CO2氣體保護焊在設備制造焊接中的應用

王玉亮

【摘 要】近年來，隨著石化裝置規模的不斷擴大，需要現場制作的大型設備也顯著增多，焊接工作在工程成本、進度及質量方面的影響程度也在不斷加深，因此選擇更加經濟、快速的焊接方法既是滿足工程管理的需要，也是技術進步的趨勢。CO2氣體保護焊具有高效、節能的的特點，且焊接速度和效率都比手工電弧焊有明顯提高。通過在實際應用中與手工電弧焊對比后，其優勢也是顯而易見的，因此值得在設備焊接中加以推廣應用。

【關鍵詞】CO2氣體保護焊；設備；焊接；再生器

1 CO2氣體保護焊的特點

CO2氣體保護電弧焊是利用CO2作為保護氣體的熔化極電弧焊方法。這種方法以CO2氣體作為保護介質，使電弧及熔池與周圍空氣隔離，防止空氣中氧、氮、氫對熔滴和熔池金屬的有害物質，從而獲得優良的機械保護性能。生產中一般是利用專用的焊槍，形成足夠的CO2氣體保護層，依靠焊絲與焊件之間的電弧熱，進行自動或半自動熔化極氣體保護焊接。這種焊接法采用焊絲自動送絲，敷化金屬量大、生產效率高、質量穩定。

1.1 CO2氣體保護焊的優點

1）焊接生產率高。由于焊接電流密度較大，電弧熱量利用率較高，以及焊后不需清渣，因此提高了生產率。CO2焊的生產率比普通的焊條電弧焊高2～4倍。[1]

2）焊接成本低。CO2氣體來源廣，價格便宜，而且電能消耗少，故使焊接成本降低。通常CO2焊的成本只有埋弧焊或焊條電弧焊的40%-50%。

3）焊接變形小。由于電弧加熱集中，焊件受熱面積小，同時CO2氣流有較強的冷卻作用，所以焊接變形小，特別適宜于薄板焊接。

4）焊接質量較高。對鐵銹敏感性小，焊縫含氫量少，抗裂性能好。

5）適用范圍廣。可實現全位置焊接，并且對于薄板、中厚板甚至厚板都能焊接。

6）操作簡便。焊后不需清渣，且是明弧，便于監控，有利于實現機械化和自動化焊接。

1.2 CO2氣體保護焊的缺點

1）飛濺率較大。金屬飛濺是CO2焊中較為突出的問題，這是主要缺點。

2）很難用交流電源進行焊接，焊接設備比較復雜。

3）抗風能力差，給室外作業帶來一定困難。

4）不能焊接容易氧化的有色金屬。

CO2氣體保護焊的缺點1、2條可以通過提高技術水平和改進焊接材料、焊接設備加以解決，目前的焊接設備和材料基本可以解決這兩項缺點帶來的影響，第3條可以適當采取一定的防風措施進行改進，而第4條在設備焊接應用中基本不存在，目前大部分的石化裝置設備用材料還是以碳鋼或低合金鋼為主，很少存在有色金屬材質。而其優點卻是其他焊接方法所不能比的。因此，可以認為CO2氣體保護焊在設備焊接中是一種高效率、低成本的節能焊接方法。下面將闡述CO2氣體保護焊在催化裂化裝置兩器制造中的實際應用。

2 實際應用工程簡介

催化裂化裝置的兩器制造是大型設備現場制造的典型代表，尤其以再生器的制造更為突出，其焊接工作量大、質量要求高、制造周期短，給施工管理中工期和質量目標都帶來了一定挑戰，而選擇CO2氣體保護焊可以更好的完成此項任務。下面就以2011年九江石化I#催化裂化裝置改造項目中再生器的制造為例，說明CO2氣體保護焊在設備制造焊接中的應用。

本項目屬于改造項目，催化裝置的核心—兩器系統需異地新建，新的再生器參數為：設備規格？準9300/6300×45137×34/28/24，主體材質Q245R。再生器設計壓力0.35MPa、設計溫度750℃、介質性質為第二類介質、設備為第Ⅰ類壓力容器（D1級）。焊接接頭系數為1.0，A/B類焊縫進行100%的衍射時差法超聲波檢測（TOFD），結果符合JB4730.10-2010中Ⅰ級為合格；表面進行100%磁粉探傷復驗，結果符合JB4730.4-2005中Ⅰ級為合格。C、D類焊縫表面進行100%磁粉探傷復驗，結果符合JB4730.4-2005中Ⅰ級為合格。

Φ6300筒體在預制場預制成單節，現場組對成段，Φ9300筒體分片現場組對，現場需組焊成三大段以滿足吊裝要求，焊縫總體長度約620米（見后附排版圖）。因為是改造項目，工期非常緊張（原計劃制造工期僅為4個半月，包括全部內構件安裝完畢），在綜合考慮工期、質量、成本因素后，項目部選用了CO2氣體保護焊（FCAW）作為主要焊接方法（主要焊接筒體環縫、縱縫、封頭及錐段焊縫）。

3 焊接工藝

1）焊機選用的是NB-500型號的CO2氣體保護焊焊機，該焊機采用電子電抗器控制，焊接過程穩定，飛濺小，熔池深，成型美觀，特殊的波形控制技術，可使飛濺量明顯降低。焊絲選用CHT711藥芯焊絲，CO2氣體的純度要不小于99.5%。

2）焊接過程如下：

A.焊前用FCAW點焊定位；

B.第1層FCAW打底，第2-5層FCAW填充、蓋面，打底層采用分段退步焊，分段長度為500mm-600mm，其余各層可一次焊接完。層間應清理干凈，接頭錯開，焊后焊工自檢外觀合格；

C.內側焊完后外側進行碳弧氣刨清根，打磨出金屬光澤，第6-9層FCAW填充、蓋面，打底層采用分段退步焊，500mm-600mm，其余各層可一次焊接完。層間應清理干凈，接頭錯開，焊后焊工自檢外觀合格；

D.焊接完成后對現場焊縫（不具備射線檢測條件）進行100%衍射時差法超聲波檢查（TOFD）， 結果符合JB/T4730.10-2010 Ⅰ級為合格；表面進行100%MT檢測，結果符合JB/T4730.4-2005 Ⅰ級為合格。對在預制場焊接的焊縫進行100%RT檢測，結果符合JB/T4730.2-2005 Ⅱ級為合格；完成后再進行20%的超聲波復測，結果符合JB/T4730.3-2005 Ⅰ級為合格。

3）環縫的焊接工藝參數與縱縫基本相同，為達到更好的效果，也可以采用手工電弧焊（SMAW）進行蓋面，兩種焊接工藝相結合，可以使得焊縫表面成形更加美觀。

4 焊接質量

4.1 焊接質量的控制措施

1）焊工必須經過培訓和一定的經驗積累才能掌握CO2氣體保護焊的特點，因此在設備焊接之前要選定合格的有經驗的CO2氣體保護焊焊工，這是控制好焊接質量的關鍵。

2）縱縫焊接：先焊接大坡口側、后焊小坡口側。焊接時先焊內側，背面清根后焊接外側，底層焊道采用分段退步焊，分段長度大約為500mm-600mm。其他各層可一次焊完。在焊接過程中每焊接一層用弧度樣板檢查焊縫的棱角度，如果符合要求可繼續焊接，如果出現變形，必須調整焊接順序，棱角向外則焊內側，棱角向內焊外側。焊接過程盡可能使筒體處在自由狀態，通過改變焊接的順序控制焊接變形。

3）環縫焊接：先焊接大坡口側、后焊小坡口側。焊接時先焊內側，背面清根后焊接外側，焊接環縫時采用多人沿同一方向對稱分布焊接。大筒體用4名焊工均布沿著同一方向同時焊接，有利于減少焊接變形。

4.2 焊接質量檢測結果及常見缺陷分析

1）本次再生器制造過程中的焊縫外觀質量按下表標準進行控制，焊縫外形成形美觀，外觀質量合格，說明CO2氣體保護焊的質量是有所保證的。

2）無損檢測結果

本次再生器焊縫進行無損檢測結果如表1所示：

從表1所列檢測結果可以看出，CO2氣體保護焊的焊接質量是相當高的，因此從質量要求方面是非常適合設備制造焊接的。

3）CO2氣體保護焊常見缺陷及分析

在以上的無損檢測結果中，RT檢測不合格的6張片子中，氣孔缺陷有5張，而且都相對集中在同一時間段內，經分析主要原因是因為焊接當天風速過大，而防護措施不到位導致的；未焊透1張，原因是焊工焊接速度過快導致。TOFD檢測中的缺陷也主要是氣孔缺陷，由此可見氣孔缺陷是CO2氣體保護焊的重要防范點。

5 焊接效率

根據本次再生器制造的焊接記錄和現場的實際情況統計，以直徑Φ6300mm的環縫為例，每道焊縫長度約20米，厚度為24mm，采用四名焊工均布，沿同一方向焊接，一天時間可以完成一道（包括背面清根時間），整體效率是手工電弧焊所不能完成的。從CO2氣體保護焊在鋼結構焊接中的一個對比的例子也可以看出它的焊接效率是非常高的，以H型鋼的平角焊縫為例，焊腳高度K為12mm，焊縫長度L為5米，其比較結果如下：

表2

由此可見CO2氣體保護焊不論在鋼結構還是設備焊接中都是一種高效的焊接方法，其高效、省時的特點很有可能會取代傳統焊接方式的地位。

【參考文獻】

[1]邱言龍，聶正斌，雷振國.二氧化碳氣體保護焊技術快速入門[M].上海科技出版社，2011.

[2]孫景榮.二氧化碳氣體保護焊在輕型鋼結構工程中的應用[J].