中国能源建设集团广西水电工程局有限公司530003
摘要:埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法,埋弧焊焊接电流大,电弧压力大,电弧穿透能力强,从而能排除未焊透和气孔缺陷。以往14mm以上的板厚焊接时,都采用开坡口、打底、翻面清根的方式,以保证焊缝质量。经试验,现以达到14mm、16mmQ345钢板不开坡口、不打底、不清根、双面焊一次成形,并投入应用。此技术可以达到保证施工质量、降低施工成本、提高施工效率、减轻工人劳动强度的良好效果。
关键词:埋弧自动焊;不开坡口免清根;提高效率;节约成本
1概况
我单位承建的重点项目为某一航运枢纽工程的钢闸门。其中门叶面板为14mm,I型主梁的腹板为16mm,主梁焊缝累计达2384米、面板焊缝435米,吨位达731.5吨(146.3吨/扇)。因多方面原因,开工时间比合同约定时间推迟了4个月,但交货时间不变,为了按期交货,唯有改进传统施工工艺,缩短施工周期。传统工艺:14mm以上的板厚焊接时,均采用开坡口、打底、翻面清根的焊接工艺来保证焊缝质量。经过实验,现已达到14mm、16mmQ345钢板不开坡口、不打底、不清根、双面焊一次成形,并投入应用,焊缝表面成型良好,表面光亮均匀,无表面气孔、咬边等缺陷,焊缝尺寸能满足工艺、规范要求;超声波探伤合格率达99%。时间成本、耗材、人工成本、经济效益上都有很大提高。
2埋弧焊特点及一般焊接工艺
2.1埋弧焊的特点
埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧焊焊接电流大,电弧压力大,电弧穿透能力强,一般不开坡口单面一次熔深可达20mm,从而能排除未焊透和气孔缺陷。采用埋弧焊后,焊缝表面成型良好,表面光亮均匀,无表面气孔、咬边等缺陷,焊缝尺寸能满足工艺、规范要求;射线检测:焊缝洁净,黑度均匀,无论是从外观上还是内在质量上都较手工焊有很大提高。埋弧焊是一种优质、高效、劳动条件好、焊后处理简单的焊接方法,可节约施工成本和焊接人力资源,加快施工进度。埋弧焊有以下七个优点:
2.1.1所用的焊接电流大,相应输入功率较大。加上焊剂和熔渣的隔热作用,电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度有较大提高,焊接速度与生产效率也大大提高。
2.1.2焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触,而且使熔池金属较慢凝固。液体金属与熔化的焊剂间有较多时间进行冶金反应,减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。焊剂还可以向焊缝金属补充一些合金元素,提高焊缝金属的力学性能。
2.1.3在有风的环境中焊接时,埋弧焊的保护效果比其他电弧焊方法好。
2.1.4自动焊接时,焊接参数可通过自动调节保持稳定。与手工电弧焊相比,焊接质量对焊工技艺水平的依赖程度可大大降低。
2.1.5劳动条件好。由于焊接过程的机械化和自动化,焊工劳动强度大大降低,没有焊接弧光对焊工的有害作用;焊接时放出的烟尘和有害气体少,改善了焊工的劳动条件。
2.1.6可供选用的焊丝和焊剂的品种较多,且焊缝金属的性能容易通过焊剂和焊丝的选配调整,焊缝表面光洁,焊后无需修磨焊缝表面,达到较好的焊缝质量。
2.1.7可节省焊接材料和能源。较厚的焊件不开坡口也能焊透,从而焊缝中所需的焊接材料——焊丝量显著减少,省去了开坡口所需要的时间和能源;熔渣的保护作用避免了金属元素的烧损和飞溅损失;不像焊条电弧焊那样有焊条头的损失。
2.2埋弧焊的工艺参数
埋弧自动焊的工艺参数,主要是指焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径、焊丝伸出长度等。这些参数影响着焊缝的形状系数和熔合比,从而决定了焊缝的质量。
2.2.1焊接电流
在正常焊接条件下,焊缝熔深与焊接电流成正比。随着焊接电流的增加,熔深和焊缝余高都有显著增加,而焊缝的宽度变化不大,同时,焊丝的熔化量也相应增加,这就使焊缝的余高增加,易产生高温裂纹。电流小,熔深浅,余高和宽度不足。
2.2.2电弧电压
电弧电压电弧电压和电弧长度成正比,电弧电压的增加,焊接宽度明显增加,而熔深和焊缝余高则有所下降。
电流过大,熔深(H)和余高(h)过大,焊缝形状系数下降,易产生热裂纹,焊接过程中甚至引起烧穿;电流过小,易产生未焊透夹渣等缺陷。
电弧电压过大,熔宽(B)显著增大,但是熔深(H)和余高(h)会减小,由于电弧过长,电弧燃烧就不稳定,易造成焊缝气孔和咬边缺陷,同时焊剂熔化量也增加,造成浪费;电弧电压过小,熔深(H)和余高(h)就加大,形状系数下降。
2.2.3焊接速度
焊接速度与熔深和熔宽成反比,当其他焊接参数不变而焊接速度增加时,焊接热输入量相应减小,从而使焊缝的熔深也减小。
焊接速度过大,熔宽(B)显著减小,会产生余高(h)小、咬边、气孔等缺陷;焊接速度过慢,熔池满溢,会产生余高(h)过大、成形粗糙、未熔合、夹渣等缺陷。
焊接速度较大时,熔深(H)随焊接速度的增加而减小;而当焊接速度较小时,随着焊接速度的增加,熔深(H)反而增加。
为保证焊接质量必须保证一定的焊接热输入量,即为了提高生产率需在增加焊接速度的同时加大电弧功率。
2.2.4焊丝直径和伸出长度
当其他焊接参数不变而焊丝直径增加时,焊丝直径与熔深成反比,弧柱直径随之增加,即电流密度减小,会造成焊缝宽度增加,熔深减小。反之,则熔深增加及焊缝宽度减小。当其他焊接参数不变而焊丝长度增加时,电阻也随之增大,伸出部分焊丝所受到的预热作用增加,焊丝熔化速度加快,结果使熔深变浅,焊缝余高增加,因此须控制焊丝伸出长度,不宜过长。埋弧自动焊时,焊丝的伸出长度一般为20~40mm。同时在焊接过程中还应控制焊丝伸出长度的波动范围一般不超过10mm左右。
314mm对接平焊、16mmT型接头角焊的焊接工艺改进前、后对比
本焊接工艺的改进以唐山开元埋弧自动焊机(MZC/1250H)和唐山松下CO2气体保护焊机(YD-500FR1)为焊接电源进行。
3.1改进前14mm对接平焊、16mmT型接头角焊的焊接工艺
对于14mm对接平焊、16mmT型接头角焊的焊接,传统工艺的工序流程:开坡口→钝边→焊件清理→定位焊→CO2气体保护焊打底→填充焊→盖面→翻身电弧刨清根→填充焊→盖面。
3.1.1焊接前的准备
(1)开坡口:采用半自动气割机开坡口。
(2)焊件的清理:焊接前采用的是砂轮机打磨。将坡口及焊接部位表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等清除干净。
(3)定位焊:采用CO2气体保护焊。定位所用焊接材料与正式施焊所用材料的材质相匹配。点焊高度不宜超过设计焊缝厚度的1/3,点焊长度宜大于40mm,间距宜为300-400mm,如发现点焊上有气孔或裂纹,必须清除干净后重焊。
3.1.2焊接工艺参数
(见表3、表4)
3.1.3打底层焊接
正确选择焊接方向、把握好焊枪的摆动幅度,控制好电弧的稳定燃烧及坡口两侧的停留时间。
3.1.4填充焊
施焊前应将打底层焊道清理干净,将焊道上局部凸出处打磨平整,且焊接时做到不烧化坡口棱边等。
3.1.5盖面焊
控制好焊枪角度,保持喷嘴高度,焊接熔池边缘应超过坡口棱边0.5~1.5mm。焊枪横向摆动幅度应比填充焊时稍大,尽量保持焊接速度均匀。
3.1.6翻身清根
当焊缝要求为一类焊缝或重要焊缝时,为保证焊缝根部能够熔透,采用碳弧气刨。
3.2改进后14mm对接平焊、16mmT型接头角焊的焊接工艺
工艺改进后,对于14mm对接平焊、16mmT型接头角焊的焊接,采取的工序流程:焊件清理→定位焊→盖面→翻身盖面焊。
新工艺省略了开坡口、钝边和翻身电弧刨清根三个步骤,从而节约了这三道工序的时间、氧气、丙烷、打底消耗的焊材和电等成本。新焊接工艺的形成需通过使用唐山开元(MZC/1250H)、唐山松下(YD-500FR1)焊接设备进行大量实验,并不断调整焊接工艺参数。
3.2.1焊接前的准备
(1)下料、坡口:钢板下料后清理飞溅、熔渣,不开坡口。
(2)定位焊:用CO2保护焊,定位焊焊缝长度为40mm-50mm,焊脚高度≤6mm,间距为300mm-400mm。但是,首段定位焊应离开端部30mm。
(3)引熄弧板:在装配好构件两端应加装同材质、同厚度的引、熄弧板。引熄弧板长度应≥120mm,宽度应≥80mm,焊缝引出长度应≥60mm。
(4)焊前清理焊道及周围的锈迹、水分、杂物等,对有缺陷的定位焊进行打磨处理。
3.2.2焊接工艺参数
(见表5、表6)
3.2.3结果对比
3.2.3.1焊接工序时间对比
3.2.3.2材料消耗对比
3.3焊接接头检验
3.3.1无损探伤检验
3.3.1.1X射线检验
按标准中检测工艺,对新工艺试板进行X射线检验,总计拍片3张,其中一次返修0张、二次返修0张、三次返修0张,扩透0张,评定结果:Ⅰ级片2张、Ⅱ级片1张,Ⅲ级片0张、Ⅳ级片0张,被检焊缝质量达到GB/T3323-2005标准Ⅱ级质量要求。
3.3.1.2渗透探伤
按标准中检测工艺,对新工艺试板进行渗透探伤检验,共检验焊缝3条,未发现超标缺陷。评定结果:被检焊缝质量达到JB/T4730.5-2005标准Ⅰ级焊缝表面质量要求。
3.3.1.3超声波探伤
按标准中检测工艺,对新工艺试板进行超声波探伤检验,共检验焊缝3条,未发现超标缺陷。评定结果:被检焊缝质量达到GB11345-2013标准Ⅰ级焊缝质量要求。
3.3.2力学性能检验
按标准中检测工艺,对新工艺试板进行拉伸、弯曲、冲击力学性能试验。
3.3.2.1拉伸试验共检验试样2件,试验抗拉强度Rm(MPa)=481、484﹥470(标准值)。
3.3.2.2弯曲试验共检验试样4件,在21℃试验温度下,分别进行弯曲角度180度面弯和背弯,冷弯后,试样的拉伸面上和热影响区内任何方向上均无大于3mm长的开裂缺陷。
3.3.2.3冲击试验共检验试样10件,在0℃试验温度下,分别在焊缝区和热影响区进行冲击试验,焊缝区冲击吸收功Akv(J)=86、80、92、98、106﹥34(标准值),热影响区冲击吸收功Akv(J)=80、60、85、96、112﹥34(标准值)。
评定结果:被检焊缝拉伸、弯曲、冲击力学性能符合DL/T868-2014标准质量要求。
3.3.3金相检验
按标准中检测工艺,对新工艺试板进行金相试验,共检验试样5件,被检焊缝根部全部焊透、无咬边、焊缝金属和热影响区表面5倍放大镜观察未发现裂纹、未熔合、气孔、夹渣,角焊缝两焊角之差不大于3mm。被检焊缝质量符合DL/T868-2014标准中宏观金相试验规定。
4结束语
采用新工艺,使焊接效率有了显著的提高,简化了施工工序、提高生产效率,节约成本。与传统的工艺相比,工序节约时间为20%左右,耗材节约为22%,无损探伤合格率高,综合造价低,确实做到改进工艺,并投入应用。
参考文献:
[1]姜焕中.电弧焊及电渣焊,第2版.机械工业出版社,1992
[2]吴敢生.埋弧焊/实用焊接技术,第1版.辽宁科学技术出版社,2007
[3]焊接工艺评定规程DL/T868-2014,国家能源局