CO2气体保护焊在超高结构现场焊接中的应用

赵 林

0 引言

法门寺合十舍利塔钢骨结构，高147 m，用钢量1.6万t，本工程焊缝设计等级为一级，检验等级为B级，评定等级为Ⅰ级，焊接量很大，作业时间非常短，焊条电弧焊焊接无法满足工期要求，必须广泛应用CO2气体保护焊，现就焊条电弧焊和CO2气体保护焊野外超高结构焊接的优越性进行比较。

随着CO2气体保护焊在其他行业的广泛应用和推广，大部分CO2气体保护焊机的焊接电缆长度可达50 m以上，完全能够满足钢结构安装焊接的施工需要。鉴于CO2气体保护焊具有效率高、成本低、节能、焊缝成型美观、环境污染小、利于文明施工等优点，本公司在法门寺合十舍利塔野外超高钢骨结构施工中大量推广使用CO2气体保护焊。

1 CO2气体保护焊与焊条电弧焊的焊接对比试验

1.1 试验方案

为比较CO2气体保护焊与焊条电弧焊的优劣性，进行焊接对比试验。试验方法及目的:同用横焊参数焊接25 mm×600 mm试件的焊缝看需要的焊材、用时、用量及焊缝质量等，推算出成本进行比较，用数据来取得结论。

1.2 对比试验方案

对比试验方案是在施焊部件、焊接位置、焊缝长度等均一致的条件下同时进行的，并对试验过程进行全程记录。

试验有关参数、材料消耗量、焊接用时等，具体参数如表1，表2所示。

表1 CO2气体保护焊与焊条电弧焊的焊接对比试验方案

表2 CO2气体保护焊与焊条电弧焊的焊接对比试验过程记录

1.3 焊接试验结果分析

1.3.1 工作效率比较

根据对比试验方案记录数据可知:焊条电弧焊焊接用时是CO2气体保护焊焊接用时的2.7倍，即在理想的条件下，CO2气体保护焊工作效率是焊条电弧焊的2.7倍。

1.3.2 对比试验成本分析

1)人工费:设焊工实际工作时间为6 h/(d◦人)，CO2焊工、焊条电弧焊焊工均按120元/(d◦人)计算。

2)焊材费:CO2气体 6 000 L/瓶，45元/瓶。φ 1.2 mm CO2焊丝6.6 元/kg;φ 3.2 mm E5016 焊条 5.5 元/kg，φ 3.2 mm 焊条30支/kg。完成1支焊条的焊接时间为1.2 min(以上价格是试验时地方价格)。

3)电费及台班费:ZX7-400焊机 12元/(台◦班)，NBC-500 CO2焊机20元/(台◦班)。ZX7-400焊机和NBC-500 CO2焊机的一、二次电流转换效率均按n=0.85。电费:0.88元/(kW◦h)(试验地电价)。

CO2气体保护焊情况:

每天的工作量=6×60×(10.2/90)=40.8 m/d;

每天的焊丝用量=(3.5/10.2)×40.8=14 kg/d;

每天的气体用量=20×360/6 000=1.2瓶/d;

每天的用电量=(UI/n)×6=(20.2×158/0.85)×6=22.5 kW◦h/d;

CO2气体保护焊每天的成本=人工费+焊材费+焊机台班费+电费=120+(14×6.6+1.2×45)+20+(22.5×0.88)=306.2元/d。

每天焊条电弧焊成本情况(按日完成40.8 m长焊缝计算):

根据试验记录数据，以焊条电弧焊方法操作，1个人一天无法完成40.8 m的工作量，故1个人日实际工作量=(10.2/240)×6×60=15.3 m/d，则按日完成40.8 m长焊缝需焊条电弧焊焊工人数=40.8/15.3=2.7人/d。

每天的焊材用量=40.8×(4.2/10.2)=16.8 kg;

每天的用电量=(UI/n)×10.08=(25×120/0.85)×10.08=35.58 kW◦h;

焊条电弧焊每天的成本=人工费+焊材费+焊机台班费+电费=(120×2.7)+(16.8×5.5)+(2.7×12)+(35.58×0.88)=480.11元/d。

使用CO2气体保护焊和使用焊条电弧焊成本比较:

根据以上计算结果，使用CO2气体保护焊工艺每天可节约费用480.11-306.2=173.91元，则每使用1 kg CO2焊丝节约成本:173.91元/14 kg=12.42元/kg。

总体来说，使用CO2气体保护焊较使用焊条电弧焊节约成本是显而易见的。

1.4 焊接和焊缝外观质量对比

由比较可知，CO2气体保护焊成型美观，由于其没有焊渣，焊接现场更加干净整洁，且无药皮燃烧烟尘，有利于安全文明生产。

2 CO2气体保护焊与焊条电弧焊工艺试验情况

针对CO2气体保护焊与焊条电弧焊，进行了试件的工艺试验。试验基本参数:母材为Q345GJC，焊接位置为横焊。CO2气体保护焊焊丝为φ 1.2 mm ER50-6，焊条电弧焊焊条为φ 3.2 E5016，并根据说明烘干保温使用。工艺试验结果对比见表3。

由表3可以看出，严格按焊接工艺要求进行焊接，CO2气体保护焊与焊条电弧焊在焊件外观、内部质量、力学性能等方面均无大的区别，可见在某些情况下使用CO2气体保护焊不仅高效而且优质。

表3 同等条件下CO2气体保护焊与焊条电弧焊焊接工艺试验结果对比

3 CO2气体保护焊与焊条电弧焊在法门寺合十舍利塔钢骨结构施工焊接中的对比

1)速度快、效率高:CO2气体保护焊的焊速相当于焊条电弧焊的2.7倍，且焊接过程中省去了更换焊条和焊渣清理时间，焊接过程辅助时间比焊条电弧焊少。

2)焊缝成型美观:CO2气体保护焊为明弧操作，熔池的可见度好，所以焊缝成型美观。特别对较大的缝隙和不规则的间隙，通过调整焊枪的摆幅、焊速，得到成型良好的焊缝。

3)焊接变形小:CO2焊时，电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接热影响区窄，焊接变形小。

4)焊接现场整洁:CO2气体保护焊没有焊渣，无药皮燃烧烟尘，焊接现场相对整洁，有利于安全文明施工。

5)熔敷效率高:1 kg焊条(φ 3.2 mm)剩余0.16 kg焊条头，熔敷效率为84%。而20 kg CO2焊丝剩余的焊丝头少于0.2 kg，熔敷效率为99%。即等量的熔敷金属的焊材使用量，20 kg CO2焊丝相当于23.8 kg焊条。

4 CO2气体保护焊在法门寺合十舍利塔钢骨结构现场焊接施工中的局限性及应对措施

1)焊接位置的局限性:对于仰焊位置，CO2气体保护焊的焊接有一定的难度，因此CO2焊主要用于平焊、立焊、横焊位置的焊接，难度位置仍采用焊条电弧焊。

2)焊前准备工作要求高:CO2焊焊前准备与焊条电弧焊相比，从整个焊接过程的工作量来看，CO2焊焊前清理工作量较小。

3)焊接飞溅大:主要是由于CO2气体分解后具有强烈的氧化性，使碳氧化合生成CO，其受热急剧膨胀，造成熔滴爆破，产生大量细粒飞溅。减小飞溅的方法可采用脱氧元素多、碳含量低的脱氧焊丝，以减少CO的生成，采用反极性也可以减小飞溅。由于飞溅很容易造成导流嘴堵塞，可采用防飞溅剂，现场主要使用喷雾类及固体膏类，经试用对比，防飞溅膏成本低，使用方便，效果也比较理想。

4)焊机的机动性较差:焊机移动不灵活是CO2焊推广应用的障碍，但对于法门寺合十舍利塔钢骨结构工程来说，焊机不需要频繁移动，焊接完一层就把焊机平台整体吊到上一层，再适当加长控制线缆，即可便于用CO2气体保护焊。

5)高空焊接防风措施:焊接规定，当风速不小于2 m/s时CO2气体保护焊必须采取挡风围护，当风速不小于5 m/s时手工电弧焊必须采取挡风措施。由于高空焊接时四周的防护网已经打设完毕，就像在筒内焊接一样，经测风仪测试风速均小于2 m/s。使用CO2气体保护焊和使用手工电弧焊无影响。

5 结语

目前采用CO2气体保护焊在野外超高结构施工中虽不可能完全替代焊条电弧焊，但是很多构件的焊接是可以采用CO2焊。在法门寺合十舍利塔钢骨结构施工中80%采用CO2气体保护焊，1.6万t的钢结构焊接节约成本50万元以上。既保证了工期，也降低了消耗，节约了生产成本。可见CO2气体保护焊在野外超高结构现场安装的焊接中值得广泛推广应用。

[1] JGJ 81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S].

[2] 霍恭明.CO2焊产生飞溅的原因及控制措施[J].山西建筑，2008，34(1):145-146.

[3] GB 50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].