CO2气体保护焊在压力容器上的应用

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CO2气体保护焊在压力容器上的应用

中原石油勘探局工程建设总公司

  田亿峰、庞海涛、薛银东、陈志强

摘要：本文介绍了采用CO2气体保护焊的实芯焊丝和药芯焊丝在I、II类压力容器的应用情况，综述了CO2气体保护焊在压力容器焊接上所具有的广阔前景。

关键词：压力容器

CO2气体保护焊

实芯焊丝   药芯焊丝

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前言

    我公司金属结构厂是生产压力容器的专业厂家，具有压力容器AR1、AR3级制造许可证。焊接是压力容器制造过程中的重要工序之一，其质量保证能力及生产效率对压力容器产品制造质量及制造成本的影响非常大。CO2气体保护焊具有焊接成本低、焊接效率高、焊接变形小、焊接质量好等优点，在压力容器制造行业具有非常重要的推广价值。我们通过一系列的焊接工艺试验和焊工培训，目前已成功地采用实芯焊丝焊接了一类压力容器的主要受压焊缝，采用药芯焊丝焊接了二类、三类压力容器的主要受压焊缝，特别在厚板的焊接上显示出了独特的优势。

1 焊接设备、焊接材料的选择：

1.1焊机：制约CO2气体保护焊得以普及的一个重要因素是焊接飞溅问题，而解决焊接飞溅的关键措施是选择性能优良的焊机。我们选购了唐山松下的KRII-350、KRII-500、KEMPPI MIG500、LINCON DC400焊接电源和送丝机。这些焊机在使用过程中电弧稳定、飞溅小、成形美观，深受焊工的欢迎。

1.2焊丝：焊接材料的选择直接影响到焊缝的综合力学性能。实芯焊丝具有生产工艺简单、价格低廉等特点，可以应用到各行各业的焊接结构中。选购焊丝时从焊丝刚度、化学成分、焊丝直径公差、焊丝表面镀铜质量等各方面进行了控制。实芯焊丝选择了辽宁锦泰的ER50-6。而药芯焊丝生产工艺复杂、成本高，但焊接工艺性能和综合力学性能良好，并且抗风能力强，适合于野外施工并能用于重要部位的焊接。目前我们选购了天津三英的SQJ50-1、SQJ50-7和美国生产的Dualshield II 71vltre、E71T-1药芯焊丝。

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1.3气体：目前国内生产专用CO2焊接气体的厂家很少。CO2气体的主要来源是收集的工业副产品，这种气体杂质含量高，主要是水分和硫化物使气体纯度达不到要求。在使用过程中我们采用了将气瓶倒置5h、接通减压表上的预热器、气瓶内压力小于0.3MPa时不能使用等措施。

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实芯焊丝CO2气体保护焊的应用

通过分析焊丝的化学成分和熔敷金属的力学性能，我们认为采用实芯

焊丝CO2气体保护焊焊接的焊缝不仅从外观上还是内在质量上都可以满足低、中压压力容器的使用要求，完全可用来焊接要求不太高的结构。焊丝化学成分及力学性能复验结果如下：

焊丝	C	Mn	Si	S	P	σb MPa	σ0.2 MPa	δ5 %	AKV (平均值)J
ER50-6	0.087	1.52	0.083	0.017	0.011	534	430	27	36(-29℃)

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2.1焊接工艺评定：根据JB4708-2000标准我们对不同规格的钢板进行了焊接工艺评定。评定的试板焊缝表面成形好、无内部缺陷，并且力学性能都远远超过标准要求，工艺评定结果如下（以δ=12mm的试板为例）：

材质	规格	焊材牌号、规格	焊接 位置	焊接规范、 气体流量	机械性能
					抗拉 强度	弯曲	冲击
							焊缝区	热影响区
16MnR	δ=12	ER50-6 φ1.2	平焊	I=100-190 U=20-22 10-15L/min	570 580	180° 合格	39、48、36	44、37、36
20R	δ=12	ER50-6 φ1.2	立焊	I=100-140 U=18-20 10-15L/min	470 475	180° 合格	35、40、37	28、30、32

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2.2产品焊接

以一台φ1200×6,设计压力为0.6MPa的空气储罐为例：由于容器壁厚较薄,如果采用埋弧自动焊一是会产生较大的变形量,二是焊接合格率低,为此我们采用了CO2气体保护焊焊接了所有的受压焊缝和非受压焊缝。焊接时采用左向焊法，焊枪角度与轴线成5-10°倾角。焊接参数如下：

焊接层次	母材材质	焊材牌号	焊接电流 A	焊接电压 V	气体流量 L/min
1	Q235-B	ER50-6	95-105	18-19	10
2	Q235-B	ER50-6	130-140	20-21	10

采用上述参数焊接电弧稳定、飞溅少、焊缝成形好。A、B类焊缝经X射线检测焊接一次合格率达98%以上。焊接D类焊缝时显示出很大的优越性，不仅焊接效率大大提高，缩短了辅助时间，降低了工人的劳动强度，焊接质量得到了保障，而且解决了薄板焊接变形的难题。

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2.3焊接时应注意的问题:
1）起弧：焊丝端头与工件留1mm左右间隙。在焊丝端头与焊接处滑擦过程中按下焊枪按钮开始焊接。切忌在焊丝与母材接触时按按钮，这样会造成很大的飞溅，并可能会导致导电嘴堵塞，使焊丝与导电嘴粘结在一起。
2）起弧处如果工件温度低，焊接时熔深较浅，易引起未焊透。所以起弧时最好加引弧板。
3）收弧：收弧时避免出现弧坑而引起焊接热裂纹和缩孔。为此在熔池未完全凝固时反复断弧几次填满弧坑或使用熄弧板。
2.4效果比较:
采用实芯焊丝CO2气体保护焊与采用传统的焊接方法相比，总体工期缩短了1/3，焊接成本降低了近1/2。通过实践表明，这种方法是产品制造过程中降低成本、提高工效最有效的方法。
3 药芯焊丝CO2气体保护焊的应用
3.1药芯焊丝采用了气-渣联合保护型式，它集中了实芯焊丝CO2气保焊和焊条手弧焊的优点。在焊接过程中不仅熔敷效率高、抗风能力强、电弧稳定、飞溅小，而且焊缝成形美观、综合力学性能好。我们购买了天津三英的SQJ50-1、SQJ50-7和美国的E71-T药芯焊丝进行了焊接性能试验和焊接工艺评定，这些焊丝具有电弧稳定、焊缝成形好、焊接性能好等优点。其化学成分和机械性能如下：

焊丝	C	Si	Mn	S	P	σb (MPa)	σs (MPa)	δ5 (%)	AKV(平均值) (J)
SQJ50-1	0.037	0.39	1.19	0.009	0.016	551	484	29.4	143(-20℃)
SQJ50-7	0.047	0.59	1.58	0.009	0.015	592	503	28	165(0℃)
E71T-1	0.05	0.65	1.19	0.013	0.017	535	427	25	89(-29℃)

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在焊丝能满足要求的前提下，采用半自动（δ=12mm的试板）和全自动CO2气保护焊（δ=48mm的试板）进行了焊接工艺评定，其结果如下：

材质	规格	焊材牌号、规格	焊接位置	焊接规范、气体流量	机械性能
					抗拉强度	弯曲	冲击
							焊缝区	热影响区
16MnR	δ=12	SQJ50-1φ1.2	平焊	I=180-220U=24-26 10-15L/min	585585	180°合格	116、83、105	86、80、90
16MnR	δ=12	SQJ50-7φ1.2	平焊	I=180-210U=22-2410-15L/min	580585	180°合格	123、130、128	100、98、93
16MnR	δ=48	E71T-1φ1.6	平焊	I=180-210U=24-2618-25L/min	535540	180°合格	（-30℃）88、89、87	（-30℃）70、75、76

由上表可以看出，药芯焊丝CO2气保护焊的各项机械性能均优于实芯CO2气保护焊,完全可用于重要部位(如二类、三类压力容器和疲劳容器)的焊接。并且这种方法对焊接环境要求较低,可用于野外施工。

3.2 φ800×48重力式分离器的焊接

此设备材质为16MnR,设计压力为10.8MPa,属三类压力容器。焊接A、B类焊缝时，由于受设备条件所限，无法采用埋弧自动焊。如按常规只能采用焊条电弧焊进行焊接。由于板厚较大，焊接时受人为影响因素很大，对焊接技能要求较高，劳动强度大，焊接一次合格率低，并且焊接效率很低。为了保证产品质量并按期交工，我们采用了球罐自动焊接设备（LINCON DC400电源、带模块式驱动系统的送丝机和柔性轨道）并稍加以改装实现了A、B类焊缝的全自动焊接。焊接时通过对模块式驱动系统中摆动器控制模块上的各项参数进行调节，使焊接电流、焊接速度、保护气体流量、焊丝干伸长度、焊丝倾斜角度达到最佳匹配得到成形良好的焊缝。并对焊丝摆动速度与幅度、焊丝在母材两侧的停留时间、焊接行走速度、电弧电压、焊枪角度等参数进行了调节。焊接纵缝时采用了刚性轨道，并保证焊丝始终对准焊道中心。焊接环缝时把送丝机放置在焊接操作架上通过调节焊接转胎的转动速度与焊接速度找出最佳匹配，最后得到了成形良好的焊缝，并且焊接一次合格率达到了98%以上。

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焊接参数如下：

焊接位置	坡口型式	焊材牌号、 规格	焊接电流 I	电弧电压 V	焊接速度 mm/min	气体流量 L/min
平焊	X	E71T-1 φ1.6	180-210	24-26	18-25	15-25

在焊接C、D类焊缝时，采用了药芯焊丝半自动CO2气体保护焊，焊丝采用了天津三英的SQJ50-1，在焊接过程中发现局部焊缝表面有条状压坑现象。经分析认为这种压坑是氢气孔的可能性很大，主要是由于溶渣凝固速率大，气体来不及逸出而产生的。为此我们采取了以下措施：

1）焊前对焊丝外表面去油污清理母材，对保护气体采取倒置、预热等措施。焊丝在打开包装后尽快用完，避免受潮。

2）焊接时应调节好各项参数，避免出现各种外观缺陷。

3）焊接时采用右焊法，不宜采用左焊法。

4）焊枪和轴线保持15°倾角，有利于电弧对熔渣熔池的搅拌，使杂质和气体尽可能多的逸出。

5）引弧、收弧处保持一定的干伸长并停留一段时间，防止形成气孔及其它焊接缺陷。

采取上述措施再进行施焊，焊缝表面的条状压坑缺陷得到了克服。通过比较发现：采用药芯焊丝与采用焊条电弧焊相比劳动效率提高了近三倍，并且焊接质量稳定，易操作。

4 结论

1）在焊机性能良好、焊丝质量能保证、焊接参数匹配合理和合适的操作手法的前提下，完全可避免出现各种焊接缺陷。

2）通过焊接试验和产品焊接情况表明，采用CO2气体保护焊不仅保证了产品质量、提高了劳动效率，并且降低了制造成本，在压力容器制造行业是值得大力推广的焊接方法。

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