不銹鋼儲(chǔ)罐D(zhuǎn)P-TIG焊接技術(shù)研究

畢學(xué)松，李志波，董傳陽(yáng)

摘要：針對(duì)不銹鋼儲(chǔ)罐的特征及實(shí)際生產(chǎn)工況要求，提出了一套高效優(yōu)質(zhì)的DP-TIG焊接技術(shù)解決方案，并開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。結(jié)果表明，DP-TIG焊接技術(shù)可通過(guò)電弧穿孔效應(yīng)增加焊接熔深，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊縫質(zhì)量滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求;對(duì)坡口間隙、角度及錯(cuò)邊等實(shí)際復(fù)雜工況適應(yīng)能力強(qiáng);焊接過(guò)程無(wú)需坡口，耗材少，生產(chǎn)成本低;焊接工藝參數(shù)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，人員操作技能要求低。該技術(shù)已成功應(yīng)用于不銹鋼低溫儲(chǔ)罐、醫(yī)療器械等行業(yè)中，改變了原有生產(chǎn)方式，焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)、焊接效率高，滿足用戶生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：不銹鋼儲(chǔ)罐;DP-TIG;單面焊雙面成形

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0043-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.08

0? ? 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鋼制儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)氣、儲(chǔ)液的主要工具，越來(lái)越多地應(yīng)用于石油、化工、糧油、核電、國(guó)防等領(lǐng)域[1]。實(shí)際應(yīng)用中儲(chǔ)罐承擔(dān)著盛裝冷液和密封的作用，其運(yùn)行及服役工況環(huán)境比較復(fù)雜且惡劣，因此儲(chǔ)罐對(duì)焊縫質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，其焊接接頭性能直接關(guān)系到儲(chǔ)罐的施工質(zhì)量和安全可靠性，必須滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]。不銹鋼具有良好的塑性、韌性及耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐的生產(chǎn)制造中。但不銹鋼具有熱導(dǎo)率小、熱膨脹系統(tǒng)大、電阻率高等物理特性，加之不銹鋼儲(chǔ)罐直徑較大、壁薄，使得不銹鋼儲(chǔ)罐在焊接時(shí)易發(fā)生變形，焊后糾正較難[3-4]。

1 不銹鋼儲(chǔ)罐制造現(xiàn)狀

目前，不銹鋼儲(chǔ)罐焊接多采用手工焊背面清根封底焊工藝，焊接材料用量大，熔敷效率低，且易出現(xiàn)夾渣、裂紋等焊接缺陷，同時(shí)背面清根工作環(huán)境惡劣、工作量大。隨著市場(chǎng)對(duì)高效優(yōu)質(zhì)、綠色環(huán)保焊接技術(shù)的迫切需求，出現(xiàn)了許多自動(dòng)化或半自動(dòng)化的焊接技術(shù)及設(shè)備，例如熔化極氣體保護(hù)焊、自動(dòng)氬弧焊、氬弧焊打底焊+焊條電弧焊填充、自動(dòng)埋弧焊、等離子或P+T焊接技術(shù)等[5-8]。采用以上焊接技術(shù)時(shí)，工件一般需開(kāi)V型坡口，多層多道焊接，耗材多，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率仍然較低。等離子焊一般采用I型坡口，工件可不開(kāi)坡口，可提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但焊接設(shè)備復(fù)雜，氣體、配件等耗材價(jià)格較貴，生產(chǎn)制造成本高，同時(shí)等離子焊接參數(shù)多，焊接工藝復(fù)雜，對(duì)操作人員技能水平要求高[9]。

2 不銹鋼儲(chǔ)罐焊接新技術(shù)方案

針對(duì)不銹鋼儲(chǔ)罐焊縫特征及實(shí)際應(yīng)用工況要求，成功開(kāi)發(fā)了一套優(yōu)質(zhì)DP-TIG焊接技術(shù)解決方案。DP-TIG焊接（Deep Penetration-Tungsten Inert Gas Welding）是一種新型高效TIG焊接技術(shù)，主要通過(guò)對(duì)鎢極的高效冷卻及電弧自身的磁收縮效應(yīng)使電弧壓縮，提高電弧能量密度，增大焊接熔深。并通過(guò)穿孔形式獲得穩(wěn)定的單面焊雙面成形焊縫，焊接質(zhì)量可靠，焊接效率高，焊接工藝簡(jiǎn)單。

文中通過(guò)試驗(yàn)研究了SUS304不銹鋼DP-TIG焊接技術(shù)。分析了在不同間隙、錯(cuò)邊及自由角度的情況下，DP-TIG焊接技術(shù)在不銹鋼儲(chǔ)罐焊接時(shí)的工況適應(yīng)能力，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

3 不銹鋼儲(chǔ)罐D(zhuǎn)P-TIG焊接工藝研究

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備采用自主研發(fā)的DP-TIG焊槍、電源、冷卻水箱、試驗(yàn)平臺(tái)等，如圖1所示。試驗(yàn)前用角磨機(jī)和鋼絲刷去除試板表面氧化膜，并用丙酮或者酒精去除試板表面油污;然后進(jìn)行平板對(duì)接焊接;試驗(yàn)完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行宏觀金相、力學(xué)性能、X射線探傷等檢測(cè)，檢驗(yàn)焊接質(zhì)量。

3.2 試驗(yàn)材料

試板材料選用SUS304不銹鋼，板厚6 mm，焊絲采用ER308LSi，直徑1.0 mm，試板材料及焊絲主要化學(xué)成分如表1所示。焊槍保護(hù)氣和背面保護(hù)氣均采用99.99%純氬氣。

3.3 接頭設(shè)計(jì)

針對(duì)不銹鋼儲(chǔ)罐應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了4種類型的接頭形式：

（1）I型坡口對(duì)接接頭，無(wú)錯(cuò)邊，間隙0～2.0 mm，如圖2a所示。

（2）I型坡口對(duì)接接頭，無(wú)間隙，錯(cuò)邊0～2.0 mm，如圖2b所示。

（3）I型坡口對(duì)接接頭，間隙1.5～2.0 mm，錯(cuò)邊1.5～2.0 mm，如圖2c所示。

（4）I型坡口對(duì)接接頭，存在10°、-10°自然角度，間隙0～2.5 mm，如圖2d、2e所示。

3.4 試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)大量的試驗(yàn)研究和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了6 mm不銹鋼DP-TIG單面焊雙面成形。主要工藝參數(shù)如表2所示。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

3.5.1 基本試驗(yàn)

分別對(duì)不同焊接電流、焊接速度下的不銹鋼DP-TIG焊接工藝進(jìn)行研究，焊接電弧集中、挺度高，實(shí)現(xiàn)穿孔效應(yīng)，焊接過(guò)程穩(wěn)定。

典型參數(shù)下焊縫外觀及截面宏觀圖片如圖3所示?？梢钥闯?，不同焊接參數(shù)下，DP-TIG焊接均能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊縫正面及背面成形良好，未出現(xiàn)咬邊、氣孔、未焊透、未熔合等缺陷，焊縫背面熔透均勻，滿足焊縫成形外觀要求。

焊接電流與焊接速度關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，隨著焊接電流的增大，電弧穿透能力增強(qiáng)，焊接速度近似于線性提高，當(dāng)焊接電流為550 A時(shí)，焊接速度可提高至700 mm/min。同時(shí)，進(jìn)一步分析不同焊接電流下的焊接熱輸入情況，如圖5所示?？梢钥闯觯弘娏鬏^小時(shí)，由于焊接速度較小，熱輸入較大;隨電流的增加，焊接速度增加，熱輸入會(huì)減小，尤其是電流在420 A以上時(shí)，焊接熱輸入小于12 kJ/cm;電流達(dá)到一定程度后，熱輸入變化不明顯。這是由于DP-TIG焊接技術(shù)在大電流情況下，電弧的電磁壓縮效果越強(qiáng)，焊接速度就越高?？梢?jiàn)，DP-TIG焊接技術(shù)在大電流焊接情況下優(yōu)勢(shì)更為明顯。

與現(xiàn)有不銹鋼儲(chǔ)罐焊接技術(shù)相比，DP-TIG焊接技術(shù)能夠顯著提高焊接效率和質(zhì)量。同時(shí)，焊接過(guò)程無(wú)需開(kāi)坡口，減少焊材消耗，降低生產(chǎn)成本;減少焊接工序，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率;焊接過(guò)程熱輸入小，減小焊接變形;工藝參數(shù)少，調(diào)整方便簡(jiǎn)單，通過(guò)匹配焊接電流和焊接速度，即可獲得良好焊縫，降低對(duì)人員技能的要求。

3.5.2 工況適應(yīng)能力試驗(yàn)

在焊接作業(yè)中，受材料、坡口加工條件、組對(duì)條件、工裝夾具、操作者技能等因素影響，坡口間隙、錯(cuò)邊及角度等尺寸及其精度難以保證。通過(guò)改變坡口的組對(duì)間隙、錯(cuò)邊、角度條件，研究焊接電流為480 A，焊接速度550 mm/mim 時(shí)DP-TIG實(shí)際生產(chǎn)工況適應(yīng)能力。

（1）間隙適應(yīng)性。

無(wú)錯(cuò)邊時(shí)，不同間隙情況下焊縫外觀成形及橫截面形貌如圖6所示?？梢钥闯?，間隙在2.0 mm以內(nèi)時(shí)，均能形成穩(wěn)定的小孔，焊縫成形良好，未出現(xiàn)未焊透或焊漏現(xiàn)象。間隙大于2.0 mm時(shí)，電弧直接從間隙穿過(guò)，不能形成穩(wěn)定熔池及焊縫。因此，無(wú)錯(cuò)邊時(shí)，該工藝對(duì)間隙的最大適應(yīng)能力為2.0 mm。

（2）錯(cuò)邊適應(yīng)性。

無(wú)間隙時(shí)，不同錯(cuò)邊情況下焊縫外觀成形及橫截面形貌如圖7所示?？梢钥闯?，錯(cuò)邊在1.5 mm以內(nèi)時(shí)，焊縫正面成形飽滿，均勻美觀，背面熔透良好，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形。由于錯(cuò)邊大小影響電弧穿透能力，當(dāng)錯(cuò)邊大于1.5 mm時(shí)，電弧穿透能力不穩(wěn)定，影響背面成形。因此，當(dāng)無(wú)間隙時(shí)，該工藝對(duì)錯(cuò)邊最大適應(yīng)能力為1.5 mm。

（3）間隙、錯(cuò)邊同時(shí)存在時(shí)焊接適應(yīng)性。

當(dāng)間隙、錯(cuò)邊均存在時(shí)，焊接接頭形式如圖2c所示，其焊縫外觀成形及橫截面形貌如圖8所示?？梢钥闯?，間隙為1.5 mm、錯(cuò)邊為1.5 mm時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形良好，背面熔透。間隙、錯(cuò)邊量分別增大至2.0 mm時(shí)，焊縫成形不穩(wěn)定，焊點(diǎn)處容易焊漏。由此可見(jiàn)，DP-TIG焊接能夠同時(shí)適應(yīng)的最大間隙和錯(cuò)邊量為1.5 mm。

（4）自然角度情況下焊接適應(yīng)性。

I型坡口對(duì)接時(shí)，形成10°或-10°自然角度，間隙大小對(duì)焊縫成形影響如圖9所示。此種情況相當(dāng)于開(kāi)V型坡口，當(dāng)間隙小于1 mm時(shí)，焊接效果良好。

3.5.3 性能檢測(cè)

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》要求，對(duì)DP-TIG焊接后焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)，X射線探傷典型照片如圖10所示?？梢钥闯觯缚p內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透、圓形缺陷，結(jié)果符合Ⅰ級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》、GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T 2651-2008 《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》檢測(cè)焊接接頭力學(xué)性能，結(jié)果如表3～表5所示。結(jié)果表明，不銹鋼DP-TIG焊接接頭性能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4 實(shí)施案例

DP-TIG焊接技術(shù)已在低溫儲(chǔ)罐、醫(yī)療機(jī)械等行業(yè)得到了成功應(yīng)用。以某客戶低溫儲(chǔ)罐焊接應(yīng)用為例，其儲(chǔ)罐罐體為SUS304不銹鋼，壁厚8 mm，罐體環(huán)縫、縱縫數(shù)量多，焊縫長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)十幾米，全部焊縫要求無(wú)缺陷，焊接接頭力學(xué)性能合格。針對(duì)客戶需求，采用DP-TIG焊接技術(shù)并結(jié)合TIG擺動(dòng)焊接蓋面，采用I型坡口對(duì)接，一次焊接單面焊雙面成形，焊接速度高，極大提高了焊接效率和產(chǎn)品合格率。用戶對(duì)焊接接頭無(wú)損檢驗(yàn)、力學(xué)性能、金相組織等指標(biāo)進(jìn)行了全面檢驗(yàn)分析，結(jié)果均滿足應(yīng)用需求。DP-TIG焊接設(shè)備及焊接效果照片分別如圖11、圖12所示。

DP-TIG焊接方法是一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接技術(shù)，可以推廣應(yīng)用于食品、醫(yī)療器械、壓力容器、石化、核電等諸多領(lǐng)域，提高焊接質(zhì)量和效率，助力我國(guó)焊接制造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）DP-TIG焊接技術(shù)通過(guò)穿孔效應(yīng)能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)不銹鋼儲(chǔ)罐單面焊雙面成形，焊縫外觀質(zhì)量、力學(xué)性能均能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接質(zhì)量好。

（2）DP-TIG焊接技術(shù)對(duì)不銹鋼焊接接頭組對(duì)間隙、錯(cuò)邊及角度適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)行業(yè)現(xiàn)有工況要求。

（3）DP-TIG焊接過(guò)程無(wú)需開(kāi)坡口，無(wú)需多層多道焊，減少焊材消耗，降低生產(chǎn)成本;工藝參數(shù)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，降低對(duì)人員操作技能的要求，提高了生產(chǎn)效率。

（4）DP-TIG焊接技術(shù)已成功應(yīng)用于低溫儲(chǔ)罐、醫(yī)療器械等行業(yè)，改變?cè)猩a(chǎn)方式，焊接質(zhì)量好，提高了客戶生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)制造成本，很好地滿足了用戶需求。

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