[福建机械论坛]薄板不锈钢焊接成本的分析与对比        株洲

薄板不锈钢焊接成本的分析与对比


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，本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操纵的，热量调节方便，使输入焊缝的焊接线能量更容易操纵，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操纵的，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，焊接时必需充背面保护气（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遵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，焊接成本还包含焊接设备的折旧、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。