)約很多砂輪片，節(jié)省諸多輔助時(shí)間和輔助人工。CO2焊接變形小，節(jié)省了矯正變形的費(fèi)用。綜合上述五項(xiàng)，CO2焊能使焊接總成本降低39.67

14、8.7%（與焊條電弧焊比）,平均降低59%。 某公司油罐施工焊接中測定的CO2焊比手弧焊成本降低了65%。據(jù)有關(guān)資料介紹：在某行業(yè)CO2焊接熔敷金屬量占焊接總?cè)鄯罅坑?%提高到15%，可獲得經(jīng)濟(jì)效益5.65億元。5、CO2焊的缺點(diǎn)CO2焊像其他焊接方法一樣，有一些不足之處。如單一CO2氣體時(shí)熔滴金屬飛濺稍大；抗風(fēng)力較差，一般大于23米/秒的風(fēng)力需采取必要的防風(fēng)措施（防風(fēng)罩、防風(fēng)小車、防風(fēng)工棚等）。CO2焊所用的設(shè)備較手工焊復(fù)雜，操作不如手弧焊靈活。單一CO2氣體還不能焊接高合金鋼（主要缺少配套的焊絲）和有色金屬。CO2焊的缺點(diǎn)可以通過提高技術(shù)水平和改進(jìn)焊接設(shè)備加以解決。6、先進(jìn)的CO2/MAG

15、焊工藝設(shè)備6.1 唐山松下引進(jìn)先進(jìn)的專用控制電路和電子元器件，生產(chǎn)的KR2系列晶閘管CO2/MAG焊機(jī)，具有功能多、高穩(wěn)定性、焊接飛濺少，引弧成功率100%等工藝性能；還擁有短路、過熱、防潮、防滴、防塵等高可靠性保護(hù)功能，確保焊機(jī)適合于各種惡劣環(huán)境下工作。1998年湖南、湖北發(fā)生了特大洪災(zāi)。有幾家唐山松下用戶CO2焊機(jī)淹沒在大水中，洪水退后，僅將焊機(jī)做簡單清理和吹干，焊機(jī)仍正常焊接，無任何故障，受到用戶特殊的贊譽(yù)。高可靠性來源于進(jìn)口的高品質(zhì)絕緣材料、高性能電子元件和先進(jìn)的電子控制電路。6.2 唐山松下采用日本松下先進(jìn)的逆變技術(shù)生產(chǎn)的RF2系列IGBT控制逆變CO2/MAG焊機(jī)，選用微電腦數(shù)字化

16、控制電路，從400萬種焊接波形中選取最佳焊接技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)高速、高精度的波形控制。當(dāng)電網(wǎng)電壓及頻率波動(dòng)范圍很大時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，焊接飛濺減少約20%（與其它焊機(jī)相比）。6.3 唐山松下引進(jìn)的脈沖熔化極（MIGP）氣保焊機(jī)：AG1系列焊機(jī)在送絲速度不變（即平均電流值不變）的條件下，焊接電源的輸出電流以一定的頻率和幅值變化來控制熔滴有節(jié)奏地過渡到熔池，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)脈沖過渡一個(gè)熔滴的理想狀態(tài)。熔滴過渡無飛濺，可適用于CO2/MAG/MIG氣體保護(hù)焊?？珊附犹间?、低合金鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金等材料。碳鋼、低合金鋼和不銹鋼焊絲適合于無飛濺全位置焊接。在MAG焊工藝下，平

17、均電流80100A（1.2焊絲），即達(dá)到脈沖射流過渡狀態(tài)。.鋁及鋁合金料倉容器和中厚板鋁母導(dǎo)線等工件的MIG焊接，在脈沖電流熔化極氣保焊工藝時(shí)，焊縫熔深大，成形好，焊接效率是TIG焊的35倍，在乙烯工程鋁鎂合金料倉焊接上得到應(yīng)用，取得了可喜的技術(shù)成果。7、CO2焊操作技術(shù)及工藝應(yīng)用7.1 CO2焊接熔滴是短路過渡，適合于全位置焊接。由于焊工習(xí)慣于焊條電弧焊的操作技術(shù)，將其操作手法照搬到CO2焊接操作手法上，造成全位置焊縫成形不良，凹凸不平、咬邊等焊接缺陷。我們推薦全位置CO2焊應(yīng)采用反月牙形運(yùn)槍法。如圖三所示。反月牙形鋸齒形正月牙形咬邊BIA圖三 三種運(yùn)槍軌跡圖及焊縫成形截面圖示手工電弧焊時(shí)的

18、正月牙形法和鋸齒形法均不可避免地帶來立焊、全位置焊的焊縫凹凸不平、咬邊等工藝缺陷。全國CO2焊工比賽優(yōu)秀選手采用反月牙形法運(yùn)槍操作技術(shù)，立焊及仰焊試板單面焊雙面成形，焊縫外觀成形美觀平整，X光片級無缺陷，獲得超水平的高質(zhì)量焊縫。7.2 化工、石化、石油天然氣管道焊接普遍采用氬-電聯(lián)焊工藝和纖維素立向下焊工藝。唐山松下生產(chǎn)的400AT2系列逆變直流弧焊機(jī)具有兩種機(jī)型，帶簡易TIG焊的直流弧焊機(jī)和帶有纖維素焊條專用輸出端子的多用途直流弧焊機(jī)。其輸出外特性曲線見圖四。由輸出特性曲線可看出，當(dāng)焊條短路粘條時(shí)，其最大輸出電流回推為零，而不是最大短路電流。適合于手工鎢極氬弧焊短路引弧工藝特性，減少了鎢極燒損。短路引?。▌澆烈。r(shí),鎢極引弧電流20A，引弧幾十次，鎢極尖完好無損。西氣東輸工程的管道焊接采用纖維素焊條打底，CO2/MAG自動(dòng)焊填充蓋面或藥芯自保焊絲填充蓋面焊等組合工藝，在高強(qiáng)度鋼管道焊接工藝上有新的突破。8、小結(jié)：CO2焊的高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的綜合優(yōu)點(diǎn)是其它焊接方法所不能比擬的。無論在國內(nèi)還是國外發(fā)展的都十分迅速。在化工、石化、石油天然氣工程建設(shè)中，主要用于焊接低碳鋼、普通低合金鋼和低合金高強(qiáng)度鋼，還可以焊接耐熱鋼和不銹鋼。用氬氣做保護(hù)氣體可焊接鋁、銅、鈦等有色金屬?？珊负穸确秶^寬，可以從0.5mm到150