CO2气体保护焊在化工、石化、石油天然气建设中的应用(大会二等奖)

1、2002全国化工石化石油天然气建设系统焊接技术交流会论文 Panasonic电焊机CO2/MAG气体保护焊在化工、石化、石油天然气工程建设中的应用唐山松下产业机器有限公司 王玉松 刘斌摘要：本文介绍了CO2/MAG气保焊工艺方法，高效、优质、低成本的综合优越性和在化工、石化、石油天然气工程建设中的应用与发展，分析了CO2焊接接头韧性偏低的产生原因及防止措施，不同种类的气体与焊丝相组合的工艺特点及控制焊缝成形的操作技术。关键词：CO2/MAG气保焊、工艺特点、应用技术。1、前言：化工、石化、石油天然气是我国的主要工业命脉，这些工业设备装置的长周期安全稳定运行与国民经济的持续发展息息相关。焊接新技

2、术、新工艺、新材料、新机具在工程建设中的应用是企业安全稳定运行的有力保障，也是工程建设队伍雄厚技术实力的充分体现。CO2/MAG气保焊是一种高效、优质、低成本的焊接方法，在大型钢结构、储罐、塔器、球罐及管道等工程焊接中有突出的表现，为工程建设行业赢得可观的社会效益和经济效益。然而，我国CO2焊在钢材焊接熔敷金属总量中所占比例还偏低（约20%左右）。日本、欧美所占比例较高（60%80%）。其中主要原因之一是有些企业决策层及焊接工作者对CO2焊优越性的认识不足，存在一些认识误区，或是不适当的夸大了CO2焊的固有的缺点。下面的一些看法带有一定的普遍性：1.1 CO2焊的焊接接头质量比焊条电弧焊要低，

3、焊接过程中飞溅大，不适合焊接重要的焊接产品，如锅炉、受压容器等。1.2 CO2焊的生产效率比焊条电弧焊大概也高不了多少，成本也不一定低。1.3 CO2焊抗风性能差，不适合现场施工焊接。这些不正确和不恰当的认识，阻碍了CO2焊大面积的推广应用。2、CO2焊的高效率2.1 CO2焊有较高的熔化速度和熔化系数。CO2焊熔敷速度35kg/h,是焊条的12.25倍。CO2焊采用细焊丝（0.81.6）电流密度大（CO2焊100300A/mm2,焊条1025 A/mm2,）。电弧热量集中，熔化系数比焊条大13倍，可提高工效12倍。2.2 CO2焊缝坡口一般400450,钝边较大，间隙较小，坡口截面比焊条减小

4、50%，可使焊缝熔敷金属量减小，等于提高了焊接速度，焊接工效提高1倍左右。2.3 CO2 焊接无需清渣，打磨，清坡口和换焊条，CO2焊的辅助时间为焊条辅助时间的50%，由此提高工效0.30.8倍。上述三项可得出CO2焊的工效与焊条电弧焊相比可提高倍数是2.023.88倍。如某单位一万M3油罐立焊缝，厚度=16mm ，双面焊，100%探伤，其每米焊缝焊接时间：CO2焊为88分钟，焊条为377分钟。再如529X9. 16Mn原油管道，单面焊，每个焊口焊接时间；CO2焊为77分钟，TIG打底、焊条盖面焊为360分钟。这两项实践证明，CO2焊比焊条电弧焊分别提高功效3.28倍和3.67倍。例：锦西石化

5、安装公司承建的50吨钢梁结构，原用电焊工20名，电焊条施焊一个月完成，改用CO2焊接，4名CO2焊工一个月完成，减员增效十分显著。3、CO2焊接接头的质量水平用CO2焊接低碳钢和低合金钢，只要焊材选配适当，均可以获得高质量的焊接接头，综合机械性能可以达到或超过低氢型焊条电弧焊的质量水平。3.1 CO2焊是一种低氢焊接方法，焊缝中扩散氢的含量远远低于低氢焊条（CO2焊扩散氢含量HD1.0mL/100g，低氢型焊条HD3.15 mL/100g）。CO2焊对锈和水分不敏感，焊缝中产生气孔的倾向小于低氢焊条。这也是CO2焊十分可贵的优点，是CO2焊接接头质量可靠的主要原因。3.2 CO2焊缝中的含氧量

6、和含氮量也与低氢型焊条焊接的焊缝相当。CO2焊在焊接过程中由于采取了可靠的脱氧措施，可以使焊缝中的含氧量降低到0.02%。由于有较为可靠的气体保护，可防止空气中的氮进入熔池，有效的防止氮气孔的生成。3.3 CO2焊的焊缝热影响区小，焊接接头的变形量小，提高了焊接接头承受有效载荷的能力，这是焊条电弧焊所不及的。3.4 CO2焊缝成形好，表面及内部缺陷少，一次探伤合格率高于焊条电弧焊。 如某单位焊接529X9 原油管道，CO2焊一次探伤合格率达到100%，而同一管线采用焊条电弧焊，一次探伤合格率70%左右。再如，中化第三化建公司在10004000 M3球罐全位置药芯焊丝CO2气保焊应用中，一次探伤

7、合格率达99.04%。3.5 以往CO2焊丝长期遵循GB8110-87标准规定的两个钢号：H08Mn2SiA及H08Mn2Si，Mn的限量分别为1.802.10%，1.702.10%。由于Mn含量偏高，使焊缝强度偏高而韧性不够理想，有些单位做焊接工艺评定测出韧性值偏低。有人曾提出：CO2焊不适合锅炉、受压容器的焊接，这是由于焊丝中Mn/Si比值较高带来的影响。如图一：保护气体与焊丝组合对焊缝韧性值的影响。（AKV/J）韧 性气体组成图一 保护气体与焊丝组合对焊缝韧性的影响（日本资料）Mn偏高的YGW-11（Mn=1.401.90；Si=0.551.10）适用于CO2焊接；Mn偏低的YGW-15

8、（Mn=1.001.60；Si=0.401.00）适用于富氩（MAG）焊接，两者不能相互替代，否则韧性值满足不了机械性能的要求。当前我国已修订焊丝标准为GB/T8110-1995，保留原H08Mn2SiA焊丝为ER49-1，新增加ER50-2、50-3、50-4、50-6、50-7，完全等效采用AWS国际标准，焊丝中的Mn含量为1.401.50%，Si含量为0.70.9%，考虑CO2焊时的合金过渡系数，焊缝熔敷金属的Mn1.0%，Si0.4%，具有良好的强度和韧性。众多压力容器制造单位经完成数量较大的焊接工艺评定试验结果证明：针对不同的钢种，正确选择焊丝化学成分与保护气体相组合，CO2焊接接头

9、的综合机械性能等同于或略高于低氢电焊条焊接接头的综合机械性能，完全能够满足低氢焊条所胜任的场合。3.5.1 焊丝成分、熔敷金属成分及焊缝成分是三种工艺概念，三者之间不能划等号。如表一15MnMoV NRE钢CO2焊时的成分变化就说明了这三者之间的成分变化，焊接工作者注重的是焊缝金属成分。依据母材成分选择焊丝成分（即焊丝牌号），显得十分重要。表一 15MnMoV NRE钢CO2焊时的成分变化（质量分数）分析对象CMnSiNiMoVNSP母材15MnMoV NRE0.151.540.51-0.530.030.0170.0150.019焊丝08Mn2SiNiMo0.061.500.502.000.4

10、3-0.0140.007熔敷金属0.0561.020.281.500.38-0.0080.003焊缝金属0.091.310.441.110.490.030.0170.0150.0163.5.2 混合气体保护焊（80%Ar+20%CO2）即MAG焊，以飞溅少（熔滴达到喷射过渡时无飞溅），成形好，合金元素过渡系数高，焊缝综合机械性能优良等特点，应用越来越广泛。如果采用CO2气保焊的焊丝（ER50-6），焊缝成分中的Mn、Si含量明显偏高，强韧性匹配不理想，韧性值偏低。MAG焊接应选用Mn、Si含量低的ER50-3、ER50-4焊丝，满足焊接接头强韧性匹配优良的工艺要求。3.5.3 富氩混合气的应用

11、在欧美十分广泛，见表二。其对油、锈的影响不十分敏感（见图二），内在质量好。在我国大面积推广，将带来显著的经济效益。表二 国外气体保护与焊丝组合的工艺特点钢 种焊丝类型欧 美日 本结构钢实芯富氩混合气体，如：Ar+20CO2CO2药芯富氩混合气体，如：Ar+20CO2CO2不锈钢实芯Ar+13O2Ar+He+（O2）Ar+2O2药芯Ar+20CO2CO23.5.4 奥氏体不锈钢材料的焊接在化工、石化、石油天然气行业应用十分广泛，采用98%Ar+2%O2气体保护的实芯不锈钢焊丝工艺和CO2气保护药芯不锈钢焊丝熔化极焊接工艺。不仅熔敷效率高，焊接速度快，而且焊缝成形好，无弧坑、偏析物及火口裂纹，耐腐

12、蚀性能较高，应用在不锈钢容器、复合板材焊接及不锈钢堆焊层熔化极焊接上有着广阔的发展前景。4、CO2焊的低成本尽管CO2焊机和焊丝价格较贵，但由于下面诸多原因，使CO2焊的实际成本较大幅度的低于焊条电弧焊。4.1 大幅度节约焊材。由于CO2焊采用小截面坡口型式，焊缝截面积可减少3654%，即可以节约3654%的填充金属。节省了焊条药皮和焊条头的浪费。这是CO2焊成本降低的主要原因之一。4.2 CO2焊可节约大量电能。CO2焊机与硅整流弧焊机相比，可节约用电平均达37%，与交流弧焊机相比，可节约用电69%以上。CO2因提高工效2.023.88倍，因此实际焊接时间可以减少6780%。如与手弧焊机容量

13、相同，焊接参数相当，则耗电量大致降低比例是6780%。据有关单位测定：CO2焊的耗电量仅为手弧焊的34.6%，或可降低耗电量的比例是65.4%。4.3 由于CO2焊效率高，实际设备台班费较手工焊降低6780%。设备台班费约占焊接成本的3050%，采用CO2焊工艺，可使焊接总成本降低2040%。4.4 CO2焊生产效率高，实际焊接时间相应减少，即减少焊接人工费，工时费，焊接总成本较手工焊降低1016%。4.5 CO2焊减少了清渣和清根的工序，焊缝打磨基本可以避免，节约很多砂轮片，节省诸多辅助时间和辅助人工。CO2焊接变形小，节省了矫正变形的费用。综合上述五项，CO2焊能使焊接总成本降低39.67

14、8.7%（与焊条电弧焊比）,平均降低59%。 某公司油罐施工焊接中测定的CO2焊比手弧焊成本降低了65%。据有关资料介绍：在某行业CO2焊接熔敷金属量占焊接总熔敷量由8%提高到15%，可获得经济效益5.65亿元。5、CO2焊的缺点CO2焊像其他焊接方法一样，有一些不足之处。如单一CO2气体时熔滴金属飞溅稍大；抗风力较差，一般大于23米/秒的风力需采取必要的防风措施（防风罩、防风小车、防风工棚等）。CO2焊所用的设备较手工焊复杂，操作不如手弧焊灵活。单一CO2气体还不能焊接高合金钢（主要缺少配套的焊丝）和有色金属。CO2焊的缺点可以通过提高技术水平和改进焊接设备加以解决。6、先进的CO2/MAG

15、焊工艺设备6.1 唐山松下引进先进的专用控制电路和电子元器件，生产的KR2系列晶闸管CO2/MAG焊机，具有功能多、高稳定性、焊接飞溅少，引弧成功率100%等工艺性能；还拥有短路、过热、防潮、防滴、防尘等高可靠性保护功能，确保焊机适合于各种恶劣环境下工作。1998年湖南、湖北发生了特大洪灾。有几家唐山松下用户CO2焊机淹没在大水中，洪水退后，仅将焊机做简单清理和吹干，焊机仍正常焊接，无任何故障，受到用户特殊的赞誉。高可靠性来源于进口的高品质绝缘材料、高性能电子元件和先进的电子控制电路。6.2 唐山松下采用日本松下先进的逆变技术生产的RF2系列IGBT控制逆变CO2/MAG焊机，选用微电脑数字化

16、控制电路，从400万种焊接波形中选取最佳焊接技术条件，实现高速、高精度的波形控制。当电网电压及频率波动范围很大时，均可实现稳定的输出，焊接飞溅减少约20%（与其它焊机相比）。6.3 唐山松下引进的脉冲熔化极（MIGP）气保焊机：AG1系列焊机在送丝速度不变（即平均电流值不变）的条件下，焊接电源的输出电流以一定的频率和幅值变化来控制熔滴有节奏地过渡到熔池，稳定地实现了一个脉冲过渡一个熔滴的理想状态。熔滴过渡无飞溅，可适用于CO2/MAG/MIG气体保护焊。可焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等材料。碳钢、低合金钢和不锈钢焊丝适合于无飞溅全位置焊接。在MAG焊工艺下，平

17、均电流80100A（1.2焊丝），即达到脉冲射流过渡状态。.铝及铝合金料仓容器和中厚板铝母导线等工件的MIG焊接，在脉冲电流熔化极气保焊工艺时，焊缝熔深大，成形好，焊接效率是TIG焊的35倍，在乙烯工程铝镁合金料仓焊接上得到应用，取得了可喜的技术成果。7、CO2焊操作技术及工艺应用7.1 CO2焊接熔滴是短路过渡，适合于全位置焊接。由于焊工习惯于焊条电弧焊的操作技术，将其操作手法照搬到CO2焊接操作手法上，造成全位置焊缝成形不良，凹凸不平、咬边等焊接缺陷。我们推荐全位置CO2焊应采用反月牙形运枪法。如图三所示。反月牙形锯齿形正月牙形咬边BIA图三 三种运枪轨迹图及焊缝成形截面图示手工电弧焊时的

18、正月牙形法和锯齿形法均不可避免地带来立焊、全位置焊的焊缝凹凸不平、咬边等工艺缺陷。全国CO2焊工比赛优秀选手采用反月牙形法运枪操作技术，立焊及仰焊试板单面焊双面成形，焊缝外观成形美观平整，X光片级无缺陷，获得超水平的高质量焊缝。7.2 化工、石化、石油天然气管道焊接普遍采用氩-电联焊工艺和纤维素立向下焊工艺。唐山松下生产的400AT2系列逆变直流弧焊机具有两种机型，带简易TIG焊的直流弧焊机和带有纤维素焊条专用输出端子的多用途直流弧焊机。其输出外特性曲线见图四。由输出特性曲线可看出，当焊条短路粘条时，其最大输出电流回推为零，而不是最大短路电流。适合于手工钨极氩弧焊短路引弧工艺特性，减少了钨极烧损。短路引弧（划擦引弧）时,钨极引弧电流20A，引弧几十次，钨极尖完好无损。西气东输工程的管道焊接采用纤维素焊条打底，CO2/MAG自动焊填充盖面或药芯自保焊丝填充盖面焊等组合工艺，在高强度钢管道焊接工艺上有新的突破。8、小结：CO2焊的高效、优质、低成本的综合优点是其它焊接方法所不能比拟的。无论在国内还是国外发展的都十分迅速。在化工、石化、石油天然气工程建设中，主要用于焊接低碳钢、普通低合金钢和低合金高强度钢，还可以焊接耐热钢和不锈钢。用氩气做保护气体可焊接铝、铜、钛等有色金属。可焊厚度范围较宽，可以从0.5mm到150