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摘要：本文介绍了上海石化六期改造项目中反再框架钢结构制造熔嘴电渣焊工艺过程、焊接材料、焊接试验以及熔嘴电渣焊的施工要点。
关键词 上海石化六期改造项目; 钢结构; 熔嘴电渣焊; 工艺试验 ;组装工艺
Abstract: This paper describes construction points of Steel Manufacturing Melting mouth electroslag welding process, welding materials, welding test and melting mouth electroslag welding in the anti-and then the framework of the six transformation project in the Shanghai Petrochemical.Key words: Shanghai Petrochemical six renovation projects; steel structure; melting mouth electroslag welding; process test; assembly process;
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
2011年10月份，公司承接了上海石化六期改造项目反再框架的钢结构制作任务。在这个项目的钢结构制造中，公司采用了熔嘴电渣焊工艺，为此在钢柱和钢梁投产前进行了熔嘴电渣焊的焊接工艺评定试验。试验目的在于通过工艺试验,调整出熔嘴电渣焊的工艺参数, 检验接头的力学性能。
1 焊接原理和工艺特点
（1） 焊接原理
电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。
（2） 工艺特点
该方法焊接较厚的构件，只要求工件边缘保持一定的装配间隙，不需要坡口，就可以一次成型，焊接效率高，金属熔池凝固速率低，熔池中的气体和杂质容易浮出，不易产生气孔和夹渣等缺陷。
由于电渣焊的热源特性，使得焊接速度缓慢、焊接热输入较大。电渣焊的热影响区宽度很大，而且高温停留时间比较长，因此热影响区晶粒长大严重。
由于渣池温度低，熔渣的更新率也很低，液相冶金反应比较弱，所以焊缝化学成分主要通过填充焊丝或板极合金成分来控制。此外，渣池表面与空气接触，熔池中活性元素容易被氧化烧损。
焊丝通过熔化嘴和熔嘴共同作为填充金属。熔嘴外的药皮焊接时有冶金作用，同时也可以和母材绝缘。起弧阶段，由于焊剂没有熔化所以有电弧产生。电弧熔化焊剂达到一定厚度焊剂压住电弧，电渣焊剂有一定的电阻，电流通过有阻值的焊渣液就会产生热量用来熔化金属。由于铁水比焊剂重所以沉淀下来托起焊渣液，上升的高温液体同时熔化熔嘴。
焊缝的化学成分可以通过熔化嘴及焊丝的化学成分的适当配合而易于进行调整。
焊接设备比较简单，不需使机头爬行、成形板提升或横向摆动机构, 焊丝的送进只需要一般的送丝机构。
因熔化嘴固定在装配间隙中, 不易发生与工件短路, 因而焊接操作比较安全可靠。
2 焊前准备
（1） 试件钢板采用半自动气割，并要保证切割面平整。试件大小为800*250*36mm。切割面要求进行打磨，保证试件表面无赃物、氧化铁，并露出金属光泽。
（2）组装间隙上口比下口大2mm；衬板与隔板之间的定位焊焊缝要长一些，焊脚要大一些，防止电渣焊过程中开裂而无法补救。所有的组装间隙均应小于0.5mm，防止电渣焊是跑漏铁水，中断焊接。
（3）在试件的底部安装引弧板，并垫实或顶紧与工件紧密结合，防止起焊时跑渣漏铁水。在焊缝顶部安装熄弧板。
（4）试验母材
（5）母材：Q345B; 板厚：36mm；化学成分和力学性能见下表
焊接工艺评定试件
（6）焊接设备：ZH-1250 专用电源配电渣焊机，成都振中产。
3 焊接操作步骤
（1） 将熔嘴插入待焊焊口内，调节熔嘴使其处于焊口的中心并接触到引弧板，在将熔嘴提起20~30mm，拧紧夹头。
（2）从熔嘴内插入焊丝送入到底部与引弧板相接触，焊丝提及10mm左右。拧紧送丝轮和调制轮，最后检查焊机各部位是否拧紧。加入少量引弧剂和少量焊剂HJ431.
（3）采用火焰预热，预热到80~100摄氏度。
（4）引弧采用较高电压短路引弧。引弧后，开始送丝速度要慢些，电流小一些，以便造渣。这时是弧焊过程，电流波动较大，随着焊剂的熔化，形成有一定深度的熔化渣池，温度逐渐升高，这时电流应适当调大。当电弧开始消失而转入电渣焊过程，电流和电压逐渐趋于稳定，随着电渣过程的稳定，可以将电流和电压调至附表所示数值，进入正常的电渣焊过程。
（5）焊接过程中观察熔池情况, 并随时调整熔嘴位置, 使熔嘴居中; 焊接过程中不允许断弧, 当出现即将断现象时, 须快速旋开紧丝旋钮, 插入焊丝接弧使之继续焊接。
（6）熄弧时要求焊出一定高度, 保证渣池离开方孔及盖板孔。熄弧, 渣池冷却后敲掉熔渣及引弧板。切去熄弧板及焊缝突出部分, 修磨平整匀。
电焊机厂家提供的焊接参数表
4 焊后热处理
焊接试件焊接完之后及时进行热处理。热处理温度为620±20℃，保温时间1.6小时。采用电加热法。热处理曲线如下图。
5 焊接接头检验
（1）超声波探伤检验。焊缝熔合完好，无其他焊接缺陷。
（2）拉伸試验：抗拉强度635和620， 断裂部位为焊缝；
（3）弯曲试验：四组试件弯心直径30， 弯曲角度180，未见裂纹；
（4）夏比缺口冲击试验：焊缝金属3组，冲击功168.1~168.5J；热影响区3组，冲击功234.2~282.8J。
（5）接头硬度试验：焊缝197~222；热影响区：203~248；母材：214~219
实际工程中熔嘴电渣焊焊口示意图
6 其他焊接注意事项
（1）由于我厂从2002年开始就开始接触到熔嘴电渣焊，只是没有进行过系统性的归纳与总结。根据笔者多年的工作经验，在熔嘴电渣焊工艺方面提出如下的参考检验。
（2）管状熔嘴电渣焊不宜一次加入过量的焊剂：引弧造渣阶段，需要不断地加入固体焊剂，使之熔化形成液态渣池。由于渣池体积较小，若一次加入过量焊剂，会使渣池温度急剧降低，焊缝容易产生未焊透。故焊剂一次加入要适量。
（3）易氧化金属及合金钢电渣焊时，其渣池应避免与空气接触：电渣焊时，虽然熔渣对熔池起着机械保护作用，但空气仍然不可避免地进入熔池，使合金元素烧损。尤其是焊接合金钢、钛、铝等金属，氧化更为严重。因此，应选用氧化性较弱的焊剂和惰性气体来保护熔池，避免与空气接触。
（4）电渣焊时焊件始端与终端装配间隙不应相同：焊件装配时应考虑焊缝橫向收缩量的问题。如果装配时，起始端与终点端的间隙一样，那么焊接时，会因焊缝的橫向收缩产生终点端缝隙缩小，因为焊缝的起始端与终点端的橫向收缩量不相同，始端小于终端，焊缝呈下宽上窄。所以，装配时应留有足够的收缩余量，始端与终端的差值为焊缝长度的0.1%~1%具体数字需要根据实际的隔板的厚度以及焊缝的长度来测定，也可以焊前工艺试验测定数值为准。一般情况下上口比下口大2~4mm。
（5）电渣焊焊件装配间隙不宜过小：焊件装配间隙直接影响熔宽。间隙增大，渣池上升速度减慢，焊件受热增大，故熔宽加大。间隙若过小，会给焊接带来困难。如焊丝与焊件容易短路，破坏电渣过程的稳定性。同时，熔渣的对流作用减小，熔宽减小，使焊缝容易产生未焊透和夹渣，抗裂性能也受到一定影响。因此，焊件的装配间隙不应小于20mm，一般以25~38mm为宜。
（6）电渣焊收尾工作不宜在焊件上进行：由于电渣焊焊缝收尾部分含杂质较多，而且存在较多的缩孔和裂纹，如果收尾工作在焊件上进行，势必将杂质存入焊缝，使焊缝的质量大大降低，力学性能也明显下降。所以，收尾工作必须在引出板上进行。当收尾焊缝进入引出板后，应该逐渐降低送丝速度，减小焊接电流，并适当提高电压，来提高焊缝成形系数，以防止产生裂纹，收尾即将结束时，最好连续送几次焊丝，可以避免产生火口裂纹及缩孔；收尾结束后，不要立即排渣，以减缓冷却速度，控制可能产生的裂纹扩展到焊缝上。最后切除引出板。
7 结论
进过各种试验测试，接头的力学性能各项指标均满足设计要求。试验结果证明上述焊接工艺是可行的。
根据JGJ81-2002以及SH3507中的相关要求，焊接结束后需要进行热处理。上述热处理参数的设定就是根据这两本规范制定。但是在实际工程运用中，由于实际的电渣焊焊接部位箱型构件的内部，是不能进行热处理的。在与设计和监理协商沟通之后，在实际的焊接后没有进行热处理。
参考文献
[1] JGJ81-2002 《建筑钢结构焊接技术规程》
[2] GB50205-2002 《钢结构工程施工质量验收规范》
[3] SHT 3507-2005 《石油化工钢结构工程施工及验收》
[4] 焊接设备 ZH-1250 专用电源配电渣焊机说明
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词 上海石化六期改造项目; 钢结构; 熔嘴电渣焊; 工艺试验 ;组装工艺
Abstract: This paper describes construction points of Steel Manufacturing Melting mouth electroslag welding process, welding materials, welding test and melting mouth electroslag welding in the anti-and then the framework of the six transformation project in the Shanghai Petrochemical.Key words: Shanghai Petrochemical six renovation projects; steel structure; melting mouth electroslag welding; process test; assembly process;
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
2011年10月份，公司承接了上海石化六期改造项目反再框架的钢结构制作任务。在这个项目的钢结构制造中，公司采用了熔嘴电渣焊工艺，为此在钢柱和钢梁投产前进行了熔嘴电渣焊的焊接工艺评定试验。试验目的在于通过工艺试验,调整出熔嘴电渣焊的工艺参数, 检验接头的力学性能。
1 焊接原理和工艺特点
（1） 焊接原理
电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。
（2） 工艺特点
该方法焊接较厚的构件，只要求工件边缘保持一定的装配间隙，不需要坡口，就可以一次成型，焊接效率高，金属熔池凝固速率低，熔池中的气体和杂质容易浮出，不易产生气孔和夹渣等缺陷。
由于电渣焊的热源特性，使得焊接速度缓慢、焊接热输入较大。电渣焊的热影响区宽度很大，而且高温停留时间比较长，因此热影响区晶粒长大严重。
由于渣池温度低，熔渣的更新率也很低，液相冶金反应比较弱，所以焊缝化学成分主要通过填充焊丝或板极合金成分来控制。此外，渣池表面与空气接触，熔池中活性元素容易被氧化烧损。
焊丝通过熔化嘴和熔嘴共同作为填充金属。熔嘴外的药皮焊接时有冶金作用，同时也可以和母材绝缘。起弧阶段，由于焊剂没有熔化所以有电弧产生。电弧熔化焊剂达到一定厚度焊剂压住电弧，电渣焊剂有一定的电阻，电流通过有阻值的焊渣液就会产生热量用来熔化金属。由于铁水比焊剂重所以沉淀下来托起焊渣液，上升的高温液体同时熔化熔嘴。
焊缝的化学成分可以通过熔化嘴及焊丝的化学成分的适当配合而易于进行调整。
焊接设备比较简单，不需使机头爬行、成形板提升或横向摆动机构, 焊丝的送进只需要一般的送丝机构。
因熔化嘴固定在装配间隙中, 不易发生与工件短路, 因而焊接操作比较安全可靠。
2 焊前准备
（1） 试件钢板采用半自动气割，并要保证切割面平整。试件大小为800*250*36mm。切割面要求进行打磨，保证试件表面无赃物、氧化铁，并露出金属光泽。
（2）组装间隙上口比下口大2mm；衬板与隔板之间的定位焊焊缝要长一些，焊脚要大一些，防止电渣焊过程中开裂而无法补救。所有的组装间隙均应小于0.5mm，防止电渣焊是跑漏铁水，中断焊接。
（3）在试件的底部安装引弧板，并垫实或顶紧与工件紧密结合，防止起焊时跑渣漏铁水。在焊缝顶部安装熄弧板。
（4）试验母材
（5）母材：Q345B; 板厚：36mm；化学成分和力学性能见下表
焊接工艺评定试件
（6）焊接设备：ZH-1250 专用电源配电渣焊机，成都振中产。
3 焊接操作步骤
（1） 将熔嘴插入待焊焊口内，调节熔嘴使其处于焊口的中心并接触到引弧板，在将熔嘴提起20~30mm，拧紧夹头。
（2）从熔嘴内插入焊丝送入到底部与引弧板相接触，焊丝提及10mm左右。拧紧送丝轮和调制轮，最后检查焊机各部位是否拧紧。加入少量引弧剂和少量焊剂HJ431.
（3）采用火焰预热，预热到80~100摄氏度。
（4）引弧采用较高电压短路引弧。引弧后，开始送丝速度要慢些，电流小一些，以便造渣。这时是弧焊过程，电流波动较大，随着焊剂的熔化，形成有一定深度的熔化渣池，温度逐渐升高，这时电流应适当调大。当电弧开始消失而转入电渣焊过程，电流和电压逐渐趋于稳定，随着电渣过程的稳定，可以将电流和电压调至附表所示数值，进入正常的电渣焊过程。
（5）焊接过程中观察熔池情况, 并随时调整熔嘴位置, 使熔嘴居中; 焊接过程中不允许断弧, 当出现即将断现象时, 须快速旋开紧丝旋钮, 插入焊丝接弧使之继续焊接。
（6）熄弧时要求焊出一定高度, 保证渣池离开方孔及盖板孔。熄弧, 渣池冷却后敲掉熔渣及引弧板。切去熄弧板及焊缝突出部分, 修磨平整匀。
电焊机厂家提供的焊接参数表
4 焊后热处理
焊接试件焊接完之后及时进行热处理。热处理温度为620±20℃，保温时间1.6小时。采用电加热法。热处理曲线如下图。
5 焊接接头检验
（1）超声波探伤检验。焊缝熔合完好，无其他焊接缺陷。
（2）拉伸試验：抗拉强度635和620， 断裂部位为焊缝；
（3）弯曲试验：四组试件弯心直径30， 弯曲角度180，未见裂纹；
（4）夏比缺口冲击试验：焊缝金属3组，冲击功168.1~168.5J；热影响区3组，冲击功234.2~282.8J。
（5）接头硬度试验：焊缝197~222；热影响区：203~248；母材：214~219
实际工程中熔嘴电渣焊焊口示意图
6 其他焊接注意事项
（1）由于我厂从2002年开始就开始接触到熔嘴电渣焊，只是没有进行过系统性的归纳与总结。根据笔者多年的工作经验，在熔嘴电渣焊工艺方面提出如下的参考检验。
（2）管状熔嘴电渣焊不宜一次加入过量的焊剂：引弧造渣阶段，需要不断地加入固体焊剂，使之熔化形成液态渣池。由于渣池体积较小，若一次加入过量焊剂，会使渣池温度急剧降低，焊缝容易产生未焊透。故焊剂一次加入要适量。
（3）易氧化金属及合金钢电渣焊时，其渣池应避免与空气接触：电渣焊时，虽然熔渣对熔池起着机械保护作用，但空气仍然不可避免地进入熔池，使合金元素烧损。尤其是焊接合金钢、钛、铝等金属，氧化更为严重。因此，应选用氧化性较弱的焊剂和惰性气体来保护熔池，避免与空气接触。
（4）电渣焊时焊件始端与终端装配间隙不应相同：焊件装配时应考虑焊缝橫向收缩量的问题。如果装配时，起始端与终点端的间隙一样，那么焊接时，会因焊缝的橫向收缩产生终点端缝隙缩小，因为焊缝的起始端与终点端的橫向收缩量不相同，始端小于终端，焊缝呈下宽上窄。所以，装配时应留有足够的收缩余量，始端与终端的差值为焊缝长度的0.1%~1%具体数字需要根据实际的隔板的厚度以及焊缝的长度来测定，也可以焊前工艺试验测定数值为准。一般情况下上口比下口大2~4mm。
（5）电渣焊焊件装配间隙不宜过小：焊件装配间隙直接影响熔宽。间隙增大，渣池上升速度减慢，焊件受热增大，故熔宽加大。间隙若过小，会给焊接带来困难。如焊丝与焊件容易短路，破坏电渣过程的稳定性。同时，熔渣的对流作用减小，熔宽减小，使焊缝容易产生未焊透和夹渣，抗裂性能也受到一定影响。因此，焊件的装配间隙不应小于20mm，一般以25~38mm为宜。
（6）电渣焊收尾工作不宜在焊件上进行：由于电渣焊焊缝收尾部分含杂质较多，而且存在较多的缩孔和裂纹，如果收尾工作在焊件上进行，势必将杂质存入焊缝，使焊缝的质量大大降低，力学性能也明显下降。所以，收尾工作必须在引出板上进行。当收尾焊缝进入引出板后，应该逐渐降低送丝速度，减小焊接电流，并适当提高电压，来提高焊缝成形系数，以防止产生裂纹，收尾即将结束时，最好连续送几次焊丝，可以避免产生火口裂纹及缩孔；收尾结束后，不要立即排渣，以减缓冷却速度，控制可能产生的裂纹扩展到焊缝上。最后切除引出板。
7 结论
进过各种试验测试，接头的力学性能各项指标均满足设计要求。试验结果证明上述焊接工艺是可行的。
根据JGJ81-2002以及SH3507中的相关要求，焊接结束后需要进行热处理。上述热处理参数的设定就是根据这两本规范制定。但是在实际工程运用中，由于实际的电渣焊焊接部位箱型构件的内部，是不能进行热处理的。在与设计和监理协商沟通之后，在实际的焊接后没有进行热处理。
参考文献
[1] JGJ81-2002 《建筑钢结构焊接技术规程》
[2] GB50205-2002 《钢结构工程施工质量验收规范》
[3] SHT 3507-2005 《石油化工钢结构工程施工及验收》
[4] 焊接设备 ZH-1250 专用电源配电渣焊机说明
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。