不锈钢焊接成本分析
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不锈钢焊接分析
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。
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。
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。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
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。
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。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。
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
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:
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