大中型原油儲(chǔ)罐的底板弧焊機(jī)器人CO2自動(dòng)焊接工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳江蘭

（福建特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建泉州 362000）

0 引言

隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，原油的儲(chǔ)備和運(yùn)輸工作對(duì)原油儲(chǔ)罐的要求越來(lái)越高。在原油儲(chǔ)備量相同的條件下，大容量?jī)?chǔ)罐比小容量?jī)?chǔ)罐更具經(jīng)濟(jì)性。油罐從小而多逐步向大而少轉(zhuǎn)變，油庫(kù)的組成結(jié)構(gòu)也隨之改變，中大型油罐占地面積小，節(jié)省鋼材，減少投資［1-3］。油罐大型化對(duì)油罐的強(qiáng)度、抗裂、抗震等性能要求更加嚴(yán)格。常見(jiàn)大中型原油儲(chǔ)罐的底板通常采用對(duì)接接頭形式，底板接頭的焊接質(zhì)量在很大程度上決定了儲(chǔ)罐的力學(xué)性能和使用壽命。底板焊接的方法較多，如手工電弧焊、半自動(dòng)焊接和自動(dòng)焊接等都可以用作底板焊接。近年來(lái)隨著智能制造的不斷發(fā)展，弧焊機(jī)器人在焊接結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是大中型原油儲(chǔ)罐的生產(chǎn)中正在不斷發(fā)開(kāi)和推行弧焊機(jī)器人焊接工藝，提升焊接效率，保證焊接可達(dá)率和產(chǎn)品質(zhì)量［4-7］。因儲(chǔ)罐底板焊縫多、板厚小，在焊接過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是焊接變形，特別是施工中時(shí)常會(huì)產(chǎn)生較大的波浪變形等。如果大中型儲(chǔ)罐用鋼板焊接變形太大時(shí)，底板隨著其承受著罐內(nèi)液體的增多或減少產(chǎn)生凸起或凹下變形。這種變形如果反復(fù)作用，就會(huì)導(dǎo)致焊縫和母材開(kāi)裂或腐蝕破壞，從而大大降低儲(chǔ)罐的使用壽命，甚至造成更大的損失［8-11］。為獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接接頭，本文針對(duì)8000m3汽油儲(chǔ)罐底板的弧焊機(jī)器人焊接工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)采用合理的焊接方法、焊接順序、焊接工藝參數(shù)及行之有效的防變形措施，使罐底板的焊接質(zhì)量得到有效控制。

1 弧焊機(jī)器人CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝與編程分析

1.1 焊接材料選擇

中幅板材質(zhì)為Q235鋼焊接性好，其化學(xué)成分如表1所示，其最小屈服強(qiáng)度在235 MPa左右，其力學(xué)性能如表2所示。采用混合氣體（Ar80%＋CO220%）焊接，多層單道焊，焊絲選用φ1.2 mm ER50-6，其化學(xué)成分如表3所示。

表1 Q235鋼主要化學(xué)成分 %

表2 Q235鋼力學(xué)性能

表3 ER50-6焊絲化學(xué)成分 %

1.2 設(shè)備選擇

工作站采用KUKA KR5arc R1400本體及其一整套操作及控制系統(tǒng)，控制柜為KRC4，德國(guó)賓采兒氣保焊槍，焊接電源選用奧太350RPL。庫(kù)卡機(jī)器人搭配PC300NET軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)定焊接程序參數(shù)。

1.3 焊前準(zhǔn)備及清理

焊前將試件兩側(cè)20 mm內(nèi)的鐵銹、油污、氧化物采用角向磨光機(jī)等工具清理干凈，使其露出金屬光澤。檢查機(jī)器人本體、控制柜、供氣系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)等是否舒暢，確保焊機(jī)后板上焊接正極和負(fù)極插頭聯(lián)結(jié)牢固，第一級(jí)送絲機(jī)構(gòu)（推絲）的壓緊輪處于壓緊位置，壓緊刻度不高于2。將機(jī)器人走到焊槍檢查位置（MASTER程序中的2 000點(diǎn)），檢查導(dǎo)電嘴狀態(tài)是否完好，必要時(shí)進(jìn)行更換；檢查焊槍噴嘴中有無(wú)殘留飛濺并予以清除；焊槍冷卻水聯(lián)結(jié)管接頭處于閉鎖狀態(tài)，排除導(dǎo)電嘴、噴嘴堵塞等問(wèn)題。清除機(jī)器人工作范圍內(nèi)的可能的障礙物以免發(fā)生碰撞。檢查保護(hù)氣體瓶?jī)?nèi)壓力不得低于1 MPa。焊接前要先進(jìn)行試氣，使氣體充滿從焊機(jī)到焊槍之間的管道。

1.4 拼焊工藝的要求

8 000 m3汽油儲(chǔ)罐底板的中幅板材質(zhì)為Q235，板寬1.2 m，板長(zhǎng)8 m，板厚8 mm，連接形式主要為對(duì)接，焊接位置為水平位置。在機(jī)器人施焊前首先進(jìn)行組對(duì)拼接，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙規(guī)定要求進(jìn)行拼裝。中幅板由中心向四周對(duì)稱排列，確保各零部件和組件拼裝位置正確，焊縫應(yīng)對(duì)稱分布，便于施焊時(shí)控制焊接速度，減小焊接變形，且在拼裝完成后檢查零部件和組件的位置。同時(shí)，需要保證零部件和組件表面的清潔度，不得有水、銹及油污。此外，要求手工劃線寬度不大于1.0 mm，并按照規(guī)定的要求進(jìn)行反變形尺寸和預(yù)留尺寸的確定。按照“先短縫后長(zhǎng)縫”的施焊順序，中幅板大部分焊縫都可以處于相對(duì)自由的膨脹收縮狀態(tài)下施焊，使中幅板整體變形趨于最小。

試件的組裝與定位焊：組裝時(shí)保證兩個(gè)板要對(duì)齊對(duì)平，不得有錯(cuò)邊并留有合適的間隙，組對(duì)間隙2～3 mm，錯(cuò)變量小于或等于1 mm，焊接過(guò)程中焊縫會(huì)逐漸收縮，易引起焊接缺陷。因此，裝配后焊間隙要大于先焊間隙約0.5 mm，以防止在焊接過(guò)程中收縮造成未焊端坡口間隙變窄而影響焊接。試件定位焊長(zhǎng)度為20 mm，定位焊縫兩端打磨成斜坡形。定位焊完成后對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行徹底清理，對(duì)焊接附著物如飛濺、焊渣等清除干凈。

1.5 焊件的焊接工藝與編程要點(diǎn)

大中型原油儲(chǔ)罐的底板厚度為8 mm，焊縫打底層的單面焊雙面成形易產(chǎn)生燒穿、未熔合等缺陷。為消除可能產(chǎn)生的缺陷，嚴(yán)格控制熔池尺寸，弧焊機(jī)器人工作站編程時(shí)選用梯形擺動(dòng)，應(yīng)注意控制電弧擺動(dòng)軌跡在熔池中的過(guò)渡位置以及在兩側(cè)的停留位置和停留時(shí)間，將坡口根部?jī)蓚?cè)各熔化0.5～1 mm，焊接參數(shù)不宜過(guò)大，可保證焊縫背面焊透。同時(shí)不出現(xiàn)焊瘤。當(dāng)熔孔直徑過(guò)小時(shí)或沒(méi)有熔孔時(shí)，就可能產(chǎn)生未焊透缺陷［12-13］。底板焊縫蓋面焊要保證焊縫邊緣和下層及母材熔合良好，底板焊縫蓋面層的焊接易產(chǎn)生未熔合等缺陷［14］。一般在電流、電壓和兩側(cè)停留時(shí)間不變的前提下，速度越慢，產(chǎn)生未熔合的缺陷的幾率越大［15］。因此，編程時(shí)應(yīng)選用脈沖焊接，主要控制電弧在焊道兩側(cè)的停留時(shí)間。

2 弧焊機(jī)器人示教編程

2.1 示教運(yùn)動(dòng)軌跡

大中型原油儲(chǔ)罐的底板焊縫的機(jī)器人焊接示教運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示，采用兩遍梯形擺動(dòng)示教編程和焊接，主要由編號(hào)①～⑩的示教點(diǎn)組成。其中點(diǎn)①、點(diǎn)⑩為原點(diǎn)（或待機(jī)位置點(diǎn)），其應(yīng)處于與工件、夾具不干涉的位置，焊槍姿態(tài)為45°（相對(duì)于X軸）。點(diǎn)②、⑤、⑥、⑨為過(guò)渡點(diǎn)（前進(jìn)點(diǎn)或退避點(diǎn)），應(yīng)處于工件、夾具不干涉的位置，焊槍角度任意。焊槍姿態(tài)和角度應(yīng)與焊接點(diǎn)一致。點(diǎn)③和點(diǎn)⑨為開(kāi)始點(diǎn)，點(diǎn)④和點(diǎn)⑧為焊接結(jié)束點(diǎn)，焊槍姿態(tài)為與兩工件垂直，與焊縫待焊方向成100°～110°夾角，如圖2所示。

圖1 示教運(yùn)動(dòng)軌跡

圖2 焊槍角度示意圖

2.2 焊接參數(shù)設(shè)置

弧焊機(jī)器人CO2氣體保護(hù)焊兼有焊條電弧焊的靈活性和埋弧自動(dòng)焊的高效性，又避免了焊條電弧焊焊縫成形系數(shù)大、效率低、變形大、弧焊線能量大、變形大的缺點(diǎn)［16］。通過(guò)可行性分析和焊接工藝評(píng)定等綜合論證，選取焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 8 mm板厚Q235底板對(duì)接平焊弧焊機(jī)器人焊接工藝參數(shù)

2.3 焊接順序和方向

對(duì)于大中型原油儲(chǔ)罐的底板焊后由于焊接產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力，使板件出現(xiàn)因壓曲形成的波浪變形，這種變形屬于板平面外變形，是板狀焊件焊后在壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)因壓應(yīng)力已超過(guò)其失穩(wěn)臨界應(yīng)力而產(chǎn)生失穩(wěn)，從而形成凹凸不平的變形［17-20］。為有效防止大中型原油儲(chǔ)罐的底板焊接后可能產(chǎn)生的波浪變形，在焊接時(shí)要考慮降低壓應(yīng)力和提高臨界壓應(yīng)力，CO2氣體保護(hù)焊所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)比氣焊和焊條電弧焊小，脈沖焊比無(wú)脈沖焊熱輸入小，都可以減少受熱區(qū)面積來(lái)減小塑性變形區(qū)。焊接時(shí)還要注意：（1）盡量使焊縫能自由收縮，先焊收縮量比較大的焊縫，從而減少內(nèi)應(yīng)力；（2）先焊工作時(shí)受力較大的焊縫；（3）長(zhǎng)焊縫盡量從中間向兩頭焊，避免從兩頭向中間焊；（4）交錯(cuò)布置的焊縫應(yīng)先焊交替的短焊縫，后焊直通的長(zhǎng)焊縫。

3 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

3.1 焊縫外觀檢驗(yàn)

焊縫外觀形狀尺寸檢驗(yàn)主要是用肉眼或借助樣板，或用低倍放大鏡（不大于5倍）觀察試件外形尺寸。該產(chǎn)品的焊縫外觀質(zhì)量要求如表5所示，焊縫成形如圖3所示。試件焊接完成后用鋼絲刷清除焊縫及表面的飛濺及焊渣，試件的正方兩面的焊縫外觀均良好美觀，平滑整齊，沒(méi)有任何的咬邊、氣孔未熔合、裂紋和夾渣等缺陷。

表5 產(chǎn)品的焊縫外觀質(zhì)量要求

圖3 8 mm板厚Q235底板對(duì)接焊縫形貌

3.2 焊縫內(nèi)部檢驗(yàn)

焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)按《金屬熔化焊接接頭射線照相》（GB/T3323-2005）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，經(jīng)X射線100%探傷檢驗(yàn)焊縫內(nèi)部，試樣焊縫內(nèi)無(wú)未焊透、未融合、氣孔、裂紋等缺陷，無(wú)條狀?yuàn)A渣，達(dá)Ⅱ級(jí)以上為合格。

3.3 力學(xué)性能

將試件按照《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》（NB/T47016-2011）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從試樣中采用機(jī)械切削的方法截取拉伸、彎曲和沖擊試樣的樣坯，保證受試驗(yàn)部分的金屬不在切割影響區(qū)內(nèi)。制備焊接接頭加工成的拉伸、彎曲和沖擊試樣，然后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。如圖4所示。試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示拉伸試樣斷后伸長(zhǎng)率為23.5%，斷面收縮率為64%，抗拉強(qiáng)度為607 MPa，2個(gè)面彎和背彎的試樣彎曲到180°以后，試樣的焊縫區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)缺陷；3組沖擊試樣的沖擊功都符合Q235的沖擊功的要求。因此力學(xué)性能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，檢驗(yàn)合格。

圖4 焊縫力學(xué)性能試樣

4 結(jié)束語(yǔ)

利用弧焊機(jī)器人CO2氣體保護(hù)焊方法完成大中型原油儲(chǔ)罐的Q235底板中幅板的對(duì)接，在合適的焊接工藝參數(shù)下采用不開(kāi)坡口單面焊雙面成形的焊接工藝得到的焊縫成形較好。

試樣焊縫區(qū)拉伸試驗(yàn)斷后伸長(zhǎng)率23.5%，斷面收縮率64%，抗拉強(qiáng)度607 MPa，彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。無(wú)損檢測(cè)結(jié)果顯示試樣焊縫內(nèi)無(wú)未焊透、未融合、氣孔、裂紋等缺陷，無(wú)條狀?yuàn)A渣，達(dá)Ⅱ級(jí)以上為合格。試驗(yàn)表明所選焊接工藝參數(shù)能滿足大中型原油儲(chǔ)罐的Q235底板焊接需要。

弧焊機(jī)器人CO2氣體保護(hù)焊焊接穩(wěn)定性好，焊縫外觀和內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)合格。相對(duì)傳統(tǒng)手工焊接弧焊機(jī)器人焊接減少了施工工序，改善了勞動(dòng)條件，降低了工人的技術(shù)操作難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了焊接效率。