中小型儲(chǔ)罐單面焊雙面成形自動(dòng)焊技術(shù)試驗(yàn)

馬旭陽(yáng)，張雷強(qiáng)，龔國(guó)杰，江澤陽(yáng)，白俊雨，馮一哲，陳子胥，李海龍，汪正偉

1.茂名港集團(tuán)有限公司 廣東茂名 510623

2.中石化第五建設(shè)有限公司 廣東廣州 510180

3.北京博清科技有限公司 北京 100176

1 序言

儲(chǔ)油罐區(qū)的中小型儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)焊接，通常采用焊條電弧焊，罐壁外部焊接完成后，在罐內(nèi)碳弧氣刨清根，再進(jìn)行焊條電弧焊補(bǔ)焊。這種焊接工藝方法雖然比較成熟，但是對(duì)焊工的技能要求較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接效率低，焊接材料浪費(fèi)較嚴(yán)重，而且焊縫質(zhì)量受焊工自身因素的影響。熔化極氣體保護(hù)焊單面焊雙面成形技術(shù)試驗(yàn)依托茂名港項(xiàng)目，在5000m3的儲(chǔ)罐上進(jìn)行了實(shí)踐論證，現(xiàn)場(chǎng)采用熔化極氣體保護(hù)焊單面焊雙面成形技術(shù)，為工程應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)條件

（1）設(shè)備 北京博清科技自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的BOT-WTA20-322無(wú)軌導(dǎo)全位置爬行焊接機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)軌導(dǎo)全位置爬行焊接機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)

圖1 無(wú)軌導(dǎo)全位置爬行焊接機(jī)器人系統(tǒng)

（2）母材及坡口形式 現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐材質(zhì)為Q235C鋼，母材板厚為7～16mm，儲(chǔ)罐直徑21000mm，立焊縫和環(huán)焊縫的坡口形式如圖2所示。

圖2 焊縫坡口示意

（3）焊接材料 選用的焊接材料見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)所用焊接材料

（4）保護(hù)氣體 保護(hù)氣選用混合氣體，成分為80%Ar+20%CO2，其中Ar氣氣體純度＞99.99%，CO2氣體純度＞99.96%。現(xiàn)場(chǎng)采用集中供氣方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行供氣保護(hù)。

3 焊接參數(shù)及成形質(zhì)量

3.1 立焊

（1）焊接參數(shù) 立焊焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 立焊焊接參數(shù)

（2）根焊焊接成形 根據(jù)坡口形式和焊絲的特性，根焊時(shí)采用直流方式[1]進(jìn)行焊接，保證根部的熔合并避免焊接穿絲。立焊縫根焊時(shí)，要根據(jù)組對(duì)時(shí)的根部間隙對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)坡口的變化對(duì)焊接過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，立焊根焊的正面成形及背面成形如圖3、圖4所示。

圖3 根焊的正面成形

圖4 根焊的背面成形

（3）填充層焊接成形 立焊填充層的焊接參數(shù)主要與根焊層的焊縫成形有關(guān)，擺幅要使焊絲保證兩側(cè)熔合，外觀成形如圖5所示。

圖5 填充層外觀成形

（4）蓋面層焊接成形 立焊焊縫蓋面要保證坡口面完全蓋住，焊道寬度不超過(guò)坡口寬度3mm，余高不超過(guò)2 mm；立焊蓋面層外觀成形如圖6所示。

圖6 蓋面層外觀成形

3.2 橫焊

（1）焊接參數(shù) 橫焊的焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 橫焊焊接參數(shù)

（2）根焊焊接成形 環(huán)焊縫根焊時(shí)，按照根部間隙要求，無(wú)需擺動(dòng)，如果焊縫根部間隙過(guò)大，可以通過(guò)增加擺動(dòng)的方式來(lái)增加上下坡口面的熔合，但是擺動(dòng)頻率要快，因?yàn)闄M焊的焊接速度比立焊焊接速度快。環(huán)焊縫根焊的正面成形及背面成形如圖7、圖8所示。

圖7 環(huán)焊縫根焊正面成形

圖8 環(huán)焊縫根焊背面成形

（3）填充層焊接成形 環(huán)焊縫填充層需要在保證質(zhì)量的同時(shí)，提高焊接效率，所以焊接參數(shù)上相對(duì)根焊要高，環(huán)焊縫填充層的外觀成形如圖9所示。

圖9 環(huán)縫填充層成形

（4）蓋面層焊接成形 環(huán)焊縫蓋面需要逐層進(jìn)行壓道，從下坡口面逐層焊到上坡口面，保證兩側(cè)坡口面完全蓋住，道與道之間壓接不能出現(xiàn)溝槽。環(huán)焊縫蓋面層的焊接外觀成形如圖10所示。

圖10 環(huán)焊縫蓋面層外觀成形

4 焊接工藝評(píng)定

在焊接儲(chǔ)罐前需要提前做橫焊和立焊試板工藝評(píng)定[2]，工藝評(píng)定合格后才能進(jìn)行上罐焊接，在罐體上焊接參數(shù)必須符合工藝評(píng)定的WPS設(shè)置，罐體焊接完成后需要對(duì)焊接部位進(jìn)行RT檢測(cè)，通過(guò)對(duì)4臺(tái)儲(chǔ)罐的焊縫檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，焊縫質(zhì)量一次驗(yàn)收合格率達(dá)97.3%以上。

5 焊接質(zhì)量的影響因素

熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊在戶外大型結(jié)構(gòu)件上焊接實(shí)例很少，在油氣化工領(lǐng)域，中小型油儲(chǔ)罐的焊接都是采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接。單面焊雙面成形的應(yīng)用雖提高了效率，減少了成本，但影響熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊質(zhì)量的因素較多且復(fù)雜[3]。

（1）坡口質(zhì)量及組對(duì)質(zhì)量 坡口的加工質(zhì)量和組對(duì)質(zhì)量直接影響自動(dòng)焊的效率和焊接質(zhì)量。在儲(chǔ)罐焊接時(shí)，對(duì)焊縫坡口采用等離子下料，保證了切割面的表面粗糙度并減少了壁板的變形量；在組對(duì)時(shí)采用組對(duì)工裝和組對(duì)間隙調(diào)節(jié)器，來(lái)保證組對(duì)的質(zhì)量要求。

（2）焊接速度 根焊時(shí)焊接速度要根據(jù)根焊的焊接參數(shù)和預(yù)留的根部間隙進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)間隙小時(shí)，焊接速度相應(yīng)需要加快，避免熔池出現(xiàn)在電弧的前方，導(dǎo)致焊接熔合不好；當(dāng)間隙大時(shí)，焊接速度響應(yīng)減慢，必要時(shí)可以增加擺動(dòng)，保證電弧能使上下坡口的根部熔合，避免焊接穿絲。在焊接填充層時(shí)，可以相應(yīng)地增加焊接參數(shù)，提高焊接速度，保證層間熔合和焊縫成形；在蓋面時(shí)，需要根據(jù)預(yù)留的坡口深度進(jìn)行焊接參數(shù)和焊接速度調(diào)整，保證填平焊縫不超出余高要求，也不會(huì)造成熔池流淌。

（3）送絲速度 送絲速度對(duì)應(yīng)焊接時(shí)電流值，送絲速度的參數(shù)設(shè)定取決于焊接位置和組對(duì)根部間隙的大小，立焊縫送絲速度一般為2.4～4m/min，橫焊除了根焊位置送絲速度相對(duì)小，填充、蓋面層的送絲速度可適當(dāng)增加，保證填充量和焊接速度，提高效率，一般送絲速度為5～8m/min。

（4）擺幅 擺幅的大小取決于焊接位置和前一道焊縫的熔合線寬度，當(dāng)焊接立焊的根焊時(shí)，焊縫擺幅根據(jù)根部間隙的大小，保證坡口兩側(cè)的母材的熔合。焊接填充層時(shí)，根據(jù)上一道焊縫成形時(shí)的熔合線位置，設(shè)定下一道焊接擺幅。蓋面時(shí)擺幅的設(shè)定要根據(jù)坡口面的寬度進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)坡口面寬度＞24mm時(shí)，需要對(duì)坡口面蓋面焊縫進(jìn)行分道，即焊縫蓋面分左右兩條焊縫，完成焊縫坡口面的蓋面；當(dāng)焊接環(huán)焊縫時(shí)，擺幅小或不擺動(dòng)，擺幅設(shè)置不能超過(guò)2mm。

（5）擺速 擺速設(shè)置取決于擺幅的大小，擺幅越小，擺速越快，為了保證電弧的連續(xù)性，當(dāng)擺幅增大時(shí)，擺速要相應(yīng)降低。

（6）兩側(cè)停留時(shí)間 兩側(cè)停留時(shí)間取決于焊縫的焊接位置，橫焊時(shí)兩側(cè)停留時(shí)間最短，不能超過(guò)0.4s，立焊時(shí)根焊兩側(cè)停留時(shí)間最短，填充時(shí)次之，蓋面時(shí)兩側(cè)停留時(shí)間最長(zhǎng)。

（7）氣體 熔化極氣體保護(hù)焊對(duì)保護(hù)氣體的純度有較高要求，該項(xiàng)目采用混合氣作為保護(hù)氣體，氣體成分為80%Ar+20%CO2，這種富氬氣體在焊接過(guò)程中對(duì)飛濺的抑制效果非常好，減少了飛濺，提高了熔敷率，在焊接相同的焊道時(shí)，需要的焊絲填充量就減少，焊接時(shí)的速度就需要提高，而且由于減少了CO2的比例，焊縫的力學(xué)性能提升。同時(shí)氣體的純度對(duì)焊接質(zhì)量也有很大的影響，要求Ar氣純度＞99.99%，CO2氣體純度＞99.96%，否則會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔；另外，焊接時(shí)的氣體流量也需要進(jìn)行限制，當(dāng)氣體流量過(guò)小時(shí)，不能形成有效地保護(hù)氣簾，會(huì)產(chǎn)生氣孔；當(dāng)氣流量過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生攪動(dòng)，導(dǎo)致飛濺增加。

（8）防風(fēng)工裝 熔化極氣體保護(hù)焊對(duì)防風(fēng)的要求特別高，在風(fēng)速超過(guò)2m/s時(shí)，需要進(jìn)行防風(fēng)，否則會(huì)導(dǎo)致氣體保護(hù)效果差，形成氣孔等缺陷，影響焊縫質(zhì)量。因此，需要在風(fēng)速超過(guò)要求時(shí)增加防風(fēng)措施。防風(fēng)罩如圖11所示。

圖11 防風(fēng)罩

（9）定位焊的質(zhì)量 定位焊作為焊接焊縫的一部分，其質(zhì)量直接影響焊縫的整體質(zhì)量，因此定位焊要按照正常施焊時(shí)的焊接參數(shù)和要求進(jìn)行焊接，保證焊縫的熔合良好，沒(méi)有氣孔，在根焊前對(duì)定位焊進(jìn)行打磨，要求定位焊兩端打磨月牙并減少厚度，定位焊中間部位要求焊縫上下坡口面圓滑過(guò)渡，在焊接到定位焊位置時(shí)，通過(guò)增加或減少焊接速度來(lái)保證打底焊縫的焊道面高度一致，使后面打底層和填充層的焊接面一致。

（10）焊接接頭的處理 因焊接過(guò)程不可避免地出現(xiàn)斷弧，如更換焊絲或多機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)的起弧、收弧位置，所以都會(huì)留下焊接接頭。焊接接頭由于剛起弧和母材溫度低都會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，因此對(duì)于焊接接頭位置需要進(jìn)行打磨處理。通過(guò)角磨機(jī)打磨成月牙狀，而且重新起弧或收弧時(shí)需要壓住打磨位置，保證打磨位置被完全填滿，通過(guò)對(duì)收弧電流的調(diào)整，使收弧位置的焊縫飽滿，從而改善接頭質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

中小型儲(chǔ)罐的壁板環(huán)焊縫和立焊縫單面焊雙面成形的根焊工藝是保證施工質(zhì)量和進(jìn)度的重點(diǎn)，與傳統(tǒng)的焊條電弧焊相比，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了內(nèi)部施工，改善了危險(xiǎn)程度。但是，由于根焊對(duì)坡口質(zhì)量、組對(duì)根部間隙要求較高，導(dǎo)致在坡口組對(duì)間隙不合適的時(shí)候造成斷弧、穿絲等現(xiàn)象，因此后續(xù)需要在不同工況、不同坡口和根部間隙下進(jìn)行試驗(yàn)，開發(fā)出高效的適合不同場(chǎng)景的焊接參數(shù)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。