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。
   
    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 小加热面积(cm2) 10-3 10-2 10-4
    特性 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
   
    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。
   
    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。