大型钢制筒体自动焊技术应用

付吉哲

上海核工程研究设计院有限公司 上海 200233

引言

某项目中大型钢制筒体材料为低合金高强度SA-738 Gr.B调质钢板，壁厚为43～55mm。筒体焊缝总长约1867m，均是双面坡口熔透焊缝，由于焊缝数量多，焊接量大， 因此在筒体拼装焊接工作中，除使用焊条电弧焊（SMAW）外，部分焊缝使用了MAG自动焊（自动焊纵缝及环缝坡口为双面对称全熔透坡口），以减少对于高技能焊工的需求量，在保证质量的前提下提高焊接效率，加快现场的建造速度，缩短建造周期，保证整个建造周期的进度，同时降低人为因素的影响，从而提高了焊接工程的质量。在施工过程中，可根据现场实际情况选择适应的焊接方法进行焊接。

1 筒体自动焊工艺方法

自动焊焊接工艺采用熔化极气体保护焊，焊丝为ER90S-G，焊接保护气体为80%Ar+20%CO2，焊工通过遥控器的操作完成焊接过程，焊工可操作控制焊接参数包括（电流、电压、行走速度等），能够减轻现场焊工劳动强度，确保焊接性能稳定[1]。

ER90S-G药芯焊丝是一种高效、节能、工艺性能优良的焊接材料，综合了焊条电弧焊和普通熔化极气体保护焊所具备的优点，具备焊条连续焊接的能力。焊丝熔敷速度快，效率高，生产效率较焊条电弧焊提高了3～5倍。综合药芯焊丝气体保护焊的优点，在筒体拼装过程中，主要拼装焊缝均是长直焊缝，采用药芯焊丝气体保护焊可以显著提高焊接效率。

2 筒体自动焊工艺过程关键控制点

2.1 组对调整及定位焊

焊缝组对调整采用组对器或其他调整工装进行调整固定，使其达到下述要求：组对间隙为0～10mm，对于间隙在5～10mm时，焊接时应使用陶瓷衬垫。筒体组对过程中使用工装卡具进行调整固定。

焊接坡口组对错边量、焊接坡口尺寸公差应符合设计要求和焊接工艺规程要求，定位焊完成以后复查检查定位的尺寸是否改变。在纵缝、环缝允许的错边量范围内应修整成平滑过渡。

定位焊时严格按照正式焊缝焊接工艺规程要求执行，预热温度和道间温度要求与正式焊缝相同，焊工不能超资格施焊。定位焊时用手工电弧焊在焊缝清根一侧进行定位焊接，筒体纵缝与环缝的定位焊时用手工电弧焊在筒体内侧进行定位焊接。纵缝定位焊缝长度为80～100mm左右，间隔200～300mm；环缝定位焊缝的长度为100～200mm左右，间隔200～400mm。施工时，可根据实际情况调整定位焊缝长度及间隔距离。

2.2 预热

筒体焊缝定位焊及正式焊接时需采用电加热的方法或其他符合要求的加热方式进行预热，预热温度和道间温度严格遵守焊接工艺规程的要求。考虑筒体板材较厚，且现场施工环境复杂，使用火焰加热易造成焊缝周围受热不均匀，且大风及较低温环境下热量散失快，导致焊缝部分位置无法达到预热温度，而电加热受热均匀且可以维持一定温度，因此应尽量采用电加热片进行加热并保持一定的时间，使焊缝周围均匀受热。

2.3 自动焊焊接顺序

纵缝焊接焊缝的焊接方向是从下向上，每条纵缝焊接顺序见图1，现场焊接过程中，焊接工程师可根据焊缝的变形随时调整焊缝内外侧焊接顺序或调整工位焊接顺序。焊缝打底层及部分填充层焊缝焊接时焊接工位顺序为：1、2、3；其他填充焊缝及盖面层焊接工位顺序3、2、1，具体焊接顺序根据焊缝变形情况进行调整。

图1 纵缝焊自动焊接顺序示意图

环缝同侧焊接采用分段同向焊的方法，环缝组对调整符合要求后，同时均匀布置多台焊机同时施焊。焊缝共分6段，正式焊接时，如有必要，可先对环缝T型接头处焊接3～4层，以防止T型接头处应力过大造成焊缝开裂等缺陷。焊接注意事项：

2.3.1 纵焊缝先行焊接外侧打底层和部分填充层。

2.3.2 完成打底层和部分填充层焊接之后，背面碳弧气刨后再进行打磨清根或直接进行打磨清根（清根打磨时应打磨圆滑以便于下一层焊道焊接），清根打磨后进行PT检测。

2.3.3 出现部分焊层或局部位置不宜使用自动焊工艺焊接时（如清根后局部位置过深，坡口过窄等情况），可采用手工电弧焊进行焊接补偿。

2.3.4 焊接过程中应检查焊接变形，可采用全站仪或自制样板进行过程监测，待焊缝焊接完成后在采取全站仪测量焊缝两侧各30mm左右半径。在焊接过程中，焊接工程师根据焊接变形，可以适当调整内外侧的焊接顺序。

2.3.5 风速应不大于2m/s，当超过此值时，应采取防风措施。

3 影响药芯焊丝气保焊焊缝成形质量原因

3.1 模拟工艺参数对焊缝成形的影响

3.1.1 焊接电流。焊接电流大小的选择是保证焊接质量的关键，焊接电流过大容易造成咬边、焊瘤、烧穿等缺陷。焊接电流过小会使焊缝熔深减小，容易造成未焊透、夹渣、缩孔、未熔合等缺陷。在模拟试验中，采用相同焊接电压及速度等工艺参数，分别采用160A和190A的电流，在横焊填充焊道进行焊接。随着电流的减小，焊缝的宽度也逐渐减小；当焊接电流为190A时焊缝宽度与厚度比合理，表面比较光滑，焊缝呈光亮金属光泽；而当焊接电流为160A时，焊缝表面凹凸不平，无光泽且呈黑色。当焊接电流小时，由于焊接电弧产生热减少，造成了对药芯焊丝的加热不足，使药芯焊丝的合金粉末不能充分地进行冶金反应，导致了形成的焊缝形状；而在190A的焊接电流下，熔池的温度较高，脱渣充分，在熔池凝固前，焊渣完全浮在熔池上面，焊缝呈光亮金属光泽[2]。

3.1.2 焊接速度。在焊速较高时会出现较大的飞溅，产生的烟尘也增多，焊速过快易导致熔渣包敷不均匀，出现咬边，使焊缝的形状变坏；焊速较低，熔深增加，焊道变宽，易导致熔化的合金成分与母材熔合不良等缺陷，甚至出现液态金属导前，造成焊瘤。焊接速度的影响类似于焊接电流的影响，当焊接速度达到一个最优值时，电弧的穿透力最大，超过这个临界值时穿透力则减弱。当采用较快的焊接速度时，电弧产生的热输入没有足够的时间来充分的熔化母材，导致未焊透或未熔合缺陷。根据线能量公式，在焊接电流一定，弧压稳定的情况下，线能量的大小由焊接速度来决定的，采用较慢的焊接速度时，大量熔敷金属在同一个位置熔敷，熔化的焊缝金属流淌在电弧之前，流淌在母材上，近一步阻止电弧穿透。在焊接电流、电压不变的情况下，改变焊接速度，观察速度对焊缝成形的影响。焊接速度分别采用25cm/min和40cm/min，焊接速度的提高在焊速较高时会出现较大的飞溅，产生的烟尘也增多，焊速过快易导致熔渣包敷不均匀，出现咬边，使焊缝的形状变坏；焊速较低，熔深增加，焊道变宽，易导致熔化的合金成分与母材熔合不良等缺陷，甚至出现液态金属导前，造成焊瘤。

3.1.3 焊接电压。电弧电压（弧压）是指工件和焊丝端部之间的电压，即电弧长度，是配合焊接电流决定电弧长度的因子，对电弧的稳定性、飞溅的产生、焊缝的形状、熔深的状态、焊接气孔等影响很大。弧压常常用来控制焊缝的成型，当弧压增加，焊缝的高度减小，焊缝的宽度增加，熔合效果较好。焊接时应注意，随着焊接电流增大和焊丝的熔化，焊接电压也应该增加一些以保持电弧的稳定，减少飞溅；同样在电弧弧压增加的同时也要增加电流。

焊接过程中改变电弧电压，其电压值分别为22V和24V，当电弧电压增大时，焊缝宽度变宽，同时与母材融合部位易出现未融合等缺陷，在横焊位置还体现为熔敷金属整体往下垂趋势，当电弧电压变小时熔敷金属无法正常铺开，焊道变窄，焊道两侧根部成形不良，未能与母材或上一层焊道完全融合。电弧长度过长易造成电弧不稳定从而影响焊缝质量，降低电弧推力并导致未焊透缺陷的产生。如果电弧长度过短，就会使焊丝容易粘堵导电嘴，甚至造成导电嘴烧损。

3.1.4 保护气体流量。流量过小，保护效果变差，焊缝易出现凹坑和气孔。流量过大会产生紊流，从而破坏气保护。气体流量的设定，取决于保护气体的种类、气嘴直径和焊接电流等因素。焊接电流、电压不变的情况下，将保护气体流量由20L/min调为10L/min，随着气体流量的减小，保护效果减弱整条焊缝呈现出密集型气孔。

3.1.5 焊接层数及焊道排布。药芯焊丝气体保护焊焊接层数的选择对焊缝质量也有一定的影响，每层厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利的影响，而且焊接过程中熔渣容易倒流产生夹渣和未熔合等缺陷。每层厚度也不易过小，以免造成焊缝两侧熔合不良。

焊道排布对于焊缝成形以及层间融合有很大的影响，横焊位置时，每一层最后一道焊道焊接前有8～10mm的间隙，在焊接时需要优化焊道布置。

3.2 操作水平对焊缝成形影响

自动焊的使用减少了对于焊接人员的依赖，通过自动化的控制及焊接，能够避免手工焊接中人员技能、身体/心理状态等人为因素的影响，但是自动焊的使用仍依赖于操作员，焊机操作员对于焊接参数的选择控制、焊接操作技巧，焊接过程中的质量意识等都会对焊缝的最终成型质量造成影响[3]。

在焊接操作的过程中，如焊工的操作技术水平低，则有可能导致打底层的焊接方法、起头方法、接头方法、收尾方法等操作方法使用不当，以及焊接工艺参数的选择不合理，从而影响焊接的质量。同时焊前对工件上的油污、锈、水分清理不干净，会导致焊缝产生大量的气孔，从而使焊缝质量达不到要求。

4 结束语

在筒体拼装焊接工作中使用MAG自动焊及药芯焊丝，具有焊接质量好，焊接速度快，熔敷效率高，操作简单的特点，在结构模块后续施工过程中，可以有效地提高生产效率，节约成本，同时减少人为因素造成的焊接质量。在碳钢板材焊接过程中，调整合适的参数，保证焊丝融化速度和送丝速度的一致性，可以减少焊接过程中产生焊瘤等缺陷。

通过相应的自动焊技术研究及应用，可以减少对于高技能焊工的需求量，在保证质量的前提下提高焊接效率，加快现场的建造速度，缩短建造周期，从而保证建造周期的进度。