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Q370R球罐MAG立焊自动焊焊接工艺研究
1、 课题研究的意义及背景 随着我国经济的发展，对石化原料及能源需求日益增长，每年在新增大批球罐用于储存的同时，球罐也向着高参数、大型化、轻量化方向发展，如我国有07MnCrMoVR/Q370 钢制 10 000 m 3 的天然气球罐、06Ni3DR 钢制－100 ℃ 3 000 m 3 乙烷球罐、66 mm 厚09MnNiDR 钢制的－70 ℃ 3 000 m 3 乙烯球罐。目前国内大多数球罐采用分析设计，壁厚与常规设计相比约薄 10%，但对焊接接头的技术要求相应提高。我国焊制球罐的焊工长期疏于管理，片面追求焊接效率、压缩成本，习惯采用大线能量焊接，大大超出规范允许的范围；另外市场经济加速了焊工流动，球罐若出现焊接质量问题对焊工难以追责，给球罐质量带来了安全隐患。而焊条电弧焊效率低，焊缝成形较差，劳动强度大，厚壁球罐施焊时需预热，罐内环境温度可高达 50 ℃以上，内壁焊接时烟尘量较大，难以及时排出，在如此恶劣的环境中施焊影响了焊工身心健康，难以焊出高品质的焊缝，为此，球罐采用高效自动化焊接成为行业上的迫切需求。近年来随着我国焊接自动化设备、焊接材料的日益成熟，以及焊接劳动力价格的不断上涨，使球罐自动化焊接的成本优势逐步显现。球罐脉冲 MAG 全位置自动焊具有绿色环保、高效节能等优点，与焊条电弧焊相比，其焊接工艺参数可控，焊接变形量小，更有利于保证球罐的焊接质量，但需解决曲面爬行轨道、焊接小车、机头摆动机构、控制系统、配套的金属粉型焊丝及焊接工艺等诸多技术难题。针对量大面广的 Q370R 钢制大型球罐，通过对球罐脉冲 MAG 全位置自动焊接系统中多项子系统的攻关试验研究，要实现自动焊焊接装备在球罐上全方位平稳运行，且价格低廉，研制的金属粉芯焊丝质量稳定的功能，适于 Q370R 钢制球罐全位置焊接，焊缝金属力学性能较佳，球罐自动焊焊缝成形美观，应用前景广阔[1]。2、球罐自动焊的普遍研究我国大型球罐的现场自动焊接试验研究起始于20世纪80年代。到20世纪90年代自动焊接技术开始逐渐应用于球罐的建造中。中石化总公司第三建设公司自 1993 年开始应用自保焊和气保焊工艺在球壳的纵缝、环缝、仰焊位置进行自动化焊接试验研究，1993年底正式在球罐制造中采用自动焊接技术,至1997年共完成13台球罐的焊接。所完成的球罐制造中除接管、人孔法兰和柱腿焊缝等附件焊缝外,全部纵缝、横缝均为自动焊接成型，一次焊接合格率超过 95%,开创了国内大型球罐现场全位置焊接技术的良好局面。1998年《石油化工建设》第六期中齐玉宏提出在不锈钢管内充氮保护的TIG焊工艺焊接球罐[2]。不锈钢氢弧焊焊缝背面充氮保护可有效防止焊缝背面氧化，氮无明显的溶入反应，对焊缝的组织和性能无不利影响，焊接质量可满足工程需要。且比充氢保护降低成本30%以上。但当时仍要使用进口焊丝，成本较高，有待开发适用于球罐自动焊工艺的国产焊丝。在之后的时间里，杨兴华、张武军等人研究出了不锈钢金属粉芯焊丝打底焊接法[3]。解决了焊渣无法排除的问题，不锈钢金属粉芯焊丝既有实心焊丝的优点，又兼备高熔敷速度、低飞溅性等熔渣型药芯焊丝的优点。随着科技的进步，焊接工艺方法也在更新换代。房务农、何前进[4]等人所在的中石化南京工程公司研究出了球罐脉冲MAG全位置自动焊，其绿色环保又高效节能。采用 GCR-81Ni1MP 金属粉芯焊丝、脉冲电源进行全位置自动焊接，焊缝成形良好，抗冷裂性好，其韧脆转变温度、冲击韧性、NDTT 温度等力学性能与Q370R相匹配。球罐现场焊接中常采用对称焊、分段焊、多层多道焊等方法优化焊接顺序来减少焊接内应力和变形[5]。目前，球罐自动组焊制造中使用的设备相互间缺少协同作业能力，设备安装、拆卸以及相互协调时间大大超过实际焊接运行时间，焊接效率低下从而急需提高设备的焊接效率和稳定性，未来发展的重要趋势就是开展球罐焊接设备间的网络集群技术。针对球罐焊接效率低、焊接质量稳定性差、工人劳动强度大、施工成本高、焊工培养困难等问题，自动化、智能化、网络化等是球罐全位置焊接机器人发展的必然方向，同时全位置药芯自保护焊接工艺、多层多道焊缝自动跟踪及离线编程技术、多机器人协同作业等关键技术的集成应用是未来设备发展的必然趋势[6]。吴一非、傅强等人[7]进一步优化了焊接工艺，提出设计了一种基于被动视觉技术的环缝自动焊机。该焊机通过开关磁座将行走轨道吸附在球罐表面，焊机小车沿轨道行走，进而完成对环缝的焊接[8]。焊缝跟踪系统利用被动视觉传感器采集到的焊接图像，提取出图像中焊缝与熔池的偏差。控制系统利用焊接偏差控制纠偏机构工作，实现焊缝跟踪[9]。该系统解决了因轨道安装而导致的焊接误差问题，极大地提高了环缝的焊接精度[10]。3、球罐全位置自动焊焊接缺陷成因（1）焊接区裂纹倾向采用CHW-55QR金属粉芯焊丝、脉冲MAG 自动焊接，除弧坑有微裂纹外，未发现任何冷裂纹。若按通常当裂纹率小于 20%时可判定该试板无冷裂纹倾向的原则，可认为 Q370R 钢焊前经70℃以上预热[11]，采用该方法在现场球罐的拘束状态下，实际焊接接头出现冷裂纹的可能性很小，几乎没有。（2）焊接区气孔成因由于球罐自动焊所采用的焊丝包装精良，坡口处理较为严格，焊接环境是采用封闭式蓬架施焊球罐的，所以球罐气孔缺陷的产生原因主要是 CO2保护气体的质量及保护气氛的稳定性[12]。当 CO2，气瓶使用时间过长，特别是气温较低时，CO2汽化所需热量不足，瓶内压力降低，致使 CO2汽化量不足，流量减小，影响熔池保护气氛的稳定。喷嘴被焊接飞溅堵塞或部分堵塞，影响供气，导致熔池保护不良，在焊缝表面容易出现蜂窝状气孔。[13]纵缝丁字口处起弧多，焊接参数变化大，加上结构造成的磁偏吹及对口间隙处空气对流的影响，使电弧不易保护，容易产生气孔。CO2气体中含水量过高，纯度降低。CO2气体中含水量与气瓶中的压力有关，压力越小，含水量越高，而含水量增加，将导致气孔增加。[14]（3）夹渣成因药芯焊丝CO2 气体保护焊系气-渣联合保护焊接法。焊后，焊缝表面也出现一层薄薄的焊渣保护层。自动焊球罐中的夹渣(尤其是细长渣）主要是清渣不净造成的。自动焊接时，焊枪摆幅在焊接过程中一般是不变的，当坡口间隙差较大时，在坡口边缘容易形成凹形尖角，致使其中焊渣不易清净[15]。排焊时，因焊丝受固定轨道限制，当轨道设置不当，焊丝位置不当或坡口形状不连续时(尤其是丁字口处），也容易产生凹形尖角，使清渣困难，易造成焊道（层)间夹渣,此外,排焊时焊接速度较快，熔池冷却较快，也影响熔渣的排出。当坡口间隙较小，背面清根深度不足时，也易残留焊渣。[16]4、金属粉芯焊丝脉冲富氯气体保护焊优点（1） 金属粉芯焊丝虽在我国被归为药芯焊丝，但由于加入的非金属焊剂低于10%，有别于钛型、碱性药芯焊丝，如图3所示，其熔滴的过渡特性与实心焊丝相似，合金成分的调整非常方便，无需依赖钢厂，其性能优于实心焊丝，在脉冲富氟气体保护焊时易实现稳定的射滴过渡，可用于球罐全位置焊接。[17]（2）通过送丝速度来调节脉冲频率，改变单位时间内熔滴过渡的滴数，实现一脉一滴的射滴过渡，电弧呈钟罩状，焊缝成形好[18]，焊缝呈圆弧状熔深，可避免出现指状熔深。（3）熔滴温度低，焊接发尘量小，合金元素的烧损少，有利于合金元素向焊缝金属中过渡[19]，也改善了球罐内壁施焊环境。（4）球状熔滴沿焊丝轴向过渡，电弧稳定，基本无飞溅。[20]（5）弧长短，电弧指向性好,熔滴主要受电弧力作用，可克服仰焊位置熔池重力的影响,实现球罐全位置焊接。（6）脉冲频率低时焊接平均电流较低,电弧仍可稳定燃烧，扩大了焊接电流使用范围，可从几十安培到射流过渡临界值。[21]（7）焊接操作时因周围环境振颤所引起的弧长变化有较强的补偿能力。[22]5、球罐自动焊药芯焊丝的焊接工艺由于药芯焊丝中加入了稳弧剂，电弧燃烧稳定，熔化金属呈滴状均匀过渡，故焊接时飞溅很少，且飞溅颗粒细小，在钢板上粘不住，极易清除。[23]药芯焊丝的熔敷速度及焊接质量均高于实心焊丝。采用药芯焊丝焊接时，由于焊丝断面上通电部分的面积小于同样粗细的实心焊丝,在相同的焊接电流下药芯焊丝的电流密度高，焊丝的熔化速度快，熔敷速度提高，焊缝成形美观。由于焊缝成形的好坏，熔渣起着重要的作用。用实心焊丝焊接时，是无法依靠熔渣起这种作用的，只能靠熔融金属自身的粘性和表面张力形成焊道，所以实心焊丝焊缝的表面形状不美观。当使用药芯焊丝焊接时，能产生一定数量的熔渣,依靠熔渣的表面张力造成一个较软的铸型,这个铸型的生成对形成良好的焊道起着重要的作用。[24]药芯焊丝适宜于全位置焊接。实践表明,在纵缝、环缝、立焊、横焊、仰焊各种位置情况下，均可采用较大的焊接电流。药芯焊丝分为自保护焊丝和CO2气体保护焊丝两大类。一般自保护焊丝的直径为2.0-2.4mm，气体保护焊丝的直径1.2~1.6mm。气体保护焊丝使用时必须外加保护气体，气体保护焊丝焊接时电弧较稳定、飞溅小、脱渣容易、焊缝成形好、熔敷效率高, [25]但使用过程中必须采取可靠的防风措施。自保护焊丝在焊接时不需外加保护气体，因而对焊接环境的适应能力较强，焊接时操作方便，但因其焊接过程中全部靠自身的造气和造渣保护。因此烟雾和飞溅较大，熔敷效率低，脱渣性能较差，焊缝的外观成形不如气体保护焊丝[26]。CO2气体保护药芯焊丝可以用在球罐全位置自动焊接中，但焊后焊缝表面也会出现一层薄薄的焊渣保护层，环缝是球罐中超标缺陷较多的区域，而细长央渣则是超标缺陷的主要形式，故加强环缝焊道、焊层间清渣是提高自动焊合格率的重要措施。[27]6、课题研究内容及技术路线 本课题拟通过实验来研究Q370R球罐MAG立焊自动焊焊接工艺及性能，主要研究内容如下： 1、初步分析球罐自动焊焊接性及工艺，确立采用Q370R球罐MAG立焊自动焊来进行焊接。2、研究焊接电流、电压和气体流量等工艺参数对球罐自动焊焊接质量的影响。3、分析Q370R球罐MAG立焊自动焊的质量及相关力学性能。4、得出优化的Q370R球罐MAG立焊自动焊焊接工艺参数。参考文献[1]陈定岳，刘平. 大型球罐全位置自动焊接[J]. 锅炉压力容器安全技术，1996（2）：36-39.[2]齐玉宏. 不锈钢管内充氮保护的TIG焊工艺[J].石油化工建设报，1998，6：1-3[3] 张运川. 球形贮罐自动化焊接技术的进展[J]. 压力容器，1997（4）：49-56.[4]房务农，何前进.大型球罐高效脉冲MAG全位置自动焊接系统[J].电焊机报,2016，46（3）：1-8[5]陈定岳，刘平. 大型球罐全位置自动焊接[J]. 锅炉压力容器安全技术，1996（2）：36-39.[6] 王嘉麟.球形储罐焊接工程技术[M].北京：机械工业出版社，2000：231-232.[7] 吴林. 焊接手册[M]. 北京：机械工业出版社，2001：199-200.[8] 孙咸. 药芯焊丝生产装备特性及其与焊丝品质的相关性[J].焊接，2011（2）：14-18.[9] 孙洪春. 自动焊接技术在球罐施工中的应用[J]. 焊接，2002（9）：45-47.[10] 胡胜. 轨道式管道焊接机器人焊缝跟踪方法研究现状[J].河北科技大学学报，2015，36（2）：126-133.[11] Pan J . 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