薄板不鏽鋼焊接分析

tags: 不鏽鋼    時間:2014-03-11 14:17:41
薄板不鏽鋼焊接分析簡介
    目前的不鏽鋼壓力容器生產企業,普遍採用的主要焊接方法均為成熟的焊接工藝,如鎢極氬弧焊(GTAW)、焊條電弧焊(SMAW)、葯芯焊絲電弧焊(FCAW)、埋……
薄板不鏽鋼焊接分析正文
    

目前的不鏽鋼壓力容器生產企業,普遍採用的主要焊接方法均為成熟的焊接工藝,如鎢極氬弧焊(GTAW)、焊條電弧焊(SMAW)、葯芯焊絲電弧焊(FCAW)、埋弧自動焊(SAW)等。
對於4~10mm的1Cr18Ni9Ti薄板不鏽鋼,主要採用鎢極氬弧焊(GTAW)、焊條電弧焊(SMAW)和葯芯焊絲電弧焊(FCAW);而對於4~10mm的304薄板不鏽鋼(相當於我國的0Cr18Ni9),則主要採用鎢極氬弧焊(GTAW)、焊條電弧焊(SMAW),由於葯芯焊絲電弧焊(FCAW)採用的保護氣體為Ar+CO2,易使焊接接頭產生增碳問題,導致其耐腐蝕性能下降,故對於低碳、超低碳不鏽鋼的焊接,一般情況下不採用藥芯焊絲電弧焊。

    本文以板厚8mm的低碳、304不鏽鋼為例,對其常用焊接方法及焊接成本進行分析和對比。

    焊接方法分析

    鎢極氬弧焊採用的保護氣體為純Ar,焊接時它既不與金屬起化學反應,也不溶解與液態金屬中,故可以避免焊縫中金屬元素的燒損和由此帶來的其它焊接缺陷,同時因其密度較大,在保護時不易漂浮散失,保護效果好。該焊接方法由於熱源和填充焊絲是分別控制的,熱量調節方便,使輸入焊縫的焊接線能量更容易控制,故適合於各種位置的焊接,也容易實現單面焊雙面成型。鎢極氬弧焊的最大缺點是熔深淺、熔敷速度慢、生產效率低,因而其焊接變形也就較大。

    焊條電弧焊由於操作靈活、方便,焊接設備簡單、易於移動,設備費用比其它電弧焊方法低,因而得到了廣泛的應用。該焊接方法與熔化極氣體保護焊(GMAW)、埋弧自動焊(SAW)等焊接方法相比,其熔敷速度慢及熔敷係數低,並且每焊接完一條焊道均需要清理熔渣,而坡口內的清渣是比較繁瑣的。

    熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊),由於採用Ar或在Ar中添加了少量的O2作為保護氣體,因而其電弧穩定,熔滴細小且過渡穩定,飛濺很小。該焊接方法的電流密度高、母材熔深深,因而其焊絲的熔化速度和焊縫的熔敷速度高,焊接生產效率高,尤其適於中等厚度和大厚度結構的焊接。該焊接設備比較複雜,設備成本較高。

    表1給出了薄板不鏽鋼常用焊接方法的相關數據。該表中的GTAW焊的熔敷速度為實際測量的數據。

表1 薄板不鏽鋼常用焊接方法數據
焊 接 方 法 TIG SMAW MIG
熱源 最小加熱面積(cm2) 10-3 10-2 10-4
特性 最大功率密度(W/cm2) 1.5×104 104 104~105
熱效率(功率有效係數) 0.77~0.99 0.77~0.87 0.66~0.69
焊接電流(A) 100~130 170~200 200~300
焊接速度 焊材直徑(mm) Φ2.4 Φ4.0 Φ1.2
及效率 熔敷速度(g/min) 7~10 18~22 75~85
熔敷效率(%) 98~100 55~60 96~99

    低碳、超低碳薄板不鏽鋼焊接成本對比

    對於薄板不鏽鋼壓力容器,由於其特殊性及相關標準的要求,因而對打底焊的焊縫背面的質量要求比較高。

    對於打底焊而言,鎢極氬弧焊(GTAW)均優於焊條電弧焊(SMAW)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)等焊接方法,這主要是由於熱源和填充焊絲是分別控制的,熱量調節方便;同時,該種焊接方法對焊工的操作技能、接頭的組對質量要求不高。因此,對於單面焊雙面成型的焊接接頭,其打底焊均採用鎢極氬弧焊(GTAW)。對於不鏽鋼的焊接,焊接時必須充背面保護氣(通常為純Ar),以防止焊縫背面的氧化。

    1 焊接成本對比

    表2給出了板厚8mm、材質304不鏽鋼對接接頭的焊接成本對比。表中的焊材、氣體及工資的價格均是按照目前的價格進行計算的。GTAW焊的Ф2.4mm的焊絲是直條的,長度為36英寸,每根焊絲的剩餘長度約80~100mm;不鏽鋼焊條的剩餘長度約50~80mm。

表2 薄板不鏽鋼常用焊接方法的成本對比
焊 接 方 法 GTAW GTAW+SMAW GTAW+MIG
施 焊 條 件 V型坡口,對接接頭,單面焊雙面成型。
母材厚度為8mm,材質為304;坡口角度70°,鈍邊0mm, 根部間隙2.0mm
焊絲直徑 打底焊 Φ2.4 Φ2.4 Φ2.4
(mm) 填充及蓋面 Φ2.4 ---- Φ1.2
焊條直徑 打底焊 ---- ---- ----
焊 (mm) 填充及蓋面 ---- Φ4.0 ----
接 焊接電流 打底焊 110 110 110
規 (A) 填充及蓋面 130 170 140
范 電弧電壓 打底焊 12 12 12
(V) 填充及蓋面 12 24 24
焊縫厚度 打底焊 2.5 2.5 2.5
(mm) 填充及蓋面 5.5 5.5 5.5
氣體流量(L/min) 20 20 20
需要金屬量 打底焊 74.4 74.4 74.4
(g/m) 填充及蓋面 407.9 407.9 407.9
綜合熔敷效率 打底焊 90 90 90
焊 (%) 填充及蓋面 90 48 98
材 焊材消耗量 焊 絲 535.9 82.7 82.7+416.2=498.9
費 (g/m) 焊 條 ---- 849.8 ----
用 焊材單價 焊 絲 70.0 70.0 70.0
(元/kg) 焊 條 ---- 34.0 ----
焊材費用(元/m) 37.51 5.79+28.89=34.68 34.92
熔敷速度 打底焊 7 7 7
氣 (g/min) 填充及蓋面 10 20 80
體 燃弧時間 打底焊 10.6 10.6 10.6
費 (min/m) 填充及蓋面 40.8 20.4 5.1
用 氣體單價(元/L) 0.003 0.003 0.003/0.012
氣體費用 焊接氣體 3.09 0.64 1.85
(元/m) 背面保護氣體 3.09 1.86 0.95
其它時間 層間冷卻時間 3×20=60 3×20=60 1×20=20
其 (min/m) 清渣時間 3×3=9 1×3+2×10=23 1×3=3
它 總作業時間(min/m) 120.4 114.0 38.7
費 工資單價(元/h) 11.36 11.36 11.36
用 工資費用(元/m) 22.80 21.58 7.33
電力費用(元/m) 0.64 0.92 0.26
焊接成本(元/m) 67.13 59.68 45.31

    當然,焊接成本還包括焊接設備的折舊、維修等費用。由於該費用很少,故本文未予考慮。

    各種焊接數據的計算公式為:

焊材消耗量=需要金屬量÷綜合熔敷效率
焊材費用=焊材消耗量×焊材單價
燃弧時間=需要金屬量÷熔敷速度
氣體費用=氣體流量×燃弧時間×氣體單價
總作業時間=燃弧時間+其它時間
工資費用=總作業時間×工資單價
電力費用=(焊接電流×電弧電壓×燃弧時間×單價)÷60000
焊接成本=焊材費用+氣體費用+工資費用+電力費用

    2 焊接成本分析

    以往的資料所進行的焊接成本對比,均是九十年代初的相關數據,它是在不同坡口尺寸條件下進行的,且主要是對碳鋼、中厚板常用的葯芯焊絲電弧焊、實芯焊絲CO2電弧焊、焊條電弧焊等焊接方法進行成本對比與分析。

    表2的焊接成本是對於相同的坡口尺寸、薄板不鏽鋼進行對比的。市場經濟條件下的產品隨客戶要求的不同而不同,且對於生產製造企業而言,產品也會隨不同板厚而採取更加經濟的焊接工藝。因此,相同類別的焊接接頭,如果採用不同的坡口尺寸,會給生產帶來許多弊端和不便。

    由表2的數據可以看出,對於70°的V型坡口、304材質、8mm板厚的對接次之,GTAW+MIG最低。GTAW+MIG的焊接成本約為GTAW的67%左右,其焊接生產效率為GTAW的3.1倍左右。不僅如此,由於MIG焊的焊接熱輸入少,因而GTAW+MIG的焊接變形比GTAW要小的多,它更有力於產品的質量保證。

結論

通過表2的焊接成本對比,可以得到如下結論:

(1) GTAW+MIG焊的焊接成本低,生產效率高,應加以推廣應用。

(2) 對於薄板不鏽鋼的焊接,提供了焊接方法的選擇依據。

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