大型球罐高效脈沖MAG全位置自動(dòng)焊接系統(tǒng)

房務(wù)農(nóng)，何前進(jìn)，董加利，冷　輝

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031；2.中石化南京工程公司，江蘇南京210046）

大型球罐高效脈沖MAG全位置自動(dòng)焊接系統(tǒng)

房務(wù)農(nóng)1，何前進(jìn)1，董加利2，冷輝2

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031；2.中石化南京工程公司，江蘇南京210046）

球罐脈沖MAG全位置自動(dòng)焊具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，與焊條電弧焊相比，其焊接工藝參數(shù)可控，焊接變形量小，更有利于保證球罐的焊接質(zhì)量，但需解決曲面爬行軌道、焊接小車、機(jī)頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、配套的金屬粉型焊絲及焊接工藝等諸多技術(shù)難題。針對(duì)量大面廣的Q370R鋼制大型球罐，通過(guò)對(duì)球罐脈沖MAG全位置自動(dòng)焊接系統(tǒng)中多項(xiàng)子系統(tǒng)的攻關(guān)試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)焊焊接裝備在球罐上全方位平穩(wěn)運(yùn)行，且價(jià)格低廉，研制的金屬粉芯焊絲質(zhì)量穩(wěn)定，適于Q370R鋼制球罐全位置焊接，焊縫金屬力學(xué)性能較佳，球罐自動(dòng)焊焊縫成形美觀，完全替代了原始的焊條電弧焊，應(yīng)用前景廣闊。

球罐；全位置自動(dòng)焊；金屬粉芯焊絲

0　前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)石化原料及能源需求日益增長(zhǎng)，每年在新增大批球罐用于儲(chǔ)存的同時(shí)，球罐也向著高參數(shù)、大型化、輕量化方向發(fā)展，如我國(guó)有07MnCrMoVR/Q370鋼制10 000 m3的天然氣球罐、06Ni3DR鋼制－100℃3 000 m3乙烷球罐、66 mm厚09MnNiDR鋼制的－70℃3 000 m3乙烯球罐。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)球罐采用分析設(shè)計(jì)，壁厚與常規(guī)設(shè)計(jì)相比約薄10％，但對(duì)焊接接頭的技術(shù)要求相應(yīng)提高。

我國(guó)焊制球罐的焊工長(zhǎng)期疏于管理，片面追求焊接效率、壓縮成本，習(xí)慣采用大線能量焊接，大大超出規(guī)范允許的范圍；另外市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)加速了焊工流動(dòng)，球罐若出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題對(duì)焊工難以追責(zé)，給球罐質(zhì)量帶來(lái)了安全隱患。而焊條電弧焊效率低，焊縫成形較差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，厚壁球罐施焊時(shí)需預(yù)熱，罐內(nèi)環(huán)境溫度可高達(dá)50℃以上，內(nèi)壁焊接時(shí)煙塵量較大，難以及時(shí)排出，在如此惡劣的環(huán)境中施焊影響了焊工身心健康，難以焊出高品質(zhì)的焊縫，為此，球罐采用高效自動(dòng)化焊接成為行業(yè)上的迫切需求。近年來(lái)隨著我國(guó)焊接自動(dòng)化設(shè)備、焊接材料的日益成熟，以及焊接勞動(dòng)力價(jià)格的不斷上漲，使球罐自動(dòng)化焊接的成本優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)。

中石化南京工程公司于2014年負(fù)責(zé)組織昆山京群焊材科技有限公司和合肥通用機(jī)械研究院全面開(kāi)展了球罐全位置自動(dòng)焊試驗(yàn)研究工作，主要針對(duì)目前量大面廣的Q370R鋼制大型球罐，采用直流脈沖電源、金屬粉芯焊絲進(jìn)行MAG全位置自動(dòng)焊接研究。球罐焊縫均為多立體角度、曲面、弧狀，如圖1所示，由于X型坡口為氣割坡口，表面不平整，組對(duì)間隙非常不均勻；此外研制該套裝備主要面對(duì)慘淡的球罐安裝行業(yè)，需考慮每套裝備成本控制在15萬(wàn)元以下，這對(duì)焊接自動(dòng)化來(lái)說(shuō)難度巨大。本項(xiàng)目主要需解決焊接電源選配、送絲機(jī)構(gòu)、曲面爬行軌道、焊接小車、控制系統(tǒng)、機(jī)頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)方式、適于全位置焊且質(zhì)量穩(wěn)定的金屬粉芯焊絲、混合氣體配比及MAG全位置焊接工藝等系列問(wèn)題，經(jīng)過(guò)各單位共同努力，該成果于2015年通過(guò)全國(guó)壓力容器學(xué)會(huì)組織的評(píng)審，目前已應(yīng)用于連云港斯?fàn)柊钋蚬揄?xiàng)目，取得了較滿意的效果。

圖1　球罐焊縫示意

1　我國(guó)球罐自動(dòng)焊的現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行大型球罐自動(dòng)焊接試驗(yàn)研究，到20世紀(jì)90年代逐漸應(yīng)用。1999年某公司建造的撫順石化公司16MnR鋼制2 000 m3LPG球罐，采用藥芯焊絲自動(dòng)化焊接，焊縫表面成形極差，X射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部未熔合、夾渣類焊接缺陷非常嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生了“空洞”，最終橫焊、仰焊位置的焊縫全部刨除，重新采用焊條電弧焊焊接，返修量很大。而藥芯焊絲焊縫金屬力學(xué)性能不穩(wěn)定，立焊位置低溫沖擊功波動(dòng)性很大，中石化三公司1996年采用自動(dòng)化焊接的球罐焊縫金屬－10℃ KV2平均值最低僅28 J，如表1所示[1]，因此球罐全位置自動(dòng)焊工藝不成熟。另外國(guó)外進(jìn)口球罐自動(dòng)焊裝備每套約250萬(wàn)元，進(jìn)口藥芯焊絲價(jià)格又高，2000年以后球罐自動(dòng)焊處于停滯狀態(tài)。

表1　產(chǎn)品試件的焊縫金屬－10℃沖擊功（平均值）

2　球罐脈沖MAG全位置自動(dòng)焊優(yōu)點(diǎn)

2.1綠色環(huán)保

球罐自動(dòng)焊由機(jī)器代替人工焊接，焊工只需在焊接過(guò)程中操控機(jī)器進(jìn)行輔助作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可避免在厚壁球罐焊接過(guò)程中因加熱和焊接所帶來(lái)的高溫?zé)彷椛?，自?dòng)焊產(chǎn)生的煙塵和有毒氣體相比焊條電弧焊明顯減少，施焊環(huán)境得到極大改善，降低了對(duì)焊工身體傷害程度，并且焊渣少、無(wú)焊條頭，有利于環(huán)保。

2.2高效節(jié)能

自動(dòng)焊時(shí)焊前需鋪設(shè)小車行走軌道，調(diào)整機(jī)頭運(yùn)動(dòng)軌跡，焊前準(zhǔn)備時(shí)間要長(zhǎng)于焊條電弧焊，但自動(dòng)焊的電流密度遠(yuǎn)高于焊條電弧焊，如表2所示[1]，大大提高了焊絲的熔化速度，即增大了填充速率，且運(yùn)行過(guò)程中不需更換焊條和重新引弧，從起點(diǎn)到終點(diǎn)焊接一次完成，而金屬粉型焊絲施焊的焊縫表面焊渣很少，省去了大量脫渣時(shí)間，球罐自動(dòng)焊焊接效率是焊條電弧焊的3～3.5倍[2]。由于全位置自動(dòng)焊一般使用較細(xì)的φ1.2 mm金屬粉芯焊絲，坡口根部電弧可達(dá)性較好，焊縫X型坡口角度可由焊條電弧焊的55°/60°優(yōu)化為40°，如圖2所示，仍有較好的熔透性，還不易產(chǎn)生夾渣等缺陷[3]。以2 000 m3球罐為例，自動(dòng)焊焊接材料消耗量與焊條電弧相比可節(jié)約3/5，焊接生產(chǎn)率大幅度提高，如表3所示，節(jié)能效果明顯。

圖2　焊縫坡口角度優(yōu)化

表2　焊接電流參數(shù)

表3　自動(dòng)焊與焊條電弧焊比較（以2 000 m3球罐為例）

2.3焊接工藝參數(shù)可控

球罐自動(dòng)化焊接工藝參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、焊接速度）均由機(jī)器控制，調(diào)節(jié)方便，與焊條電弧焊相比，焊接線能量始終處于可控狀態(tài)，避免了焊條電弧焊片面追求效率的野蠻作業(yè)，焊接工藝參數(shù)實(shí)際記錄真實(shí)可靠，更好地保證了球罐整體焊接質(zhì)量。

2.4焊接變形量小

球罐焊縫X型坡口角度由55°/60°優(yōu)化為40°，焊縫金屬填充量可減少約1/3，焊縫總熱輸入量減少，加上焊接速度快、焊接線能量小、熱影響區(qū)窄，因而焊接接頭的變形量與焊條電弧焊相比可減小約1/2。

3　金屬粉芯焊絲脈沖富氬氣體保護(hù)焊特點(diǎn)

（1）金屬粉芯焊絲雖在我國(guó)被歸為藥芯焊絲，但由于加入的非金屬焊劑低于10％，有別于鈦型、堿性藥芯焊絲，如圖3所示，其熔滴的過(guò)渡特性與實(shí)心焊絲相似，合金成分的調(diào)整非常方便，無(wú)需依賴鋼廠，其性能優(yōu)于實(shí)心焊絲，在脈沖富氬氣體保護(hù)焊時(shí)易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的射滴過(guò)渡，可用于球罐全位置焊接。

圖3　各種類型藥芯焊絲熔滴直徑范圍

（2）通過(guò)送絲速度來(lái)調(diào)節(jié)脈沖頻率，改變單位時(shí)間內(nèi)熔滴過(guò)渡的滴數(shù)，實(shí)現(xiàn)一脈一滴的射滴過(guò)渡，電弧呈鐘罩狀，如圖4所示，焊縫成形好，焊縫呈圓弧狀熔深，可避免出現(xiàn)“指狀”熔深[4]。

圖4　脈沖射滴過(guò)渡示意

（3）熔滴溫度低，焊接發(fā)塵量小，合金元素的燒損少，有利于合金元素向焊縫金屬中過(guò)渡，也改善了球罐內(nèi)壁施焊環(huán)境。

（4）球狀熔滴沿焊絲軸向過(guò)渡，電弧穩(wěn)定，基本無(wú)飛濺。

（5）弧長(zhǎng)短，電弧指向性好，熔滴主要受電弧力作用，可克服仰焊位置熔池重力的影響，實(shí)現(xiàn)球罐全位置焊接。

（6）脈沖頻率低時(shí)焊接平均電流較低，電弧仍可穩(wěn)定燃燒，擴(kuò)大了焊接電流使用范圍，可從幾十安培到射流過(guò)渡臨界值。

（7）焊接操作時(shí)因周圍環(huán)境振顫所引起的弧長(zhǎng)變化有較強(qiáng)的補(bǔ)償能力。

4　球罐脈沖MAG自動(dòng)焊焊接電源及送絲機(jī)選擇

（1）球罐脈沖MAG自動(dòng)焊焊接電源選用美國(guó)米勒公司的Invision 450 MPA逆變焊接電源，如圖5所示。該設(shè)備具有一元化脈沖MAG、銳弧技術(shù)和雙脈沖技術(shù)，先進(jìn)的電弧控制技術(shù)可以保持穩(wěn)定的短弧脈沖，更容易實(shí)現(xiàn)全位置焊接，金屬粉芯焊絲配合內(nèi)置脈沖程序，可以獲得穩(wěn)定的噴射電弧。

圖5　焊接電源

（2）便攜式送絲機(jī)采用美國(guó)米勒公司的手提式送絲機(jī)SuitCase 12RC，如圖6所示，全封閉、抗阻燃、抗沖擊工程塑料機(jī)箱，可移動(dòng)性強(qiáng)，便于遠(yuǎn)途搬運(yùn)。

圖6　手提式送絲機(jī)

（3）一元化脈沖MAG為電源、送絲機(jī)、焊槍之間提供了通信通道，脈沖參數(shù)自動(dòng)匹配送絲速度，當(dāng)送絲速度改變時(shí)，通過(guò)設(shè)備的控制電路自動(dòng)調(diào)整脈沖頻率與之適應(yīng)，也調(diào)節(jié)了平均焊接電流。

5　焊接小車及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

焊接小車及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7　焊接小車及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1）焊接小車具有行走穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、能和擺動(dòng)同步聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)還具有載荷能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、尺寸小、易搬動(dòng)的特點(diǎn)。

（2）小車面板上有多個(gè)調(diào)節(jié)控制旋鈕，通過(guò)控制送絲速度來(lái)調(diào)節(jié)脈沖頻率和平均焊接電流，通過(guò)控制焊絲干伸長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)電弧電壓，通過(guò)控制小車行走速度來(lái)調(diào)節(jié)焊接速度，通過(guò)對(duì)焊接機(jī)頭左右和上下位置、小車行走速度微量調(diào)節(jié)來(lái)糾正坡口角度和組對(duì)間隙偏差。

（3）焊接機(jī)頭實(shí)際上是受控于爬行機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)柄焊槍，其端部帶有耐高溫?zé)旌退徒z嘴，長(zhǎng)柄焊槍另一端與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連在一起，可按擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)定的擺動(dòng)方式完全模擬焊工操作，按球罐焊接要求來(lái)完成三角形、月牙形、斜拉形等不同的擺動(dòng)方式，如圖8所示，并可調(diào)整焊槍在焊縫兩側(cè)的停留時(shí)間，避免焊縫兩側(cè)產(chǎn)生未熔合及咬邊缺陷，以匹配不同的焊接位置，使焊縫成形美觀。

圖8　球罐自動(dòng)焊焊槍的擺動(dòng)軌跡

（4）小車外形尺寸較小，因此不增加腳手架搭設(shè)難度，也不影響操作人員自由上下所需要的空間。

（5）焊接小車與行走軌道結(jié)合在一起，可用于球罐的縱、環(huán)焊縫的平、橫、立及仰焊全位置焊接，可操作性強(qiáng)。

6　小車行走軌道及調(diào)節(jié)支架

小車行走軌道及調(diào)節(jié)支架如圖9所示。

（1）軌道采用5 mm×80 mm雙齒條鋁合金半柔性軌道，沿球殼板曲面呈弧線爬行，剛度適中可保證小車平穩(wěn)行走，并不受小車重力的影響而改變爬行速度（小車不可過(guò)重）。

（2）軌道由全方位可調(diào)節(jié)支架進(jìn)行調(diào)節(jié)，使半柔性軌道彎曲變形，最終在球罐表面鋪設(shè)出一個(gè)柱體形軌道，柱體曲率與焊縫曲率相同。

圖9　行走軌道及調(diào)節(jié)支架

（3）可連續(xù)或分段鋪設(shè)，靠耐高溫封閉磁性牢固地吸附在球殼板的表面，該吸力足可承受小車及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。

（4）焊接時(shí)，焊接小車在柱體形狀軌道上運(yùn)行，此時(shí)與焊接小車連結(jié)在一起的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的等距離線，其曲率與焊道的曲率完全相同，很好地解決了軌道與焊道不等距的問(wèn)題。

7　GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲質(zhì)量穩(wěn)定試驗(yàn)

藥芯焊絲熔敷金屬的成分及力學(xué)性能的穩(wěn)定性一直是壓力容器行業(yè)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，因此未將其納入NB/T47018－2011《承壓設(shè)備焊接材料訂貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)。一是料斗中粉料的自重變化對(duì)進(jìn)入皮帶的粉料數(shù)量有影響，即加粉的不均勻性；二是粉料在移動(dòng)的皮帶上落入U(xiǎn)型鋼帶中，由于粉料組成物自身比重、目數(shù)差異等易受機(jī)械振動(dòng)而使藥粉分層；三是不同混合粉料的流動(dòng)性各異，在減徑變形過(guò)程中易造成竹節(jié)外形和斷絲現(xiàn)象，焊接時(shí)送絲不暢，有斷弧現(xiàn)象；四是焊縫中易產(chǎn)生“氫白點(diǎn)”。這些因素均導(dǎo)致藥芯焊絲熔敷金屬成分的不均勻，力學(xué)性能也隨之波動(dòng)[5]。

京群焊接材料科技有限公司為本項(xiàng)目研制的GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲，以冷軋鋼帶作外皮，經(jīng)裁成窄帶并清洗后再冷彎成U型管，加入金屬合金粉，閉合成O型管，再多次拉拔而成。該焊絲針對(duì)Q370鋼制球罐全位置焊接進(jìn)行了多次配方調(diào)整及試驗(yàn)，并通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段很好地解決了上述問(wèn)題，保證了該焊絲生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表4、表5所示，可看出其以Mn-Ni-Mo為合金體系，在Ni名義含量1.0％基礎(chǔ)上添加微合金化元素，形成鐵素體+少量貝氏體組織，雜質(zhì)元素含量和擴(kuò)散氫含量極低，也大幅度提高了其低溫沖擊功。當(dāng)采用脈沖電源、φ（Ar）80％+φ（CO2）20％富氬氣體保護(hù)時(shí)，全位置自動(dòng)焊焊接工藝性能良好，表面成形美觀，焊縫兩側(cè)基本無(wú)咬邊。

從京群公司批量生產(chǎn)的GCR-81Ni1MP焊絲中隨機(jī)抽取49T1748、49R3641、4AR4001三個(gè)批號(hào)焊絲，按NB/47018分別測(cè)定其熔敷金屬化學(xué)成分和低溫沖擊功，結(jié)果分別如圖10、圖11所示，不同批號(hào)焊絲熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能波動(dòng)性不大，表明該焊絲質(zhì)量較穩(wěn)定。

表4　GCR-81NI1MP金屬粉芯焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分％

表5　GCR-81NI1MP金屬粉芯焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

8　GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn)

將GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲分別裸露放置于室內(nèi)、室外環(huán)境中，室內(nèi)溫度3℃～12℃、濕度25％～60％，室外溫度0℃～10℃、濕度25％～75％。焊絲在室內(nèi)和室外均放置24 h、48 h后分別測(cè)量熔敷金屬擴(kuò)散氫含量，結(jié)果見(jiàn)表6。數(shù)據(jù)表明該焊絲放置在室內(nèi)或室外48 h后，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量仍不大于3 mL/100 g，吸潮性很低。但考慮到諸多因素，該焊絲的儲(chǔ)存環(huán)境必須符合JB/T3223《焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程》，當(dāng)焊絲盤(pán)拆封后，盡可能在當(dāng)天用完，否則應(yīng)取下放回二級(jí)庫(kù)采用塑料袋進(jìn)行密封包裝，第二天優(yōu)先使用，并于當(dāng)天用完，開(kāi)封后存貯時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

圖10　不同批號(hào)熔敷金屬主要元素化學(xué)成分

圖11　不同批號(hào)焊絲熔敷金屬低溫沖擊功

表6　不同環(huán)境中熔敷金屬擴(kuò)散氫含量

9　斜Y型坡口焊接冷裂紋試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)Q370R鋼采用GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲脈沖MAG自動(dòng)焊接的焊接熱影響區(qū)焊接冷裂紋敏感性，采用40 mm厚Q370R鋼板，按GB 4675.1-1984《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。發(fā)現(xiàn)收弧處有小的弧坑裂紋，這是由于自動(dòng)焊接收弧點(diǎn)無(wú)法按標(biāo)準(zhǔn)收到焊道以外，且收弧時(shí)無(wú)法擺動(dòng)造成的，按標(biāo)準(zhǔn)可以不予考慮。

表7　斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，40 mm厚Q370R鋼板焊前預(yù)熱溫度70℃，采用GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲、脈沖MAG自動(dòng)焊接，除弧坑有微裂紋外，未發(fā)現(xiàn)任何冷裂紋。若按通常當(dāng)裂紋率小于20％時(shí)可判定該試板無(wú)冷裂紋傾向的原則，可認(rèn)為Q370R鋼焊前經(jīng)70℃以上預(yù)熱，采用該方法在現(xiàn)場(chǎng)球罐的拘束狀態(tài)下，實(shí)際焊接接頭出現(xiàn)冷裂紋的可能性很小。

10　GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲自動(dòng)化焊接線能量選擇試驗(yàn)

Q370R鋼焊接接頭中焊縫金屬的低溫沖擊性能遠(yuǎn)低于熱影響區(qū)，因此確定現(xiàn)場(chǎng)可用于球罐的最大焊接線能量取決于焊縫金屬的低溫沖擊性能。采用40 mm厚的Q370R鋼進(jìn)行焊接線能量選擇試驗(yàn)。焊接試板預(yù)熱溫度為100℃，焊接后按（590℃± 15℃）×2.5 h進(jìn)行二次焊后熱處理，按NB/T47014-2011規(guī)定在1/4T處制取焊縫金屬的沖擊試樣，同時(shí)制取熱影響區(qū)沖擊試樣作參考，分別進(jìn)行-20℃低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12　焊接線能量對(duì)焊縫金屬AKV2的影響

由圖12可知，隨著焊接線能量的增加，焊縫金屬-20℃AKV2降低，線能量達(dá)56 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬-20℃AKV2=50 J，下降幅度較大，因此Q370R鋼制球罐采用GCR-81Ni1MP焊絲進(jìn)行脈沖MAG自動(dòng)化焊接時(shí)，焊接線能量宜控制在40 kJ/cm以下。

11　球罐焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

按NB/T47014-2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)，球罐按立焊位置進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，試驗(yàn)采用GCR-81Ni1MP對(duì)56mm厚的Q370R鋼試板進(jìn)行立焊位置焊接，焊后按（590℃±15℃）×2.5 h進(jìn)行二次焊后熱處理，然后截取試樣分別進(jìn)行焊接接頭的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及焊縫金屬和熱影響區(qū)的-20℃沖擊試驗(yàn)（沖擊試樣軸線位于1/4T處），結(jié)果如表8所示。

圖13　焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)AKV2的影響

表8　Q370R+GCR-81Ni1MP 3G位置焊接接頭拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從立焊位置焊接工藝評(píng)定結(jié)果可看出，在同樣的焊接位置，金屬粉芯焊絲脈沖MAG自動(dòng)焊的焊接線能量比焊條電弧焊小得多，焊縫金屬AKV2（－20℃）達(dá)107 J，與技術(shù)要求相比富裕量較大。

12　焊縫金屬系列溫度沖擊試驗(yàn)

焊接試板的制備、檢驗(yàn)參照NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》執(zhí)行。試板采用56mm厚的Q370R鋼板對(duì)接，在立焊位置施焊，預(yù)熱溫度為100℃，層間溫度控制在200℃以下，試板焊后進(jìn)行（590℃±15℃）×2.5 h二次SR處理。沖擊試樣軸線位于1/4T板厚處，取樣處最大焊接線能量46 kJ/cm，沖擊試樣V型缺口垂直于表面。溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示，由圖14、圖15得出的焊縫金屬韌性特征值見(jiàn)表9。

圖14　焊縫金屬AKV2與溫度的關(guān)系

圖15　焊縫金屬纖維斷面率與溫度的關(guān)系

表9　焊縫金屬的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度

由圖14、圖15可知，焊縫金屬延性斷裂與脆性斷裂過(guò)渡比較平緩，表明焊縫金屬不易發(fā)生脆性斷裂。由表9可知，由不同判據(jù)評(píng)定的焊縫金屬韌脆性轉(zhuǎn)變溫度均低于-37℃，說(shuō)明該焊絲用于Q370R鋼制球罐脈沖MAG自動(dòng)焊時(shí)，只要焊接線能量控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，就有足夠的韌性儲(chǔ)備。

13　焊縫金屬落錘試驗(yàn)

落錘試驗(yàn)實(shí)際是一種裂紋傳播試驗(yàn)，也稱止裂試驗(yàn)，表征含有小裂紋的鐵素體焊縫金屬在動(dòng)態(tài)加載屈服應(yīng)力下發(fā)生脆斷的最高溫度，即無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）。焊接試板為3G位置，并經(jīng)（590℃±15℃）×2.5 h×2焊后熱處理后，制取P2試樣，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。經(jīng)兩次（590℃±15℃）×2.5 h焊后熱處理后，脈沖MAG自動(dòng)焊立焊位置的焊縫金屬的NDTT溫度為-55℃，說(shuō)明焊縫金屬止裂能力較強(qiáng)。

表10　焊縫金屬落錘試驗(yàn)結(jié)果

14　焊縫金屬的組織及硬度

對(duì)SR處理狀態(tài)下的焊縫金屬進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，如圖16所示，焊縫金屬的金相組織為鐵素體+少量回火貝氏體。

圖16　近表層（200×）

檢驗(yàn)SR處理狀態(tài)下焊接接頭的表面硬度，數(shù)據(jù)如表11所示，焊縫金屬、熱影響區(qū)硬度值均比較低。

表11　焊接接頭的硬度

15　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

中石化南京工程于2015年將該項(xiàng)目研制成果應(yīng)用于張家港斯?fàn)柊顑膳_(tái)Q370R鋼制1 000 m3球罐自動(dòng)化焊接，球罐焊接一次合格率約為95％，這主要是焊工初次使用球罐自動(dòng)焊焊接系統(tǒng)，操作不太熟練所致；另外由于送絲機(jī)距小車太遠(yuǎn)，金屬粉芯焊絲剛度又較小，造成送絲不通暢，已針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了改進(jìn)。兩臺(tái)球罐共6塊產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能結(jié)果優(yōu)良。

16　結(jié)論

（1）球罐自動(dòng)焊降低了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了焊工施焊環(huán)境，該方法綠色環(huán)保、高效節(jié)能，且焊接工藝參數(shù)可控。

（2）焊接行走機(jī)構(gòu)、焊接小車、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可滿足球罐全位置自動(dòng)焊接需要。

（3）采用GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲、脈沖電源進(jìn)行全位置自動(dòng)焊接，焊縫成形良好，抗冷裂性好，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度、沖擊韌性、NDTT溫度等力學(xué)性能與Q370R相匹配。

（4）焊絲的利用率、焊接效率比焊條電弧焊高，可降本增效、提高焊接接頭質(zhì)量，且每套球罐自動(dòng)焊裝備價(jià)格低廉，具有較好的應(yīng)用前景。

[1]陳定岳，劉平.大型球罐全位置自動(dòng)焊接[J].鍋爐壓力容器安全技術(shù)，1996（2）：36-39.

[2]張運(yùn)川.球形貯罐自動(dòng)化焊接技術(shù)的進(jìn)展[J].壓力容器，1997（4）：49-56.

[3]王嘉麟.球形儲(chǔ)罐焊接工程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：231-232.

[4]吳林.焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：199-200.

[5]孫咸.藥芯焊絲生產(chǎn)裝備特性及其與焊絲品質(zhì)的相關(guān)性[J].焊接，2011（2）：14-18.

All-position automatic high efficiency pulse MAG welding system for large spherical tanks

FANG Wunong1，HE Qianjin1，DONG Jiali2，LENG Hui2
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2.Sinopec Nanjing Engineering&Construction Incorporation，Nanjing 210046，China）

Spherical tanks all-position automatic pulse MAG welding has the advantages of high efficiency and energy saving，green environmental protection.Compared with shielded metal arc welding，the welding process parameters can be controlled，the welding deformation is small and the welding quality is easy to be ensured.But many technical problems need to be solved，such as curved surface crawling track，welding trolley，head swinging mechanism，control system，matching metal powder welding process and so on. Through the research on a number of subsystems in the all-position automatic pulse MAG welding system，automatic welding equipment in spherical tank on the full range of stable operation is realized，and the price is very low.The quality of metal powder wire is stable，the mechanical properties of weld metal is good，automatic welding seam molding is very beautiful.The metal powder wire is suitable for Q370R steel spherical tank for all-position welding，has broad application prospects，the original shielded metal arc welding is completely replaced.

spherical tank；all-position automatic welding；metal powder welding wire

TG444+.72

A

1001－2303（2016）03－0019-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.05

2015－12－17；

2016－01－03

房務(wù)農(nóng)（1965—），男，安徽人，教授級(jí)高工，學(xué)士，主要從事壓力容器用高性能鋼板及配套焊接材料開(kāi)發(fā)、新工藝的試驗(yàn)研究，球罐EPC總承包工作，負(fù)責(zé)承壓設(shè)備行業(yè)焊接標(biāo)準(zhǔn)的編制等工作。