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现代轨道式自动焊接技术的新发展(五)

珠海固得焊接自动化设备有限公司 陈裕川

摘 要：本文简要地叙述了轨道式焊接技术的发展概况，主要应用领域及其工艺特点。系统地论述现代轨道式自动焊接设备的基本构成、功能和技术特性。详细地介绍了管道接头轨道式自动焊接技术——全位置焊接机头和焊接过程的程控技术以及为确保接头质量而开发的实时数据采集系统。最后列举了各工业部门成功的应用实例。

关键词：轨道式焊接；管/管接头；管/管板接头；焊接过程的程控

6.2 管/管板接头自动TIG焊工艺

在化工、炼油和热电核电站装置中管式热交换器及冷凝器是不可缺少的重要设备，其典型的结构如图111所示，主要由壳体、管系和管板等部件组成。而管系与管板的连接目前大部分采用焊接方法，部分热交换器的管子/管板接头也采用焊接+胀接的制造工艺。管子/管板接头的形式主要取决于热交换设备的工作条件，包括温度、压力和工作介质。可以分别采用平齐式、外伸式、内缩式和无间隙式。

按照管子/管板接头的质量要求，可以采用焊条电弧焊、细丝MIG/MAG 焊和自动TIG焊。多年的生产实践证明, 自动TIG焊焊接的管子/管板接头质量最好，且稳定可靠。因此现代工业装备制造行业中，基本上都优先采用自动TIG焊方法焊接热交换器的管子/管板接头。

6.2.1 管子/管板接头的焊前准备

管子/管板接头的焊前准备工作对于保证接头的焊接质量起着十分重要的作用，必须严格按以下要求执行。

6.2.1.1 保证管子内外径的同心度

为保证管子内外径足够的同心度, 应当选用经过精整的无缝钢管。对于平齐式、外伸式和内缩式管子/管板接头，都是采取芯轴在管内定位对中，而焊接过程是绕管子的外径进行，因此同心度偏差会引起钨极间距失常。即使电弧长度变化超出容许的范围，导致焊缝成形不规则。

6.2.1.2 设计合理的坡口形式

当对管子/管板接头提出较高的强度要求时，通常在管板管孔边缘加工出一定形状的坡口，其中最简单的加工方法是将管孔边缘倒角，即形成单面V形坡口。但这种坡口的缺点是在根部往往会形成如图112所示的未焊透。降低接头的机械强度，特别是疲劳强度。因此，最好采用成形刀具。将管孔边缘加工成J形坡口，以保证焊缝根部良好熔合。

2011
06/01
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葛洲坝电厂水轮机转轮磨蚀情况分析与检修工艺


摘　要：简述了葛洲坝水电站轴流式水轮机转轮的磨蚀状况，分析了磨蚀的形成原因，介绍了所采取的抗磨蚀措施及水轮机转轮检修工艺，指出了检修作业存在的主要困难和未来的发展方向。

关键词：轴流武水轮机；转轮；磨蚀；检修


（ 黄 明　 毛松柏　 唐 敏　 吴 涛 ）　

2011
06/01
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焊接接头强度匹配和焊缝韧性指标综述

#d4d0c8; WIDTH: 110.4pt; PADDING-TOP: 0cm; BORDER-BOTTOM: windowtext 1.5pt solid; BACKGROUND-COLOR: transparent; mso-border-top-alt: solid windowtext .5pt; mso-border-bottom-alt: solid windowtext 1.5pt; mso-border-right-alt: solid windowtext .5pt” width=147>

≥690

770～940

≥18

－20～－60

≥69

该表中的数值与数学公式VET＝0.1σγ，是相一致的，也是目前各国船级社都采用的。笔者认为，VET＝0.1σγ的适用范围不是无限的，而是有一定限制的。表中所列的690MPa和－60℃下69 J的强韧性配合指标已经是上限范围了，再进一步提高强度和冲击功的双重要求将是难以实现的。这是金属材料本身的性能所决定的，强度和韧性是要相互制约的。

在焊缝韧性指标上，有的规范不是这样要求的，它对各种强度级别的焊缝，都要求相同的韧性水平。如潜艇用钢，按照日本防卫厅规格〔6、7〕，对各种强度级别的焊条或焊丝的熔敷金属，都要求－50℃下的冲击吸收功不小于27 J；其焊缝金属的屈服强度包括460，630，800和940MPa四个等级，其焊接方法适用于焊条电弧焊、埋弧焊、MIG焊等。除了对熔敷金属的冲击吸收功有指标要求外，对焊接接头还要进行落锤试验，根据屈服强度等级和试板厚度选用规定的打击功，要求在－50℃下不发生试样断裂。从这两个方面进行韧性考核应是更为科学的。

美国军标（MIL）对潜艇用焊接材料的韧性考核，有些方面与日本一致，但也有不同之处。对熔敷金属的韧性考核，早期也是采用夏比V形冲击试验，要求－50℃下的冲击吸收功不小于27，47或68 J，这些冲击吸收功的提高不是因为强度的提高而相应提高，它是根据焊接材料的韧性储备等因素来确定的。后来又改为动态撕裂试验（DT试验），常用的试样厚度约为16mm（5/8吋），试样的宽度和长度分别为41mm和180mm；对裂纹源缺口的加工有着更严格的要求。试验温度为30℉（约为0℃），撕裂功的最低值要求为610，645，680及780 J(450，475，500和575 ft-1b)。这些数值的确定也不是与强度的提高成线性关系，而与材料的韧性储备有直接关系，例如，屈服强度大于等于920MPa级的焊缝DT值要求645 J(475 ft-1b)，而屈服强度大于等于700MPa级的焊缝，则要求其DT值≥780 J(575 ft-1b)。曾有几年时间内，夏比V形冲击试验和动态撕裂试验两者并用，后来就只采用动态撕裂试验一种方法了。

在焊接接头的韧性考核方面与日本截然不同，美国采用的是爆炸试验〔8〕，试板厚度都为25mm（1吋）或38mm（1.5吋），对接焊后成为正方形，边长分别为510mm或640mm，焊缝在中心部位。试验温度为30℉（约为0℃），经过3次爆炸后，希望厚度减薄率达到7％，要求不产生碎片；允许有穿过整个厚度的裂纹，但裂纹不应扩展到支撑区之内。美国军标将这种方法定为认可试验或鉴定试验，只有通过此种试验的焊接材料才能用于潜艇建造。一旦试验被通过，只要焊接材料的焊芯成分、药皮配方和原材料、制造技术和工艺等不作改变，就不再进行此项试验，只进行熔敷金属的韧性检验（夏比V形或动态撕裂试验），而且这种韧性检验的目的主要是控制焊接材料的质量稳定性。故熔敷金属的吸收功可以认为是控制焊材产品质量的相对判剧。当某种焊接材料用于船舶、桥梁、压力容器、车辆、高架建筑等具体结构时，应根据结构的特征、受力情况（是静载还是动载、低周疲劳还是高周疲劳）、环境条件等，提出具体要求，有的还要求作特殊的评定试验，同时将其符合安全要求的熔敷金属韧性指标确定下来。既不是韧性指标越高越好，也不可为了降低成本而降低对韧性的要求。用钢材的韧性指标来要求焊接材料也不完全是合理的，因为钢材经焊接之后，其热影响区中的粗晶区因晶粒明显长大，使韧性大幅度下降，所以为了保证热影响区有好的韧性，应该对母材韧性有更高的要求。

目前，国内外的焊接材料标准都是由焊接材料标准化机构制定出来的。高强钢用焊接材料的强度级别虽然不完全一致，但各种强度级别下的熔敷金属韧性指标是相同的，主要有两个体系〔9〕：一是欧洲体系，冲击吸收功要求≥47 J；太平洋周围国家，如美国、中国、日本、韩国等，则采用另一个体系，即冲击吸收功要求大于27 J。2000年以后，国际标准化组织（ISO）同时认可了这两个体系，将其按A、B两个体系并列于同一个标准之中。如 ISO18275－2005，ISO16834－2006和ISO18276－2005，分别是高强钢用的焊条、实心焊丝和药芯焊丝系标准，在这3个标准的A体系中统一把熔敷金属的屈服强度划分成如下5个等级，即550，620，690，790和890MPa级；而熔敷金属的冲击吸收功不随强度等级变化，它是一个固定数值，即A体系要求AkV≥47J；B体系要求AkV≥27 J。但是，在同一个冲击功条件下又分成若干个试验温度，通常有+20，0，-20，-30，-40，-50，-60，-70和-80℃。可根据结构的使用温度或对韧性储备的要求来选择试验温度，以满足对韧性的不同需要。例如，在我国南方江河中运行的船舶，其使用环境温度较高，可选用较高的试验温度；在北方江河中运行的船舶，其使用环境温度较低，应选择较低的试验温度。有些结构承受动载荷或疲劳载荷，与同一地区只承受静载荷的结构相比，可采用相同强度的焊材，但在韧性方面应有更大的储备，以保证动载荷或疲劳载荷下仍能安全运行，这时一定要选择在更低的试验温度下能满足47 J或27 J冲击吸收功要求的焊接材料。

3 结 论

在焊接接头强度匹配方面，对于低强度的钢种，可采用等强或超强匹配；对于高强度的钢种，宜采用等强或低强匹配，超强匹配是不利的。在焊缝韧性指标方面，有如下几种情况，一种是随着焊缝强度的提高对韧性的要求也提高；另一种是对各种强度级别的焊缝都要求相同的冲击吸收功，但试验温度是变化的，产品的使用条件越苛刻，相对应的试验温度越低；还有一种是对冲击吸收功和试验温度的要求都相同，但还要对焊接接头进行落锤或爆炸等试验，并以此作为认可试验。

参考文献

〔1〕Pelline W S..结构完整性原理〔M〕.国防工业出版社，1983。

〔2〕佐藤邦彦。溶接工业〔M〕.日本：理工学社，1979。

〔3〕张玉凤。静载下焊缝强度匹配对结构抗断裂性能影响的研究〔J〕.天津大学学报，1985(3)：13-18。

〔4〕九田一久。先进钢技术に关する日来共同研究につぃて〔J〕.防卫技术ツャ－ナル.2000(8)，5-11。

〔5〕陈伯蠡。金属焊接性基础〔M〕。北京：机械工业出版社，1982，200-209。

〔6〕NDSZ 3001 调质高张力钢用被覆ア-ク溶接棒〔S〕。1975。

〔7〕NDSZ 3004 舰船用超高张力钢用被覆ア-ク溶接棒〔S〕。1983。

〔8〕上田修三著。荆洪阳译。结构钢的焊接〔M〕。北京：机械工业出版社，2004，338-340。

〔9〕朴东光。焊接领域的标准化及合格评定〔J〕。焊接，2006（6），27-34。

2011
06/01
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论钢筋点焊联结对混凝土桥梁疲劳寿命的影响

朱志光

　　摘　要　从Miner线性损伤理论出发，论述了钢筋点焊联结将会缩短混凝土桥梁疲劳寿命的不良影响。
　　关键词　钢筋点焊联结；疲劳寿命；混凝土桥梁
　　分类号　U448.215

The Influence of Reinforcement Point Welding
on the Fatigue Life of Concrete Bridge

Zhu Zhiguang
(Guangzhou Railway General Engineering Company,Guangzhou,510088)

　　Abstract　Based on the Miner‘s theory,this paper discusses the negative influence of reinforcement point welding on the fatigue life of concrete bridge.
　　Keywords　reinforcement point welding; fatigue life; concrete bridge

引　言

　　钢筋混凝土桥梁是钢筋和混凝土的组合体，施工中必须先将各类钢筋固定，以便形成钢筋骨架。这一工序包括纵向主筋和箍筋的联结，也包括受力主筋和构造钢筋的联结。因为钢筋骨架在后续施工工序中要承受强大的振动捣固力，必须确保联结点的牢固性。通常有两种联结方法。第一种为点焊联结，即在两根需要联结钢筋的交叉点处施以点焊。第二种为绑扎联结，即在两根需要联结钢筋的交叉点处以细金属丝将它们绑扎起来。点焊联结使用得较早，由于它本身有对钢筋局部褪火和局部损伤的缺点，而逐渐被绑扎联结替代，但还有以下三种情况可能使用点焊。第一种情况为混凝土梁跨度较大，纵向主筋较长，在钢筋自重作用下产生较大的下垂度，绑扎难以定位，有就可能使用点焊，或者先用绑扎初步定位，然后用点焊固定。第二种情况为梁较高，竖向钢筋在其它钢筋力和振动力作用下可能失稳，钢筋偏离设计位置，甚至拆模后出现露筋，因此也可能用点焊将竖向钢筋与其它钢筋焊牢。第三种可能使用点焊的情况发生在钢筋密集区，绑扎所需的活动空间较小而用点焊了事。点焊给钢筋以先天性损伤，严重地降低了混凝土桥梁的疲劳强度。

1　用Miner线损伤理论估计点焊的影响

　　混凝土桥梁的使用寿命受疲劳损伤的影响，这已成为桥梁界的共识。目前，国内外普遍采用。Miner线性损伤理论来估计这种影响，并纳入了桥梁规范，如英国桥梁规范——BS5400［1］等。Miner理论认为，在往复应力作用下，结构的损伤可用损伤度Dg来衡量。
　　(1)
式中　ni——在应力水平fi下，结构所经受的循环作用次数；
　　　Ni——在应力水平fi下，结构所具有抵抗循环的能力(次数)。
当Dg达到1时，认为结构发生疲劳破坏或处于不安全状态。
　　一般说来，铁路混凝土桥梁的疲劳寿命由跨中截面最下排纵向受力主筋的损伤度控制。因此，必须获得跨中下缘钢筋应力谱。通常用实测法或计算机模拟法［2］获得这一谱。表1为DF4机车牵引50节C62满载列车通过跨度6 m的混凝土桥梁时获得的应力谱，该梁的图号为“专桥1023”，因不是本文的目的，故不在此赘述。

表1　计算过程表

应力变程/MPa7.39310.35122.18034.00936.96739.92454.711应　力　谱21211128151点焊联结抗力谱5.02×10119.34×10102.07×1092.44×1081.61×1081.09×1082.26×107绑扎联结抗力谱31.1×101139.4×10105.08×1094.18×1082.57×1081.64×1082.60×107

　　式(1)中的Ni(i＝1，2，……)反映了钢筋抵抗疲劳的能力，由钢筋的疲劳试验确定。世界上许多国家或组织曾作了大量的钢筋疲劳试验，采用。S-N曲线来描述钢筋抗疲劳能力。与本文有关的S-N曲线如下。
　　1)　欧洲钢结构协会推荐的钢筋母材S-N曲线［3］

　　(2)

　　2)　铁道科学研究院20　Mnsi锈蚀钢筋的S-N曲线

　　(3)

　　3)　长沙铁道学院点焊联结钢筋的S-N曲线
　　长沙铁道学院模拟主筋与箍筋的点焊联结［4］，实测出这类钢筋的S-N曲线如附图所示。附图中，“*”表示实测点，曲线A表示对这些点的拟合曲线。
　　lgN＝12.864-3.2 711lg5(4)
由于试件的数量有限，而且与欧洲钢结构协会的S-N曲线也很接近，文［4］认为点焊联结钢筋可以用式(2)表示。

附图　点焊联结钢筋的疲劳试验结果

　　因为本文的目的在于作相对比较，故采用点焊联结钢筋的S-N曲线为

　　(5)

　　绑扎联结钢筋的S-N曲线为

　　(6)

　　表1列出了一列Df4牵引50辆满载的C62引起的“专桥1023”6 m跨度梁的应力谱，表1还表出了两种联结钢筋的抗疲劳能力(次数)。由表1和式(1)可以求得出这列列车引起的疲劳损伤度，对于点焊联结为Dd＝0.372×10-6；对于绑扎联结为Db＝0.249×10-6。

2　小　结

　　1)　上面的论述虽然采用的是一列指定编组的列车，但不失其比较意义。它说明对于同一列车通过完全相同(但钢筋联结不同)的两座桥梁，钢筋联结不同引起的损伤差别较大。如果用这列列车运营100年，每天运用60列。表2列出“叁标桥1024”的疲劳寿命；表3列出了“专桥1023”的疲劳寿命。表2、表3表明，对其中各种跨度的桥梁，钢筋用绑扎联结梁的寿命要比钢筋用点焊联结梁的寿命长。

表2　按每天60列指定列车得出“叁标桥1024”梁的疲劳寿命(年)

跨　　度/m456810121620钢筋绑扎联结100126183＞200＞200＞200＞200＞200钢筋点焊联结7188122＞200＞200＞200＞200＞200

　

表3　按每天60列指定列车得出“专桥1023”梁的疲劳寿命(年)

跨　　度/m456810121620钢筋绑扎联结116131189＞200＞200＞200＞200＞200钢筋点焊联结8191126＞200＞200＞200＞200＞200

　　2)　疲劳损伤往往从结构的缺陷点开始，然后波及整个结构，因此，施工中的少量点焊联结点也应尽量避免，尤其应避免在高应力区施以点焊。
　　3)　点焊联结钢筋骨架对桥梁的捣固，保持设计尺寸，防止露筋等有一定的好处。但由此而引起梁的疲劳寿命缩短的后果是严重的，而且这种联结被混凝土掩盖，很难被监理或质检人员发现。
　　4)　梁的疲劳破坏发生在梁运用很多年以后，这种破坏是突发性的、灾难性的。笔者在此呼吁桥梁施工界的同行们，为子孙着想，加强安全意识，杜绝这种隐患。

*铁道部科技开发计划项目

作者简介：朱志光，男，48岁，工程师

作者单位：广州铁路工程总公司，广州，510088

参考文献

　1　［英］BSI-BS5400.Steel Concrete and Composite Bridge.1978
　2　徐满堂，文雨松.铁路桥梁疲劳应力谱的计算机模拟.长沙铁道学院学报，1989，7(3)：11～21
　3　陈夏新.混凝土梁用钢筋及混凝土S-N曲线的研究.铁道科学研究院研究报告.1996
　4　文雨松等.点焊联结钢筋的疲劳试验研究.长沙铁道学院研究报告.1998

2011
06/01
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黄铜异径母材感应加热钎焊研究

作者：涂学荣 麦汉辉 杨劲松 周剑摘要：本文以非磁性材料铜管的异径不对称感应钎焊为研究对象，采用两个感应加热器，对工件（T字型）上下同时进行加热升温的措施使焊料润湿和毛细化作用。结果表明两个感应器与工件的匹配能基本解决不对称黄铜管的钎焊问题。
关键词：黄铜合金 异径非对称 钎焊工艺

0 序 言

目前感应钎焊连接已广泛应用于航天航空，电子和医药等领域。它较适合于钎焊钢，铜合金，不锈钢，高温合金等具有对称形状的焊件，特别适用于管件的套接，管子和法兰，轴和轴套等类似接头形式的连接。该方法节能环保无污染，效率高，劳动强度低，因而实用前景非常广。然而，由于生产工作当中，经常会遇到非对称和复杂的构件。因此，针对这种非磁性非对称的异径黄铜钎焊，使用高频感应钎焊代替原有的火焰气焊的工艺，对两种方法焊接后的质量等参数进行 比较。技术指标要求：感应钎焊缝平整光滑，无气孔，夹渣，煤油渗透，二十四小时试验无漏。待焊样品形状如图1所示。


图1 待焊工件形状示意图

1 试验方案

工件的其特点为：材质为黄铜合金H62，工件为T形接头结构，上下两铜管直径明显差异Φ26/Φ46，工件下部的中间30mm处，基本上可视为实体（与两端相比）尺寸不一。从工件的外形尺寸来看，直接采用感应钎焊的方法，不采取其他任何特殊措施，是比较困难。因为高频钎焊是利用感应加热通过调节电流频率的大小，以交频交流电来



实现对工件局部的加热，要想获得优质良好的钎焊缝接头，就必须根据工件的材质选择好高频电源，合理设计感应器与工件的感应匹配问题。

1.1 高频电源的选择

目前的高频电源种类有：可控硅中频电源2500HZ，电子管电源250-300KHz，晶体管谐振式IGBT电源35KHz，强激式电源20-50KHz等系列产品电源。从以往试验的结果来看，非磁性材料有色金属（铝铜）比较适应低频的感应加热电源，对上述四种电源来说，从整体设备性能来看，晶体管电源设备应是首选，同样是晶体管电源谐振式IGBT电源就比强激式IGBT电源具有更高的加热效率。这是因为谐振式IGBT晶体管电源会根据负载的状态自动调整电源状态，使电源始终保持按设定功率输出，而强激式IGBT电源的输出功率会随着负载的变化而变化，负载轻时，输出功率很小，由于黄铜在冷态时，电阻率很低，因而负载小，故加热时间很长，由此看来，谐振式电源具有很强的自调能力，最后选择了谐振式IGBT晶体管电源，型号为TG-30A-25。

1.2 加热方式

从感应器加热原理可知，高频感应加热有两种方式，一是透热式，二是传导式加热，针对非导磁性材料和工件的形状特点，透入式加热能充分利用热源热量使工件感应不同的迅速升温加热，而传导式加热方式远远比透入式加热效率低的多，故选透入式加热。

1.3感应器的设计与制作

高频电源设备和加热方式选择好后，感应器的设计就显得尤其重要，当感应器线圈中的电流是交流电时，在线圈内部和周围就会产生交变的磁场的磁力线所切割。而在工件表面产生高频电流的集肤效应，邻近效应，圆环效应，以达到工件表面升温加热。也就是说根据高频感应的特性，感应器线圈的形状与工件之间的相互位置，能够强烈的影响着工件加热的质量和效率。因此，根据工件的形状做了几种不同形状的线圈感应器进行试验，见图2-4所示。


图2 O型线圈感应器


图3 U型线圈感应器


图4 O型加U型线圈感应器

1.4钎料钎剂的选择及钎焊工艺设计

根据工件等H62材质，属非铁磁性的特点，考虑到钎料成本及又能保证钎焊质量的因素，选用银铜B-Ag30CuZn钎料，钎剂为FB201。具体钎焊工艺如下：

（1）采用谐振式电源IGBT TG-30A-25，钎料（焊丝制成环）BAg30CuZn，焊缝间隙：0.02mm

（2）清理表面的油污等，工件上涂抹钎剂FB201（530-850 ℃）

（3）钎料环放置在铜管内，避免钎料环制成封闭状态，以免两端接触，在高频感应时产生感应电流，使过早的熔化

（4）制作简易的夹具固定工具（严禁使用金属材料）线圈与工件间隙2-3mm

（5）电流范围560-700A之间均匀加热（加热过程避免工件升温过快过热，使工件均匀升温加热，必须适当停顿加热时间数秒钟后在加热）当观察到钎料熔化渗出后便可停机

（6）加热时间：35-65S

2 实验结果与结论

2.1 O型线圈感应器加热和U型线圈感应器加热

当使用O型线圈感应器加热工件时，线圈与工件的距离2-3mm，随着感应器加热工件时间的增加，工件上端表面温度明显发生变化，而下端工件温度变化不明显，以至上面工件被熔化，下面工件依旧温度变化不大，其原因是上端工件与下端工件的温差相差较大，钎料无法熔化。

在第一种O型线圈感应器使用后，发现工件上下温度不能同时加热升温不均匀，完全没有考虑两个工件温差的现象，因此，根据工件的形状又设计了U型线圈，见图2所示感应器。再次通电试验发现，工件上端基本上没有温度变化，只有下面的工件有升温的变化，正好与O型线圈感应器加热相反，也就是说，工件整体感应加热，线圈感应器与工件匹配不好，无法实现熔化钎料环的目的。钎焊温度不能达到上下工件整体均匀升温和湿润毛细化作用。U型感应器从外形上看，看似匹配理想，但看从效果来看，还是没有达到钎焊感应的温度。

2.3 O型加U型线圈串联感应器加热

通过以上O型线圈感应器和U型线圈感应器对工件分别单独感应加热的情况来看，由于工件形状不对称，尺寸厚度上存在明显差异，感应加热位置与工件散热快匹配还是相差较大，以至感应加热达不到感应钎焊的湿润毛细化效果，因此，在原来的线圈基础上，我们把O型线圈与U型线圈串联使用，见图4所示。

从整体上考虑工件与线圈的形状匹配效果出发，改变工件为上下同时感应加热的性质，使工件感应充分实现集肤效应和圆环效应，降低两工件之间的温差，达到升温加热均衡。从试验效果来看，使线圈感应对工件形成了两个线圈能同时上下感应加热升温，为对称加热方式达到工件均衡同时升温加热缩小二工件之间温差起到了关键性的作用，熔化钎料形成润湿毛细化作用收到明显效果。使焊缝表面圆满光滑，无夹渣，气孔等缺陷，如图5所示。


图5 高频感应钎焊试件外观形貌

对两种焊接方法的工件成型后的外观进行质量检查对比，高频钎焊焊缝（见图5）成形美观，圆滑无气孔、夹渣等明显缺陷，煤油渗透24小时实验无泄露现象，工件表面氧化小与火焰气焊相比（见图6），劳动强度低，无污染环境，生产效率高。而火焰气焊金属表面火焰加热温度高氧化严重，劳动强度大，污染环境，焊接加热时间长。


图6 火焰气焊试件外观形貌

3 结论

本文对铜质异径不对称的工件进行高频感应钎焊的试验探讨，利用高频感应的特点改变感应器单独对局部加热方式，采用两个线圈串联形式感应器，对工件实施对称升温而设计感应器，得到了较好的效果。从实验意义上来说，对于一些复杂不对称的工件可以采取类似的做法。

利用材质的特性导热快（铜），合理选择感应加热电源及加热方式。在非导磁性材质（铜）高频感应钎焊时，充分利用感应器对工件匹配质量使不对称结构工件也能达到感应均匀加热，润湿毛细化效果，达到控制焊缝质量。感应器对工件的形状，匹配质量及工件的加热部分的形状，尺寸和位置要求准确无误，否则将严重影响感应器加热的效果。

参考文献
[1] 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.
[2] 孙景荣. 实用焊工手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.
[3] 潘际銮. 焊接手册[M]. 北京:机械工业出版社, 1993.
[4] 方洪渊. 简明钎焊工手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2000.

作者简介：涂学荣 男 高级工程师从事一，二类压力容器二十余年，目前研究方向高频感应钎焊。

2011
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板翅式换热器的研究与应用进展

凌祥　涂善东　陆卫权

　　摘要　

简述了板翅式换热器在设计理论如表面特性及选择、传热和流动分析、计算机辅助工程、结构设计等方面的研究成果。分析讨论了板翅式换热器在制造工艺如真空钎焊工艺、高热流密度的换热表面技术、钛和不锈钢换热器的钎焊工艺等方面的新进展和存在的问题。指出板翅式换热器的技术发展趋势是：耐高压、高温和耐腐蚀新材料的应用，扩散熔合焊和超塑性成型等先进制造工艺的研究，多相流传热机理及基于CFD技术的设计新方法的研究等。
　　主题词　板翅式换热器　研制　应用　发展趋势

　　早在1930年英国马尔斯顿*艾克歇尔瑟公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热用板翅式换热器。经过70年的发展，目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的的换热设备，已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用，并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。近年来，板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。

板翅式换热器设计理论

　　1.表面特性及选择
　　板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成的。美国斯坦福大学的Kays和London等人对紧凑表面进行了较系统的实验研究，总结出40多种翅片形状的板翅式换热器传热和阻力关联式。Shah对平直翅片的研究表明，宽高比较大的矩形通道流道品质（j/f）优于三角形（正弦形）通道。Joshi和Webb对锯齿翅片的表面特性进行了研究，提出了一系列关联式。锯齿翅片传热特性随切开长度而变化［1］，切开长度越短，传热性能越好，但压降也增加。Goldstein 和Sparrow应用传质模拟方法对波纹翅片进行了试验研究，发现对低Re层流(25%, Re=1000)，波纹翅片引起传热强化很少，而对低Re湍流具有明显的强化效果（200%，Re=600～800）。多孔翅片亦属于高效翅片，Shah通过多种多孔翅片表面传热、压降和流动特性试验，提出了一些可供设计参考的结论。
　　总之，可供使用的多种翅形j因子和f因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限。因此，应用计算流体力学（Computational fluid dynamics，简称CFD）、流动可视化技术和模拟测试来研究翅片流动和传热的本质，并建立j因子和f因子数据库将是今后十分重要的工作。
　　表面选择一般可从定性分析和定量分析来考虑，定量分析方法基本上可分为筛法和性能比较法，性能比较法适用于管翅式换热器，而筛法则用于板翅式换热器。筛法每次只考虑流体一侧，在给定压降时，根据最小迎风面和最小换热面积（或体积）来选择最佳表面。
　　2.传热和流动分析
　　板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法（ε-Ntu），该法为便于手工计算，作了一些理想化的假设，这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响，因此必须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值，在冷端温降不是很大的情况下，可用平均温度计算物性［2］。但若流体物性变化很大，则应将换热器按能量平衡分成几部分，假定各部分内的物性为一常数。温度对j和f的影响有时也需考虑，如 j和f试验数据通常在常温下获得，用于高温下时就要修正，文献［2］应用物性比法计入了流体物性随温度变化对j或Ntu和f的影响。
　　物流不均匀会引起板翅式换热器性能显著下降，特别是Ntu大的板翅式换热器尤甚。简单的总管分配不均匀性分析可通过解析方法完成，如两股流板翅式换热器［3］。复杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程，如Chiou研究了两种情况下流量分配不均匀性对单程错流换热器热工性能的影响。对通道间物流分配不均匀的研究，London采用单通道模型对低Re层流状态下的情况进行了理论分析。后来又将该理论分析推广于N通道模型分析［4］。Weimer等就不均匀流体分配对多股流多通道换热器性能影响进行了研究。对于两相流问题，不均匀分配问题显得尤为突出［5～7］，物流的不均匀分配使得板翅式换热器严重偏离设计工况。综观国内外学者的研究，较多是定性的，离设计应用仍有很大距离，因此物流不均匀性问题仍是中外学者研究的一个重要方向。
　　多股流板翅式换热器目前研究的重点在通道分配及通道排列问题上，对于这方面的研究还不充分，从来没有形成一个较为一致的原则来指导设计通道分配及通道排列。因此，对多股流换热的物理模型和计算方法等还有待于进一步研究。
　　板翅式换热器表面可以在沸腾与冷凝的工况下提供很大的换热系数，但相对于单相流的传热和流动，两相流传热机理研究还很不够，目前公开发表的关于板翅式表面在相变和两相流方面的文献还较多局限于空分设备领域中［8，9］。由于板翅式换热器中沸腾和冷凝的性能数据非常有限，因此还无法提供用于设计的通用综合关系式，也不能提供对圆管公式的修正方法。
　　从上面评述的几个问题不难看出，板翅式换热器内流体流动与传热规律是十分复杂的，仅掌握经验关联式并不能最终达到开发新的传热表面和精确设计的目的。解决上述问题，完全通过实验研究虽然可行，但费用高，周期长。因此，近年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究，提出通过“数值试验”——计算流体力学（CFD）模拟计算，来评价、选择和优化设计方案，从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量。
　　应用计算流体力学进行换热器模拟最早由Patankar在1972年提出。80年代核电厂换热设备向大型化、高参数化的发展，促进了这方面的研究，多种通用的大型计算软件，如CFD2000、PHOENICS等已经商品化，使复杂的流场分析得以实现。国外利用PHOENICS和FLOW3D等大型通用流场软件在模拟蒸汽发生器、冷却塔及电站冷凝器方面进行了一些分析工作；国内郑州工业大学［10］用PHOENICS对管壳式换热器流场进行模拟研究，也取得了阶段性成果。应用CFD研究板翅式换热器虽然还少有人问津，但笔者认为，应用CFD分析揭示板翅式换热器传热机理和进行优化设计将是今后研究的重点内容，考虑到我国板翅式换热器开发和试验经费还相对缺乏的具体情况，CFD的应用研究更具有特别重要意义。
　　3.计算机辅助工程（CAE）
　　由于板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分困难，手算过程十分费时且易出现人为的误差，另外还必须忽略许多二阶量的影响以便简化计算，因此板翅式换热器经常弃置不用，工程技术人员通常选用低效但相对简单的管壳式换热器来取代［11］。近年来随着计算机辅助工程技术（Computer Aided Engineering）的发展，应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬态进行性能模拟已成为可能，这将解决多年来一直困扰设计人员的手工热力计算的难题。
　　Shah首先对紧凑式换热器的计算机辅助热工计算进行了讨论。英国传热服务公司（HTFS）、美国ALTEC公司和SW公司等都曾推出专用商业软件。国内，笔者于1995年正式推出了板翅式换热器的计算机辅助设计（PFECAD）软件包［12］，部分厂家的使用结果表明，可提高设计效率8～10倍，大大减少了过去设计、绘图文件生成中的人为错误，使产品的设计周期大为缩短。与国外软件相比，除了热工计算外，国内还具有物性计算模块和用C语言开发的基于AutoCAD系统计算机绘图模块。
　　一个高水平的计算机辅助设计程序还应兼备优化程序，Shah等详细讨论了各种优化技术，并阐述了实现换热器设计优化的方法。到目前为止，即使有了计算机程序，换热器设计仍然是一门艺术，当不能满足所有约束条件时，或当发现优化解对有关变量的敏感性时，设计者必须依靠经验作出决策，因此今后还必须加强人工智能化的优化技术研究。
　　4.结构设计
　　交变载荷下工作的板翅式换热器，会因疲劳而使隔板产生裂纹，发生泄漏，因此疲劳破坏在结构设计中必须考虑。目前板翅式换热器动态特性的研究仍是空白，文献［13］获得的一些定性结论是：控制翅片与翅片、封条间叠装间隙，在相邻流道间采用翅片断面错列接缝等措施来防止隔板因疲劳产生裂纹，同时将承受交变载荷的流道不布置在最外侧或在最外侧布置1～2层以改善其受力状况。另外，还采取将封头和板束焊接加衬圈、开焊接坡口和焊加强板等措施来减小压力，提高产品制造质量和使用寿命。

板翅式换热器制造工艺进展

　　1.真空钎焊工艺
　　真空钎焊工艺已被世界各国的板翅式换热器生产厂家所接受，并已取代了原来的盐浴浸渍老工艺。目前世界上真空钎焊设备的主要供应商是英国康萨克（CONSARC）公司、日本真空技术株式会社、美国伊普森（IPSEN）公司以及国内的兰州真空设备厂，他们的产品性能比较可参见文献［13，14］。我国板翅式换热器真空钎焊工艺应用时间虽短，但发展迅速［13，15］，目前应用大型真空钎焊炉生产的最大工件尺寸已达1200mm×1200mm×6000mm，最高设计压力可达8.0MPa，流体股数最多达12股。
　　2.高热流密度的换热表面技术
　　目前对于高热流密度的换热表面的开发研究也很活跃，美国空气研究公司报道，已开发出一种错位片条翅片，其翅片密度为1451片/m，传热面积率β高达5650m2/m3。美国3M公司已有紧密度为4000～8600片/m的翅片，水力直径Dh仅为0.1mm，并曾在试验中获得2MW/m2的热流密度。德国卡而斯鲁厄核研究中心与梅塞德斯密特-布尔柯-布洛姆（MBB）公司也宣称开发出β=15000 m2/m3的微型换热器。
　　3.钛和不锈钢板翅式换热器钎焊工艺
　　据国外文献报道，现在不锈钢板翅式换热器产品的耐温和耐压极限已达到850℃及14.0MPa。不锈钢板翅式换热器最常用的钎料［16］是镍基钎料，其次是铜基、银基和锰基钎料，其中只有采用镍基钎料才能使产品既耐高温又耐腐蚀。采用真空钎焊的不锈钢主要是奥氏体［17］、铁素体和马氏体［18］不锈钢。目前镍基钎料钎焊不锈钢的工艺还不成熟，特别是大型不锈钢板翅式换热器，还有许多问题需要解决，如不锈钢热膨胀系数大，导热系数低，容易因热应力产生裂纹，易产生脆性极大的σ相和发生晶间贫铬等。另外，不锈钢板翅式换热器对钎焊前的处理要求非常高，对表面异物敏感性高。钛板翅式换热器的制造工艺研究国内刚刚起步，苏云海曾应用银基钎料对钛合金板翅式换热器的钎焊工艺进行了探索［19］。

板翅式换热器的技术发展趋势

　　当前，国际上对板翅式换热器的研究正在不断深入，主要集中在以下几个方面。
　　1.耐高压、高温和耐腐蚀的新型板翅式换热器开发
　　虽然板翅式换热器的优点已得到公认，但人们始终没有放弃对适应性更广，特别是能耐更高压力、耐高温和耐腐蚀、不易结垢的新型板翅式换热器的追求。日本仲摩信人的试验［20］表明，用铝碳钎维复合材料制成板翅式换热器可以承受35MPa的压力。南京化工大学开发的石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯板翅式换热器，具有极强的抗腐蚀和抗结垢能力，可以用于石油化工领域的许多恶劣工况条件下。由特殊陶瓷材料制成的板翅式换热器，可耐1000℃以上高温。由于航天、电子及超导等工业的要求，各种微型板翅式换热器的研制与改进正方兴未艾［21］。
　　2.真空钎焊工艺的推广和改进以及新制造工艺的研究
　　铝板翅式换热器的真空钎焊工艺已经成熟，但钛和不锈钢板翅式换热器真空钎焊工艺还有待进一步完善和改进。采用钎焊技术制造板翅式换热器，很难大幅度提高其耐压能力。扩散熔合焊为大幅度提高板翅式换热器的耐压能力提供新的途径。英国洛尔斯-罗伊思公司采用超塑性成型和扩散熔合的技术生产出一种可在35MPa下运行的钛板翅式换热器。英国马尔斯顿公司研究应用扩散焊法（激光焊和电子束焊）生产不锈钢板翅式换热器。
　　3.基于CFD技术的传热、流动及防结垢研究
　　关于传热、流动及防结垢的研究主要有以下几个方面。
　　(1)传热、压降系数及有关关联式　目前这些系数和关联式还不齐备，有许多工业上用的传热表面的数据不全或缺少可用的关联式，对于传热单元数NTU较大的情况，试验技术有较大的误差，有待于改进，翅片与隔板联接的热阻及其对整个传热过程的影响也需要更进一步研究。
　　(2)传热机理和各种传热表面的数值解　由于仅仅掌握经验关系式并不能最终解决开发新的传热表面、强化传热和精确设计等问题，研究工作者越来越多地把精力投入到应用CFD技术求传热与流动的数值解方面，以期建立模拟传热和流动的数值模型，并通过计算来预测新型表面的传热及阻力系数及其关系。
　　(3)伴有相变及两相流的传热及流动［22］　相对于单相流的传热与流动，这一方面的研究显得很薄弱，今后仍是重点研究的一个领域。
　　(4)防结垢问题　气侧结垢一般并不十分严重，但是传热面紧凑程度越高，其水力直径Dh越小，垢层对流道截面减小的影响就越大，因而这一问题仍然是工业界最为关心的问题之一。
　　(5)其它问题　物性变化的影响、表面选择方法、如何从结构上保证流体均布、流道如何合理布置以及纵向导热影响等多方面的问题在设计中一直未彻底解决，仍然有待进一步研究。
　　4.计算机辅助工程（CAE）技术的应用
　　CAE研究将集中在计算机优化设计、计算机参数化绘图、计算机快速创型和快速报价系统等几方面。
　　5.应用领域的进一步拓宽
　　在化学工业中，利用板翅式换热器作为反应器的研究已进行多年，使板翅式换热器除了起换热作用外，还同时完成其它功能如传热反应等一直是工业界关心的问题。在核能、宇航、超导等尖端技术中应用板翅式换热器还遇到不少问题。随着板翅式换热器技术的进一步发展与完善，可以预期其应用领域将不断拓宽。

(本文编辑　李学富)

江苏省教委自然科学研究项目(99L-KJB460005).
凌祥,副教授,生于1967年,1988年于南京化工学院化工机械专业,1991年于该院获硕士学位,现为该院在职博士生,主要从事压力容器和管道结构完整性及高效石油化工 设备的教学、研究与开发.任过程装备计算机辅助工程中心副主任.地址:(210009)江苏省南京市.电话:(025)3316755-3122.
E-mail:xling@httd.njuct.edu.cn或xling88@990.net.
凌祥（南京化工大学机械工程学院）
涂善东（南京化工大学机械工程学院）
陆卫权（江苏南华过程装备公司）

参　考　文　献

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2011
06/01
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焊机技术文章
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重型机械金属结构行业焊接技术现状和发展趋势

太原重型机械（集团）公司 陈清阳 赵 钰

【摘要】：阐述了我国重型机械金属结构行业焊接技术的现状，以及与发达国家之间的差距，展望了21世纪我国重型机械金属结构焊接技术的发展趋势。

一. 概述

近年来，随着国民经济的飞速发展，我国重型机械金属结构制造业取得了令人瞩目的成就。我国不仅是世界钢材消耗大国，也是一个世界机械制造业大国。据国际钢铁协会（IISI）统计，2004年世界钢产量首次达到10.3亿t，用钢量为9.35亿t。我国2004年钢产量为2.72亿t，约占全球钢产量的26%，全年用钢量为3.12亿t，占全球钢产量的33%，其中1.6亿t应用于焊接结构，约占用钢量的51%左右。而欧美和原苏联焊接结构用钢占其用钢量的60%左右，日本超过70%。由此可见，我们与工业发达国家相比还有一定差距。根据有关调查，在1.6亿t焊接结构用钢中，机械制造业金属结构用钢量约占用钢量的45%，钢铁工业的快速发展，给我国焊接行业，尤其是重型机械金属结构行业焊接技术的可持续发展创造了很大的发展空间。进入21世纪，我国重型机械行业面临新的挑战和机遇，应彻底改善耗能大、耗材高、效率低、工作环境差和自动化程度低的传统焊接产业，促进焊接技术与产业向着优质、高效、节能、低成本、环境友好方面和自动化方向发展，努力将相对人力资源优势转化为科技竞争优势，促进企业进步和产业升级。

二. 行业焊接技术现状

1. 国内外概况

焊接技术是重型机械金属结构设备制造与安装施工的关键工艺技术之一，在工业发达国家重型机械制造业中得到广泛应用。发展至今，我国的重型机械焊接技术与美国（如P&H公司等）、德国（如西马克公司等）、法国（如奥钢联公司等）、日本（如三菱重工、小松株式会社等）等发达国家间存在很大的差距。目前，这些国家及地区采用焊接结构件的比例日趋增大，其中自动化、机械化的气体保护焊及多丝埋弧焊等高效焊接工艺方法消耗的焊接金属材料约占全部焊材总量的50~70%，其焊接生产采用机械化、自动化、高效的焊接工艺方法，带来焊接生产效率高、焊接质量好的效果，国际竞争力强。

在我国重型机械金属结构行业，气体保护焊、双丝埋弧自动焊、龙门焊机、电渣焊等高效焊接工艺方法在大型金属结构制造企业中的应用日趋增多，高效焊接方法完成的金属结构件已占其总重量的50~80%左右，在中小型企业中，CO2气体保护实芯焊丝、埋弧自动焊等方法也得到一定应用。但总体来说，我国重型机械制造中劳动工资低廉的优势正在被生产效率低下、质量成本高昂的巨大差距所抵消，这应引起我们的足够重视。

2. 产品情况

重型机械金属结构行业主要为国家大型骨干企业和国家重点工程项目提供重型机械装备。行业制造骨干企业如第一重型机械集团有限公司、第二重型机械集团有限公司、太原重型机械集团有限公司、大连重工·起重机集团有限公司、中信重型机械有限公司、郑州煤机厂、北京煤机厂、上海振华港口机械公司、齐齐哈尔第二机床厂等，主要制造大型桥式和门式起重机、4~35m3机械式挖掘机、1~6m3液压挖掘机、大型加压气化炉、加氢反应器、大型舞台设备、航天发射塔架、焦炉机械设备、螺旋焊管设备以及大型减速机、提升机、堆取料机、轧钢锻压设备、氧气瓶压机、水泥设备、粉磨、破碎机械、水利、工程机械、液压支柱、港口机械及环保设备等大型设备。

3. 重型机械金属结构行业用钢

长期以来，我国重型机械金属结构行业大多采用国内外成熟钢种，如Q235系列碳素钢，Q345、Q390系列低合金钢，20g、16MnR压力容器用钢等。近年来，随着国家重点工程的发展和产品结构的调整，焊接用钢的种类品种大幅度提高。常用钢板包括：Q235、Q345、Q390、20、35、45、15Mo3、15CrMo、13MnNiMoNbR、Wel-ten80C、A633D、16MnR、20g、15MnVR等；常用不锈钢板有：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr13、2Cr13、3Cr13等；常用铝板有硬铝及铝合金板等；常用锻件有25、35、45、40Cr、42CrMo、40CrNiMo、40CrNi2Mo、20MnMo、42CrMnMo、34CrNi3Mo等。板厚一般在1~300mm之间。

随着钢材种类和品种的不断增多，焊接件的年产量大幅度提高。据不完全统计，2005年齐齐哈尔第二机床厂焊接件年产量约为1万吨；第二重型机械集团有限公司约为3万吨；太原重型机械集团有限公司为约5万吨；中信重型机械有限公司突破5万吨；上海振华港口机械公司焊接件年产量高达20万吨左右。焊接结构件以其独特的优势，已取代了铆接结构，替代了铸造结构，成为重型机械行业金属结构设备的主导结构。

4. 焊接工艺方法

重型机械金属结构行业开始起步一般采用手工电弧焊工艺方法。20世纪50年代开始使用埋弧自动焊和电渣焊工艺方法，主要用于一些厚板对接、工型梁及筒体焊接。近年来，一些大型企业通过技术改造，相继应用双丝埋弧焊、双丝窄间隙埋弧自动焊、龙门式焊机、轧辊埋弧堆焊等先进的焊接工艺方法，以满足产品制造技术要求。

随着我国大型骨干企业焊接技术改造，气体保护焊工艺方法在重型机械金属结构行业得到广泛的应用。可以说气体保护焊工艺方法伴随着重型机械金属结构行业焊接技术的发展而壮大。在我国八十年代后期，为满足国家重点工程大型机械技术装备制造要求，引进国外先进的焊接技术和设备，对大型骨干重型机械企业进行技术改造，我国大型重型机械金属结构制造企业通过与美国、德国、日本等国家的跨国公司合作制造大型金属结构，批量购买国外气体保护焊设备、焊材等器材，并进行焊工培训。我国借助国外气体保护焊成熟技术和生产工艺，形成了我国大型金属结构行业以气体保护焊为主的生产能力，从根本上改变了重型机械金属结构行业的制造技术水平，推动了我国气体保护焊技术的发展。90年代初至今的近十几年时间，以第一届“全国CO2焊接技术推广应用交流会”为契机，我国又分别于2001年和2004年连续举行两届全国CO2焊接技术推广应用交流会，气体保护焊技术在重型机械金属结构行业中推广应用工作持续、稳定、蓬勃发展，气体保护焊技术开发应用能力增强，应用工作从大型机械企业推广到中小企业，而大型重型机械企业的气体保护焊应用也从合作制造产品的生产，推广到普通产品的生产中。气体保护焊设备、焊材、辅件基本实现国内供给，逐渐形成了我国气体保护焊产业。

5. 焊接设备

重型机械金属结构行业采用焊接设备一般要求具有以下性能：电源暂载率高，大电流，工作时间长，施焊位置与电源之间的距离长，采用遥控调节规范参数，送丝机构及二次电缆重量轻，利于移动，可移动部分的联结必须牢固可靠等。

5.1 手工电弧焊及埋弧自动焊设备

近年来，随着企业产品结构的调整和技术改造，我国重型机械金属结构行业焊接设备有一定进步，但与国外先进工业国家的同行业之间还有一定差距。行业在手工电弧焊设备方面，旋转直流焊机已全部淘汰，取而代之的是硅整流弧焊机、晶闸管弧焊机、逆变焊机，还有少量多功能焊机（如美国宝国、Lincoln，德国MESSER，成都焊研威达公司，北京时代科技等厂家），手工焊机约占焊接设备总量的10%左右。埋弧焊机已由传统的MZ-1000型向体积小、额定电流大、多丝、多功能方向发展，行业埋弧自动焊机约占焊接设备总量的10~15%左右。

5.2 气体保护焊设备

目前，气体保护焊工艺方法在重型机械金属结构产品焊接中占60~80%左右，气体保护焊设备已成为该行业的关键焊接设备。气体保护焊设备已从80年代初的日本松下进口S系列焊机发展到目前以唐山松下KR系列晶闸管焊机为主的机型。额定电流350A、500A的CO2气体保护焊机，基本实现国内组装制造，其中唐山松下公司、牡丹江OTC公司、时代集团公司、江苏双良焊接设备公司等一批企业生产的焊机都具有较好的使用功能和可靠性，并成为重型机械金属结构行业主要选择的CO2气体保护焊焊机，占有一定的数量和市场份额，从根本上改变了大批量进口CO2气体保护焊设备的状况。太原重型机械集团公司80年代初成功引进日本松下S系列气保护焊设备近100台，美国米勒公司CY-650焊机12台，近年来连续进行技术改造，先后分别购买唐山松下KRⅡ500焊机80台，欧地希CPX-500焊机35台，松下WP300 TIG焊机近10台，江苏常州市良久焊接设备公司KR-500S系列气保护焊机约10台，公司气体保护焊设备达200多台，约占焊接设备总量的80%左右；第二重型机械集团公司共有各种焊接设备236台，其中CO2气体保护焊机有133台，约占其焊接设备总量的56%；大连重工?起重集团有限公司气体保护焊焊机占其焊接设备总量的80%左右。总之，气体保护焊设备已成为行业焊接生产的主力军。

随着气保焊技术应用的飞速发展，我国气保焊焊接设备制造业的发展也取得了长足的进步，至目前常用焊接设备已立足于国内生产制造并开发出许多适应市场的新品种。其中，唐山松下产业机器机器有限公司、欧地希机电有限公司、成都焊研威达自动焊接设备有限公司、常州市良久电气设备有限公司、上海沪通电焊机厂、北京时代科技股份有限公司等焊接设备生产厂家的机型，成为行业主要选择的对象，并占有一定数量和市场份额，使我国焊接设备多种类并存，构成日趋合理，不断满足焊接生产的需求。

5.3 焊接专业设备

由于重型机械金属结构行业产品为单件小批量，焊接结构件形状复杂、重量大的特点，再加上焊接专业设备设计与制造水平的关系，目前虽有一些企业使用焊接专用设备、焊接机器人工作站等，但总体规模和应用数量比较小。80年代后期，太原重型机械集团公司应用哈尔滨焊接研究所研制的HSS-2500W型双丝窄间隙埋弧焊机，解决厚壁筒体的产品焊接。该设备具有可预置焊接参数，焊接电流、电压实现闭环控制，并带有高度和横向自动跟踪传感器，对环焊缝的焊接实现自动焊接。系统配备大型焊接操作架，焊机为美国Lincoln公司IDEALARC、DC-100和美国miller公司summit ARC1000，机头上的两根焊丝一根为弯丝，一根为直丝，其焊接效率比单丝窄间隙埋弧焊提高60%，每小时熔化焊丝达8~12kg，焊接工件的最小直径为600mm，最大厚度为350mm，焊缝一次合格率达90%以上，该系统在太重公司生产中得到广泛应用；太原重型机械集团公司与哈尔滨焊接研究所合作开发大型冶金起重机主梁龙门式双头自动焊机，该设备可焊工件的最大宽度为3m，最大高度为2.5m，最大长度50m，全机总重量11吨，两个机头都装有接触式两维自动跟踪系统，明显改善长焊缝焊接的质量与自动化水平；九十年代中期为解决航天发射塔架LY12硬铝板的焊接技术，公司从瑞典EASB公司引进A10-500优化型气体保护焊设备，该焊接系统配套有LAR500可控硅电源，MEH44SYNERGIC双驱动单板机控制送丝系统，随机贮存着48套已优化的焊接工艺参数，可供用户优选，采用该焊接设备系统，施焊LY12硬铝30多吨，其焊接质量满足航天发射塔架技术要求；此外还有大连重工·起重集团有限公司轧辊堆焊专用设备等；中信重型机械有限公司挤压辊埋弧自动堆焊等专用设备。由此可见，焊接专业设备在重型机械金属结构行业生产中发挥着其它焊接设备不可替代的作用。

6. 切割技术

近年来，重型机械金属结构行业焊接件比例逐年上升，钢板切割量大幅度增加，而切割质量的好坏将影响后继装配及焊接工序效率的提高和质量保证。全面提高切割质量、控制切割变形、提高生产效率及材料利用率已成为切割技术的关键所在。目前行业切割技术已由以前的手工、半自动氧乙炔切割全面发展为以氧丙烷大型数控切割为主，手工或半自动切割为辅的可喜局面，大型数控切割设备也基本实现国内组装制造供给。其中，昆山梅塞尔切割焊接有限公司、大连华锐重工数控设备有限公司、上海华威焊割机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、哈尔滨电机有限责任公司、济南二机床等一批企业生产的主要机型，都具有一定的使用功能和可靠性，并陆续成为行业主要选择的大型数控切割设备机型，从而逐步形成我国大型数控切割设备技术产业。现在太原重型机械集团有限公司共拥有大型梅塞尔数控切割机6台和哈电机数控切割机1台；中信重型机械公司拥有大型数控切割设备7台。

7. 焊接材料

7.1 我国焊接材料生产概况

我国已成为世界第一焊接材料生产大国，但不是焊材强国。目前，国内电焊条生产企业近300家，生产能力约200万吨，2004年电焊条产量160万吨，约占焊材总量的71%。全国CO2实芯焊丝生产厂家有200多家，从1983年至今，先后从国外引进各种焊丝生产设备50多套，年生产能力近50万吨左右，2004年CO2实芯焊丝产量35万吨，占焊材总量的16%。目前国内共有药芯焊丝生产企业29家，截止2002年底，已先后有17家企业从国外引进24条生产线，年生产能力约10万吨，2004年药芯焊丝产量约5万吨，占焊材总量的2%左右。一般国内生产CO2实芯焊丝的企业都生产埋弧焊丝，所占焊材市场的份额基本稳定在10~13%之间。2004年埋弧焊丝的产量为25万吨，占焊材总量的11%。我国焊接材料产业经过几代焊接工作者的努力，使焊接材料从无到有，焊材品种从少至多，取得了长足的进步和发展，但从焊材结构、品种、质量，与发达国家和地区相比，还有一定差距。

7.2 行业焊接材料的应用

7.2.1 焊条

80年代前，重型机械金属结构行业常用的焊接方法为手工电弧焊和埋弧自动焊。焊接材料结构以电焊条为主，埋弧焊丝为辅。随着气体保护焊技术的发展及推广应用，目前在行业手工焊条一般用于装配点焊、堆焊及替代气体保护焊丝品种补缺等，整个行业电焊条用量占其焊接材料总量的5~10%。大连重工?起重集团有限公司电焊条用量占其焊材总量的10%左右，太原重型机械（集团）有限公司电焊条使用比例由10%逐年下降到目前的5%以下。随着气体保护焊技术的发展及焊丝品种的增加，电焊条使用比例将逐年减少，使我国焊接材料结构逐步趋于合理，缩小与国外工业发达国家的差距。

7.2.2 埋弧焊丝

行业埋弧自动焊丝用量约占其焊材总量的10~20%左右。其中在起重设备、大型加压气化炉等产品上占20%左右，轧钢、锻压、挖掘等设备约占10~15%左右。常用的埋弧焊丝有：H08A、H08MnA、H08Mn2SiA、H10Mn2、H08CrMoA、H08Mn2MoA、1Cr13、2Cr13、3Cr13等，焊丝直径一般在ф2.5~ф5.0mm。

7.2.3 气保护实芯焊丝

气体保护实芯焊丝伴随着我国重型机械金属结构行业焊接技术的发展而壮大。80年代初至80年代中期，我国针对当时A3、16Mn等主要结构钢生产的490Mpa级仿前苏联的H08Mn2SiA气体保护实芯焊丝，引进技术和设备及软件的基础上，已实现部分自给，但焊丝质量不稳定，处于供不应求的局面。在80年代后期，我国对大型重型机械企业进行技术改造，引进国外先进焊接技术和设备，积极推广气体保护焊，但大部分气体保护焊焊丝主要依靠从美国（ER50-6等）、日本（KC50、MG-50等）、德国（K-52等）、荷兰（PZ6000等）等发达国家进口。发展至今，我国气体保护焊实芯焊丝已形成一定生产规模，产量和质量也有很大的提高。

（1）针对Q235、Q345及Q390等结构钢的气体保护焊实芯焊丝，已由传统的ER49-1发展到国际上通用的ER50-6焊丝，常用的规格有ф1.0mm、ф1.2mm、ф1.6mm三种,除满足国内需求外，还部分产品实现出口。目前，国内形成一定生产规模、质量相对稳定的生产厂家有锦泰金属工业有限公司、大西洋焊丝制品有限公司、宜昌猴王焊丝有限公司、金狮焊接材料有限公司、常州华通焊丝有限公司、德州聚力焊接材料有限公司、鄂州南塔特种焊接材料有限公司、哈尔滨威尔焊接有限公司等。

（2）国内600MPa、700MPa级高强钢、不锈钢、铝及铝合金实芯焊丝的几个生产企业质量较稳定，如：锦泰金属工业有限公司JM-60、JM-100高强钢焊丝等；金狮焊接材料有限公司以及猴王焊接材料有限公司JS-60（C）、JS-60（A）、JS-70高强钢焊丝等；金狮焊接材料有限公司、常州华通焊丝有限公司的系列不锈钢焊丝等；鄂州南塔特种焊接材料有限公司、常州华通焊丝有限公司的系列铝及铝合金实芯焊丝等。

（3）800MPa级高强钢焊丝、耐热钢焊丝及耐候钢焊丝的生产厂家较少，如：金狮焊接材料有限公司、哈尔滨威尔焊接有限公司、大连长城焊丝有限公司等。

（4）富氩混合气体保护碳钢焊丝生产企业不多，如：金狮焊接材料有限公司、大连长城焊丝有限公司生产的ER50-3B等。

（5）对于800MPa级以上高强钢、高合金钢等特殊钢种实芯焊丝仍主要依靠进口。

目前行业气体保护焊实芯焊丝用量占焊材总量的60~80%左右，如第二重型机械集团有限公司气体保护焊实芯焊丝年用量为900吨，中信重型机械公司年用量为300吨左右，大连重工·起重集团有限公司气体保护焊实芯焊丝占焊材用量的60%，太原重型机械（集团）公司占80%左右，焊丝年用量达500吨左右。气体保护焊实芯焊丝的普及应用，显著提高了行业的焊接工艺水平，有效降低了制造成本，推动了我国焊接技术的发展。

7.2.4 药芯焊丝

药芯焊丝符合焊接生产向高效、优质和低成本方向发展的趋势。工业发达国家重型机械金属结构行业普遍应用。如德国德马克公司生产的CC1000-3000t履带式起重机，采用瑞士奥力康公司生产的Fluxofil41和Fluxofil42(Φ1.4mm)无缝药芯焊丝，焊接STE460和STE690钢材。美国P&H公司生产的PH2300XP（16.8m3）、PH2800XP（23m3）挖掘机，其中起重臂斗杆、底架梁和齿轮等主要受力与传动件，使用美国哈伯特和林肯公司的E70T-5 Φ2.4mm有缝药芯焊丝，其它部位则采用E70T-1 Φ2.4mm药芯焊丝。斗前与斗后采用E309LT-3 Φ2.4mm不锈钢药芯焊丝。而我国重型机械金属结构行业，因药芯焊丝的品种、质量及经济性的原因，行业除合作产品和少量特殊焊丝外，药芯焊丝用量较少。据统计，药芯焊丝用量仅占焊材使用量的2%左右。近十年来，我国药芯焊丝的研究、开发及推广应用工作发展较快，药芯焊丝已进入基本稳定的发展时期，目前国内形成一定生产规模，质量相对稳定的厂家有：三英焊业有限责任公司（如SQJ501 Φ1.6mm等）、北京宝钢焊业有限责任公司（如PK-YJ507Ni、PK-YD212 Φ1.6mm等）、北京钢廉焊接材料有限公司（如GL-YJ502、GL-YJ507、GL-YJ502Ni Φ1.2mm、Φ1.6mm等）、安泰科技股份有限公司、北京工业大学（如2Cr13、YJ507 Φ1.6mm等）、冶金建筑研究总院钢研所硬面堆焊中心的专用堆焊药芯焊丝等。我国药芯焊丝在品种、质量（尤其是焊接工艺性能方面）、价格等方面与国外同类产品相比差距较大，远不能满足焊接生产发展要求。

8. 焊接工装

焊接工装是提高焊接效率和质量、降低劳动强度的有效工具，企业在没有进入自动化焊接阶段时，应大力推广应用变位器、操作架和翻转台等工装。变位器可使工件上的焊缝处于最理想的位置进行焊接。我国有焊接变位器约750台，84%是国产的。重型机械金属结构行业，由于工件形状复杂、重量大、单件小批量，变位机在行业中应用还不普遍。近年来，行业中的一些企业已开始重视这一问题，并配备了许多大型焊接变位器和操作架。如中信重型机械公司、大连重工·起重集团有限公司、太原重型机械集团公司等。太原重型机械集团公司现有德国进口160t、50t、5t、3t焊接变位机各一台，一般应用于筒体、齿轮等工件的焊接。应用焊接变位机、操作架等焊接工装有效地解决了生产效率、焊接质量和劳动强度的问题。

三. 行业焊接技术发展趋势

进入21世纪，随着国家冶金、矿山、起重、锻压、焦炉、塔架等开发投资力度的增加，给我国重型机械金属行业带来了新的发展机遇。尤其是我国加入WTO以后，重型机械行业面临着更激烈的竞争。我们必须清醒地认识到，焊接技术仍然严重制约着重型机械行业的产量、质量、成本和生产周期。结合我国国情，重型机械金属结构行业的发展方向应是努力提高焊接设备和工艺技术水平，平衡发展焊接相关技术，结合新产品开发及新项目立项，研究应用焊接新工艺、新设备、新材料和新技术，进一步提高焊接生产效率和质量，降低成本，缩小与工业发达国家的差距，推动我国焊接技术的不断发展。

1. 焊接工艺方法

1.1 手工焊与埋弧自动焊

为提高行业焊接效率，应用高效焊接工艺方法已成为行业的共识。首先，随着气保焊焊丝品种的增多，应逐步降低手工焊工艺方法比例。行业单丝埋弧焊技术已基本成熟，一般双丝埋弧焊比单丝埋弧焊提高效率30%，双丝窄间隙焊比单丝焊提高效率60%，焊丝熔敷金属量最高可达12kg/h。因此今后应重点推广应用多丝埋弧焊和窄间隙埋弧焊工艺方法，研制开发应用手工埋弧焊技术。在应用埋弧堆焊的基础上，进一步开发应用带极堆焊，提高生产效率。

1.2 气体保护焊

随着气体保护焊技术和焊丝品种的发展，进一步提高气体保护焊方法的应用比例，使气体保护焊方法应用比例达到70~80%。随着气保焊药芯焊丝技术的发展，重点推广应用行业薄弱环节——药芯焊丝气体保护焊技术，尤其是在行业产品主要受力件（如电铲起重臂、斗杆等部件）、传动件（大型调质钢焊接齿轮等零件）、堆焊（如大型柱塞零件堆焊等）、野外施工等领域，药芯焊丝气体保护焊技术有着不可替代的作用。争取在近几年，使行业药芯焊丝气体保护焊有一个较快的发展，推动我国药芯焊丝气体保护焊技术的发展，缩小与国外的差距。

2. 焊接设备

随着产品结构的不断调整和焊接技术的飞速发展，行业焊接设备应向以下方面发展。

2.1 随着气体保护焊技术的不断发展，手工电弧焊设备所占比例将逐步下降。行业应大力推广应用高组合化、多功能逆变焊机；推广高速气体保护焊接技术的应用。

2.2 埋弧自动焊设备向着体积小、重量轻、多丝、多功能方向发展。

2.3 在继续使用晶闸管气体保护焊机的基础上努力推广应用小型化、数字化逆变气体保护焊机（如北京时代科技股份有限公司、山东山大奥太电气有限公司等），以提高控制系统干扰性、控制飞溅，从而提高焊机的焊接精度、可靠性和稳定性，实现焊接参数的优化和最佳匹配，保证焊接质量。

2.4 重点研制开发国产药芯焊丝、铝及铝合金焊丝专用设备（如美国米勒公司CY-650双电机驱动、单板机控制送丝系统焊机，瑞典ESAB公司A10-500双驱动单板机控制、铝焊丝焊接设备），促进行业药芯焊丝的应用与发展。

2.5 应加快厚壁筒体双丝窄间隙埋弧焊、起重机主梁龙门式双头自动焊、大型轧辊挤压辊埋弧自动堆焊等成套专业焊接设备技术的推广应用，不断提高行业的焊接机械化、自动化水平。

2.6 面对能源工程的发展，在矿山机械领域应加大液压支柱等产品弧焊机器人工作站的开发与应用。

3. 焊接工装

在焊接工装方面，普及推广应用焊接变位机、操作架和翻转台等工装，针对行业产品结构特点，研制组合式工装，根据产品不同形状进行组合，使零部件的焊缝处于最佳焊接位置，以降低工人劳动强度，提高生产效率，保证焊接质量。

4.切割技术

数控切割机具有功能全、自动化程度高、可配置多个割炬同时工作、有效切割时间长、生产效率高、采用全自动编程套料程序、材料利用率高、加工精度高、切割质量好等特点，今后在行业中要继续推广应用。尤其要着重推广普及氧-丙烷切割技术。目前，国外生产的大型数控切割机质量好、精度高、功能全，但价格偏高。国内生产的数控切割机在切割精度、割炬质量、长时间连续工作稳定性及快速切割功能等方面仍需不断改进提高，以满足焊接生产要求，缩小与国外的差距。另外，随着市场对产品质量要求的不断提高，切割技术应向数控精细化切割方面发展。

5.焊接材料

5.1 焊接结构比例及品种

目前，我国焊接材料产量约占世界焊材总产量的40%左右。虽然我们已经成为世界第一焊接材料生产大国，但从焊接材料结构、质量、品种等方面与欧、美、日甚至韩国等工业发达国家和地区比较还有一定差距。由表可见，我国大型重型机械金属结构行业，焊接材料结构比例除药芯焊丝外，基本趋于合理，但气体保护焊实芯和药芯焊丝品种单一，还不能满足行业焊接生产需求，有部分焊丝仍需要进口，严重地制约着焊接生产的发展，这应引起我们的足够重视。

5.2 埋弧焊丝

5.2.1 埋弧焊丝在行业焊接生产中普及应用，所占焊材比例有望控制在10~15%左右，基本达到国外水平，但焊丝品种缺乏。今后我国埋弧焊丝和焊剂应向高效率、多品种、高韧性方向发展。

5.2.2 研制开发我国耐热钢、低合金高强钢等埋弧焊药芯焊丝，不断改进提高堆焊系列药芯焊丝的质量水平，更好地满足焊接生产要求。

5.3 气体保护焊实芯焊丝

我国气体保护焊实芯焊丝应向低飞溅、高性能、多品种、环保型方向发展。行业气体保护焊实芯焊丝应用趋势重点应表现在：

5.3.1 在低碳钢焊接时应优选ER50-6焊丝，淘汰传统的仿前苏联焊丝ER49-1，使我国碳钢焊丝结构趋于合理。

5.3.2 研究开发防锈（如美国ER70S-6焊丝等）、富氩混合气（如日本YGW15焊丝等）、适用于大规范（如日本YGW11、锦泰JM-58等焊丝）碳钢气体保护焊实芯焊丝。

5.3.3 应大力发展推广700MPa、800MPa高强度焊丝、高合金钢焊丝、耐热钢及高韧性钢焊丝等，以满足焊接生产发展要求。

5.3.4 加强非镀铜焊丝制造技术研究及推广应用。为用户提供优质的非镀铜焊丝，并逐渐取代传统的镀铜焊丝，以发展我国的“节能、环保”焊接。

5.4 气体保护焊药芯焊丝

国内药芯焊丝应向工艺性能优良、质量稳定、宽电流、低尘、低飞溅、快速焊、多品种方向发展。

5.4.1 应重点发展Φ1.2mm、Φ1.6mm药芯焊丝，不断改善、提高焊丝的工艺性能，解决批量生产的质量稳定性问题。

5.4.2 尽快开发生产多品种、高质量、不同用途的药芯焊丝，如超低氢高韧性焊丝，各类不锈钢、耐热钢及系列耐磨堆焊等药芯焊丝。

5.4.3 自保护药芯焊丝防风能力强，适用于野外和高空作业，具有更广阔的推广应用前景（如输油、输气、室外制造安装等）。目前我国尚无成熟产品，应给予足够重视，尽快研制开发。

5.4.4 加强药芯焊丝制造技术研究，不断提高药芯焊丝的质量与生产效率，逐步降低药芯焊丝的价格，促进行业药芯焊丝的推广应用。

四. 结语

我国重型机械金属结构行业经过半个多世纪特别是近20多年的发展，取得了长足的进步和发展，机械化、自动化、高效化、节能和环保水平有了很大的提高，但与其它行业、与工业发达国家相比，还有很大差距。随着经济全球化进程加快和我国加入WTO，国际竞争日趋激烈。近几年是我国大力发展装备制造业的大好时机。我国重型机械金属行业面临着新的机遇与挑战，这无疑为焊接高新技术在重型机械金属结构行业的未来发展搭建好了舞台。

这就需要整个行业焊接界同仁共同努力，促进我国焊接技术与产业向着高效、优质、节能、低成本、自动化和环境友好方向发展，以更好地适应我国焊接生产的不断发展。

2011
06/01
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焊机技术文章
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薄板不锈钢焊接成本的分析与对比


杨宝雷


（ 颇尔过滤器（北京）有限公司， 北京　１０００２３）

摘要： 薄板不锈钢容器在现代制造业中有着广泛的应用。不同焊接方法其焊接成本差异较大。以往的焊接成本对比，均为九十年代的相关数据，同时它是在不同坡口尺寸条件下进行的。本文则是通过对相同坡口尺寸的常用焊接方法的成本分析，并且给出了目前条件下的焊接成本，从而为相关企业提供了相应的焊接方法选择依据。

关键词：不锈钢　焊接成本　分析对比


0 概述


目前的不锈钢压力容器生产企业，普遍采用的主要焊接方法均为成熟的焊接工艺，如钨极氩弧焊（GTAW）、焊条电弧焊（SMAW）、药芯焊丝电弧焊（FCAW）、埋弧自动焊（SAW）等。对于4～10mm的1Cr18Ni9Ti薄板不锈钢，主要采用钨极氩弧焊（GTAW）、焊条电弧焊（SMAW）和药芯焊丝电弧焊（FCAW）；而对于4～10mm的304薄板不锈钢(相当于我国的0Cr18Ni9)，则主要采用钨极氩弧焊（GTAW）、焊条电弧焊（SMAW），由于药芯焊丝电弧焊（FCAW）采用的保护气体为Ar+CO2，易使焊接接头产生增碳问题，导致其耐腐蚀性能下降，故对于低碳、超低碳不锈钢的焊接，一般情况下不采用药芯焊丝电弧焊。

我公司的4～10mm的薄板不锈钢，均为低碳、超低碳不锈钢，原来均采用钨极氩弧焊。随着市场竞争的加剧以及国外制造中心向中国的转移，该焊接方法已不能完全适应现代制造业的要求。为此，低成本、高效化的焊接方法推广应用就显得尤为重要。

本文以板厚8mm的低碳、304不锈钢为例，对其常用焊接方法及焊接成本进行分析和对比。


1 焊接方法分析


钨极氩弧焊采用的保护气体为纯Ar，焊接时它既不与金属起化学反应，也不溶解与液态金属中，故可以避免焊缝中金属元素的烧损和由此带来的其它焊接缺陷，同时因其密度较大，在保护时不易漂浮散失，保护效果好。该焊接方法由于热源和填充焊丝是分别控制的，热量调节方便，使输入焊缝的焊接线能量更容易控制，故适合于各种位置的焊接，也容易实现单面焊双面成型。钨极氩弧焊的最大缺点是熔深浅、熔敷速度慢、生产效率低，因而其焊接变形也就较大。

焊条电弧焊由于操作灵活、方便，焊接设备简单、易于移动，设备费用比其它电弧焊方法低，因而得到了广泛的应用。该焊接方法与熔化极气体保护焊（GMAW）、埋弧自动焊（SAW）等焊接方法相比，其熔敷速度慢及熔敷系数低，并且每焊接完一条焊道均需要清理熔渣，而坡口内的清渣是比较繁琐的。

熔化极惰性气体保护焊（MIG焊），由于采用Ar或在Ar中添加了少量的O2作为保护气体，因而其电弧稳定，熔滴细小且过渡稳定，飞溅很小。该焊接方法的电流密度高、母材熔深深，因而其焊丝的熔化速度和焊缝的熔敷速度高，焊接生产效率高，尤其适于中等厚度和大厚度结构的焊接。该焊接设备比较复杂，设备成本较高。

表1给出了薄板不锈钢常用焊接方法的相关数据［１］［２］。该表中的GTAW焊的熔敷速度为实际测量的数据。

表1 薄板不锈钢常用焊接方法数据

焊 接 方 法 TIG SMAW MIG

热源 最小加热面积(cm2) 10-3 10-2 10-4

特性 最大功率密度(W/cm2) 1.5×104 104 104～105

热效率（功率有效系数） 0.77～0.99 0.77～0.87 0.66～0.69

焊接电流（A） 100～130 170～200 200～300

焊接速度 焊材直径(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


2 低碳、超低碳薄板不锈钢焊接成本对比


对于薄板不锈钢压力容器，由于其特殊性及相关标准的要求，因而对打底焊的焊缝背面的质量要求比较高。

对于打底焊而言，钨极氩弧焊（GTAW）均优于焊条电弧焊（SMAW）、熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）等焊接方法，这主要是由于热源和填充焊丝是分别控制的，热量调节方便；同时，该种焊接方法对焊工的操作技能、接头的组对质量要求不高。因此，对于单面焊双面成型的焊接接头，其打底焊均采用钨极氩弧焊（GTAW）。对于不锈钢的焊接，焊接时必须充背面保护气（通常为纯Ar），以防止焊缝背面的氧化。

2.1 焊接成本对比

表2给出了板厚8mm、材质304不锈钢对接接头的焊接成本对比［１］［３］［４］。表中的焊材、气体及工资的价格均是按照目前的价格进行计算的。GTAW焊的Ф2.4mm的焊丝是直条的，长度为36英寸，每根焊丝的剩余长度约80～100mm；不锈钢焊条的剩余长度约50～80mm。

当然，焊接成本还包括焊接设备的折旧、维修等费用。由于该费用很少，故本文未予考虑。

各种焊接数据的计算公式为［３］：

焊材消耗量=需要金属量÷综合熔敷效率

焊材费用=焊材消耗量×焊材单价

燃弧时间=需要金属量÷熔敷速度

气体费用=气体流量×燃弧时间×气体单价

总作业时间=燃弧时间+其它时间

工资费用=总作业时间×工资单价

电力费用=（焊接电流×电弧电压×燃弧时间×单价）÷60000

焊接成本=焊材费用+气体费用+工资费用+电力费用

2.2 焊接成本分析

以往的资料所进行的焊接成本对比，均是九十年代初的相关数据，它是在不同坡口尺寸条件下进行的，且主要是对碳钢、中厚板常用的药芯焊丝电弧焊、实芯焊丝CO2电弧焊、焊条电弧焊等焊接方法进行成本对比与分析。

表2的焊接成本是对于相同的坡口尺寸、薄板不锈钢进行对比的。市场经济条件下的产品随客户要求的不同而不同，且对于生产制造企业而言，产品也会随不同板厚而采取更加经济的焊接工艺。因此，相同类别的焊接接头，如果采用不同的坡口尺寸，会给生产带来许多弊端和不便。

由表2的数据可以看出，对于70°的V型坡口、304材质、8mm板厚的对接次之，GTAW+MIG最低。GTAW+MIG的焊接成本约为GTAW的67%左右，其焊接生产效率为GTAW的3.1倍左右。不仅如此，由于MIG焊的焊接热输入少，因而GTAW+MIG的焊接变形比GTAW要小的多，它更有力于产品的质量保证。


表2 薄板不锈钢常用焊接方法的成本对比

焊 接 方 法 GTAW GTAW+SMAW GTAW+MIG

施 焊 条 件 V型坡口， 对接接头， 单面焊双面成型。

母材厚度为8mm，材质为304；坡口角度70°，钝边0mm， 根部间隙2.0mm

焊丝直径 打底焊 Φ2.4 Φ2.4 Φ2.4

(mm) 填充及盖面 Φ2.4 —- Φ1.2

焊条直径 打底焊 —- —- —-

焊 (mm) 填充及盖面 —- Φ4.0 —-

接 焊接电流 打底焊 110 110 110

规 (A) 填充及盖面 130 170 140

范 电弧电压 打底焊 12 12 12

(V) 填充及盖面 12 24 24

焊缝厚度 打底焊 2.5 2.5 2.5

(mm) 填充及盖面 5.5 5.5 5.5

气体流量(L/min) 20 20 20

需要金属量 打底焊 74.4 74.4 74.4

(g/m) 填充及盖面 407.9 407.9 407.9

综合熔敷效率 打底焊 90 90 90

焊 (%) 填充及盖面 90 48 98

材 焊材消耗量 焊 丝 535.9 82.7 82.7+416.2=498.9

费 (g/m) 焊 条 —- 849.8 —-

用 焊材单价 焊 丝 70.0 70.0 70.0

(元/kg) 焊 条 —- 34.0 —-

焊材费用(元/m) 37.51 5.79+28.89=34.68 34.92

熔敷速度 打底焊 7 7 7

气 (g/min) 填充及盖面 10 20 80

体 燃弧时间 打底焊 10.6 10.6 10.6

费 (min/m) 填充及盖面 40.8 20.4 5.1

用 气体单价(元/L) 0.003 0.003 0.003/0.012

气体费用 焊接气体 3.09 0.64 1.85

(元/m) 背面保护气体 3.09 1.86 0.95

其它时间 层间冷却时间 3×20=60 3×20=60 1×20=20

其 (min/m) 清渣时间 3×3=9 1×3+2×10=23 1×3=3

它 总作业时间(min/m) 120.4 114.0 38.7

费 工资单价(元/h) 11.36 11.36 11.36

用 工资费用(元/m) 22.80 21.58 7.33

电力费用(元/m) 0.64 0.92 0.26

焊接成本(元/m) 67.13 59.68 45.31


3 结论

通过表2的焊接成本对比，可以得到如下结论：

（1） GTAW+MIG焊的焊接成本低，生产效率高，应加以推广应用。

（2） 对于薄板不锈钢的焊接，提供了焊接方法的选择依据。

参考文献：

1．　王文翰， 焊接技术手册［M］. 河南：科学技术出版社，2000.14～18

2． 张文钺， 金属熔焊原理及工艺（上册）［M］. 北京：机械工业出版社，1979.208～210

3． 陈帮固 许玉环， 药芯焊丝—焊材工业面临的机遇与挑战［J］. 焊接技术，1994，1

4． 王玉砚 尹士科译， 神钢焊接材料手册［N］. 株式会社神户制钢所，1998.210～263


2011
06/01
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塔机吊臂膊80MPa级高强钢的焊接

FZQ1380型附着自升式塔机是由国家电力公司郑州机械设计研究所和山东电建一公司为电力建设市场联合研制开发的一种新型附着自升式塔机，最大额定起重量为63t，工作时允许最低温度为-20℃。具有起升高度大，作业范围广,起重量大，抗风能力强，自重轻等特点，适用于单机容量为300–1000MW火力发电机组狭小施工场地中的锅炉安装及厂房吊装等施工作业。

　　起重臂（吊臂）是塔吊结构中最重要的承重部分，总重量子力学15.557t，根部中心到头部滑轮组中心距为59063.76m；该起重臂由根段落、7m段、3节12m段.前段和头部共7节组成。按设计要求，起重臂主弦杆采用H80高强钢管,每节起重臂之间采用D80材质的锻件构成销轴连接。H80/D80钢连接焊缝作为起重臂的连接点和受力集中点，其焊接质量是该起重臂制作中的关键。

1.H80/D80高强钢简介

　　HITEN780高强钢的最低抗拉强度为780MPa ，依加工制作工艺不同为H80和D80两种产品，该钢种是在低碳锰钢的基础上通过加入适量的Cr,Ni,Mo,Cu等元素和V，Nb,Ti,B等微合金元素经热处理调化而成。

　　H80钢为起重臂主弦杆材质，规格为φ127mm*11mm。出厂前经热加工并调质处理，淬火后回火温度为660℃（进口管）。D80钢为重臂接头锻件，供货状态为扩氢退火，加工后重新进行调质处理，回火温度为630-640℃。现场焊口接头形式如图1所示。

　　国内800MPa以上级别高强钢的焊接工程量很少，只有少数几家重型机械厂从国外引进了低合金调质高强钢的焊接技术㈢。虽然一些单位对低合金调质高强钢的焊接材料.焊接工艺进行了一些针对性的研究,但核心技术的资料收集存在较大困难。

2.焊接工艺

2.1 H80钢的焊接性分析

　　H80钢管分别由日本NKK和成都无缝钢管厂供货，D80采用成都产的和H80同炉的钢坯经锻造加工而成，其化学成份和国产H80一致。H80/D80均经过调质处理，母材组织为回火马氏体+回火贝氏体，使强韧性匹配达到最佳。

　　两种（进口/国产）H80高强钢的化学成分和力学性能参数对比见表1。

　　可以看出，H80/D80钢的w(C)均不超过0.2%　。由于合金元素的强化作用，焊缝及焊接热影响区淬硬性得到提高，焊后组织均为马氏体；该马氏体组织的转变温度点Ms较高，同类钢如日本WELTEN-80C的马氏体转变起始温度为470℃，次层焊缝可对上一层焊缝形成的马氏体组织自动回火，即有“自动回火”特性；组织的改善降低了冷裂纹产生的几率，使焊接过程中冷裂纹倾向减小。但焊接过程中如果热输入集中或冷却速度较低，在焊接热影响区易发生软化或脆化现象，若冷却速度较快，焊接热影响区易发生淬硬组织，有出现冷裂和韧性下降的倾向。

由此看来，制定H80/D80焊接工艺时需要解决2个方面的问题：

　 （1）防止焊接裂纹

　 （2）在保证满足高强度的同时，提高焊缝金属及焊接热影响区（HAZ）冲击韧度。

2 .2 焊接方法的选定

　　为了尽可能避免裂纹和尽量提高和生产效率，高强钢焊接一般采用热输入较小的熔化极活性气体保护焊或隋性气体保护焊等自动化或半自动焊接工艺;对于800MPa级以上的低合金调质钢,熔化极气体保护焊是较好的焊接方法,如CO2焊或Ar+CO2混合气体保护焊。

　　我公司现有焊接工艺较单一，只有焊条电弧焊.惰性气体保护焊.CO2气体保护焊。虽然后2种焊接方法在热输入.保护效果等方面相对电弧焊优点较为突出.但所需要的焊丝必须和母材成份匹配，且订货数量很少，采购较困难；另一方面D80母材一侧有一舌头伸出形成衬圈（图1），要求焊缝根部须熔合良好，考虑到焊条电弧焊的穿透性较好，容易保证根部焊透，因此，决定采用焊条电弧焊来 行焊接，并通过焊接工艺评定进行验证。

2.3焊接材料的选定

2.3.1焊缝韧性匹配的原则[3]；一般情况下按照“等强匹配”原则选择焊接材料，即焊缝金属的力学性能要和母材相当，近年来美国.日本等国从防止焊接冷裂纹角度考虑认为“等强匹配”可能造成超强结果，使焊接区金属韧性和抗裂性能下降；他们对“低强匹配”焊接接头区的组织进行了研究并取得了进展，认为“低强匹配”的焊接接头在抗裂性和韧性方面优势较大，并针对一些结构刚度很大，承受压应力的焊缝作了实际应用，证明可以满足使用要求。在没有“低强匹配”方面的可靠资料和数据的情况下，我们认为按照传统的“等强匹配”原则选择焊接材料的方案较为可靠。

2.3.2H80钢焊条的工艺性能

　　（1）采购过程：国内上海电力修造厂，大西洋焊条厂均无现货，由于需求数量少，无法订货。日本神钢虽然可以订购，但3个月后才能供货。根据现有 的资料，查找到北京钢铁研究院（安泰科技股份有限公司）可以研制生产此类焊条，遂赴北京商定采用他们的AT–J807B焊条。

　　（2）J807B焊条的成分：由于施工工期紧，北京钢研院的研究周期过长，北京方面只能保证J807B焊条出厂时的熔敷金属成分和金属母材相同，而力学性能试验则由我方在焊接工艺评定中予以检验，供货方后复审。

2.3.3J807B焊条的工艺性能。

　　（1）该焊条属药皮过渡类型焊条，在焊条电弧形成的冶金小环境里,在施焊中必然会存在合金成分过渡不均的现象，尤以药皮成块脱落时为甚，且存在一部分合金元素的烧损现象。成份，组织不均匀，必然会造成局部力学性能的差异，在焊缝上容易形成“软肋”或“硬痂”，对焊缝强韧性构成有害。因此需要在焊工培训中重点加强技术练习，克服操作工艺上的困难。

　　（2）由于厂家对生产质量把关不严，若干焊条药皮存在偏芯现象，药皮与焊芯粘结不够紧密，施焊中保护效果不很理想，易形成焊接缺陷。施焊之前必须由专人将偏芯的焊条捡出。

2.4焊接工艺的参数

制定焊接工艺参数时须考虑以下3个问题。

　 （1）焊前预热，改善母材金属的焊接性，延缓冷却过程，利于焊缝中氢的析出，降低接头内部的残余应力。

　 （2）低热输入，小参数焊接。利于控制熔池形状，降低缺陷几率，减小变形，同时能细化晶粒，改善焊缝宏观组织；有关800MPa　级高强钢的焊接资料表明，施焊中热输入应控制在25KJ/cm 以下。

　 （3）控制道间温度，利用H80钢“自回火”特性改善焊缝微观组织，获得良好的强韧性能。

　　接头形式与管对接，坡口形式带衬圈V形坡口，预热温度80–150℃　　,用液化气喷嘴加热，用电子式测温仪测温，道间温度≤150℃　,焊接位置为水平固定，斜三通，使用直径为2.5mm的J807B焊条，按小焊接参数施焊，以降低热输入；采用多层道焊工艺，每层焊道的厚度不超过期作废3.5mm,直流正接。焊接工艺参数见表面3。
2.5焊后热处理工艺

　　低合金调质高强钢一般在焊态下使用，但在特定条件下（承受动载，低温等）应进行焊后热处理。设计要求规定，接头焊缝“残余应力不得大于屈服点的5%，残余应力不合格时，应进行热处理”[4]。考虑到现场组合中额外的拘束应力和因之形成的残余应力的大小具有不可预岁性，而且没有可靠的仪器进行检测，为安全起见，决定采取焊后热处理工艺消除残余应力。

　　依据DL/T678-1999《电站钢结构焊接规程》中规定，“低合金调质结构钢热处理必须比调质处理时的回火温度低30-50℃。进口H80钢的调质回火温度为660℃，国产D80锻件的回火温度为630-640℃，考虑回火温度对两侧母材强韧性的影响，焊后热处理工艺见图2。
2.6 焊接及热处理施工工艺控制

　　由于H2是焊接冷裂纹的最直接的诱发因素，因此在对焊接过程中按规定要求严格执行焊条烘焙、理场保温筒使用程序和焊口清理程序，降低H2的来源；焊后保温缓冷，当天施焊的焊口当天必须热处理完，确保焊缝中的H2充分逸出，减小冷裂纹产生几率。

　　每层焊缝只焊接两面各上焊焊缝，向下焊焊缝须翻身成各上焊位才能施焊，避免焊条在仰焊位置因熔敷效果不好产生焊接缺陷。

　　施焊中注意接头的质量和引弧、收弧方式，注意气孔、未熔合、夹渣等缺陷，表面咬边必须修补并磨平；盖面焊缝注意过渡圆滑，边角不圆整得应采用锉刀修磨处理。

　　热处理中所用热电偶、记录仪均应根据计量规定进行标定或校验，保证工艺参数在控制范围以内。采用新型电脑温控仪（DWK-180℃）时，要求对每个焊口单独控温，热电偶接线清楚可靠，记录曲线标识清楚。

3 焊接结果

3.1经焊接工艺评定试验，焊缝接头质量达到设计使用要求

　　力学性能试验结果：搞拉强度825MPa（D80母材处断裂），50°面弯、背弯均合格，-20℃低温冲击真心度40.42J/cm2，硬度试验 焊缝HB243，母材HB227，热影响区HB206。金相检验结果如图3所示，焊缝、热影响区组织和母材一致，均为回火索氏体+回火贝氏体组织。

3.2焊后检验

　　外观检查：所有焊缝应100%进行外观检查，焊缝尺寸必须符合图纸设计要求，焊缝表面不允许出现裂纹、未熔合、气孔、夹渣、焊瘤等缺陷，表面余商控制在2.5mm以内，超出部分和过渡不圆滑处需打磨修理。外观检查不合格的焊缝，须经修补合格后方能进行下一步的检查。无损检验：焊缝接头无损检验执行100%超声检验，100%硬度测试，100%着色+磁粉检验。

3.3塔吊运行情况

　　FXQ1380塔机于2001年10月22日在宁夏嘴山电厂4X300MW机组扩建工程中投入使用，是非曲直利完成了锅炉钢结构大板梁、锅炉汽包等大件大件吊装工件，在7~8级风的天气状况下仍能正常工件，经受了-20℃以下的低温考验[6]，有力地支援了工程建设。

4 结　论

　　（1）800MPa级高强钢采用焊条电弧焊接工艺，按“等强原则”选用焊接材料，并采用焊后热处理工艺，满足并达到了设计使用要求。

　　（2）对焊接热输入和道间温度的控制，是H80主强钢焊接工艺中的关键。

　　（3）下一步可考虑采用“低强匹配”原则，选择强度等级稍低一引起的焊条（如750MPa级）或采用惰性气体保护焊工艺提高焊缝金属韧性，以更好地满足设计要求。

参考文献：

[1]中国机械工程学会 焊接学会.焊接手册（第2卷材料的焊接）[M].北京：机械工业出版社.
[2]中国机械工程学会 焊接学会.焊接手册（第3卷焊接结构）[M].北京：机械工业出版社.
[3]邹增大,李亚江,尹士科,低合金调质高强度钢焊接及工程应用[M].北京:化学工业出版权.
[4]国家电力公司郑州机械设计研究所.FZQ1380型附着自升塔式起重机基本技术条件[z].
[5]DL/T678-1999,电站钢结构焊接远规程[S]
[6]山东电力建设第一工程公司.FZQ1380型附着自动塔式起重机用户意见书[Z]。

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超声波塑料焊接的原理和理论

超声波焊接是如何工作的？

超声波焊接原理是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40千赫兹电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的调幅器装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料熔化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。

一套超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器，换能器/调幅器/焊头三联组，模具和机架

线性振动摩擦是如何工作的？

线性振动摩擦焊接利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能来使塑料熔化。热能来自一定压力下，一个工件在另一个表面以一定的位移或振幅往复的移动。一旦达到预期的焊接程度，振动就会停止，同时仍旧会有一定的压力施加于两个工件上，使刚刚焊接好的部分冷却、固化，从而形成紧密地结合。

轨道式振动摩擦是如何工作的？

轨道式振动摩擦焊接是一种利用摩擦热能焊接的方法。在进行轨道式振动摩擦焊接时，上部的工件以固定的速度进行轨道运动——向各个方向的圆周运动。运动可以产生热能，使两个塑料件的焊接部分达到熔点。一旦塑料开始熔化，运动就停止，两个工件的焊接部分将凝固并牢牢的连接在一起。小的夹持力会导致工件产生最小程度的变形，直径在10英寸以内的工件可以用应用轨道式振动摩擦进行焊接。

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