CN105537737A - 一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，属于焊接技术领域，先对待加工的板开U型坡口，减少填充金属用量，坡口处打磨除锈，在液态天然气储罐立缝位置处固定齿条及支架，用挂壁小车带着爬行焊接机器人行进，通过窄间隙热丝TIG焊实现9％Ni钢的自动化立缝焊接，由爬行焊接机器人控制焊枪摆动焊接过程，利用钨极焊枪的精准对中，实现侧壁良好熔合，利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，采用同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率精确控制较低的焊缝热输入，实现对液态天然气储罐高效、高质量的焊接制备。

Description

一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法
技术领域
本发明涉及一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
近年来，随着全球范围内液化天然气消费量的迅猛增长，对制造LNG储罐罐体的关键材料9％Ni钢及其焊接技术提出的巨大需求。9％Ni钢以其优良的低温性能和焊接性能被认为是制造低温压力容器/储罐的最佳材料，焊接9％Ni钢主要问题是保证焊接接头的低温韧性、防止焊接裂纹、防止电弧磁偏吹等问题，这与焊接材料的类型、焊接热输入、焊接工艺有关。目前，焊接9％Ni钢主要焊接方法是焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。
钨极氩弧焊的焊接效率低，在工程中选择这种焊接方法不太经济，但是，能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头，特别是采用低镍型焊接材料焊接9％Ni钢时，钨极氩弧焊是非常好的焊接方法。所以只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊，并且受特定条件限制其工艺实现十分困难。手工熔化极惰性气体保护电弧焊的熔敷速率大，但对焊工的焊接技术要求较高，且该焊接方法的主要缺点是容易产生熔合不良和气孔问题。焊条电弧焊是9％Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置、非常灵活且可行的焊接方法，该焊接方法可以达到很高的合金过度系数，甚至高达170％。埋弧焊是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了环缝焊接机械系统，埋弧焊的优点表现得更加突出，但受制于埋弧焊的自身焊接方式，它只适合于焊接横焊缝和水平位置焊缝，对于立式储罐的纵焊缝，虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制，所以现阶段埋弧焊并不适合用来焊接9％Ni钢立式储罐的纵焊缝。
在现有的生产实践中，焊条电弧焊和埋弧焊是9％Ni钢储罐现场焊接效率最高的焊接方法。由于LNG储罐的焊接工作量大，对于9％Ni钢的焊接目前主要应用的方法有：手工电弧焊、埋弧自动焊，也是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法。其中手工电弧焊主要应用于壁板的立缝、底板、大脚缝、热转角保护板，埋弧自动焊主要应用于壁板的横缝。
目前LNG罐体立缝位置用传统手工电弧焊完成，而将TIG焊应用在9％Ni钢的立缝上，对目前技术来说，实现有困难：普通TIG焊焊接效率低，对于这种大型储罐的实际生产难以实现；热输入控制难，只有控制热输入7～35KJ/cm，层间温度100℃以下，才能保证9％钢焊接接头的低温韧性，与焊接效率构成矛盾；立缝位置装夹困难，焊接9％Ni钢要防止电弧磁偏吹，因此其装夹不能使用磁性夹具。
所以目前TIG焊尚不能普及于LNG罐立缝的焊接，目前只能使用手工电弧焊，但手工电弧焊的焊接工作量大，焊接效率低，劳动条件差、强度高，焊接质量不易保证，耗材量量大，成本高，这些均是目前亟待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术的不足，为了提高了焊接效率，降低成本，得到更高的焊接质量，本发明提供一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，利用窄间隙热丝TIG焊来实现9％Ni钢立缝位置的焊接。
本发明的技术方案如下：
一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，包括步骤如下：
(1)、坡口处理：板厚24mm，开U型坡口，预留窄间隙10mm，预留钝边，坡口处打磨除锈；坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝2.0mm；②钝边伸出长度为2.5mm，钝边厚度2.5mm；③对口间隙1.0mm；④坡口角度2.5°；
(2)、装夹：利用现有LNG液态储罐挂壁小车，固定两根齿条及支架于储罐壁上，利用齿条及支架实现爬行焊接机器人与储罐的相对固定，实现稳定装夹，装夹误差小于1mm；
(3)、对立缝焊接：
用挂壁小车带着爬行焊接机器人行进移动，焊枪设于爬行焊接机器人上，焊枪安在爬行焊接机器人上，其他的设备都在地面，只需拖着电缆即可，就可实现自动行进的高效焊接；焊枪为窄间隙TIG焊枪，焊枪上设有激光传感器，通过激光对中，解决10mm窄间隙U型坡口的钨极对中问题，由于实际焊接时，需要焊枪左右摆动，只有焊枪精确对中，才可保证焊枪在摆动过程中不撞到工件；
配合TIG焊机、送丝系统、保护气系统，焊接过程由爬行焊接机器人控制；送丝系统包括ER309Si，φ1.2mm的盘状实芯焊丝，送丝速度为140～300cm/min；保护气系统中保护气为氩气，氩气纯度为99.999％，气体流量为15L/min；
在焊机中输入程序，采用同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，立向上焊，对24mm的厚板焊6层，分层焊接，层间温度控制在100℃以下，电弧电压10～12V，焊接速度4～6cm/min，使热输入为15.6～25.9kj/cm，上行焊接时，焊枪左右摆动。为了控制较低的热输入，利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，采用同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，同时避免对母材的磁化；防止和减少过热，防止出现粗大铁素体或粗大马氏体组织，尽可能减小焊接线能量。
优选的，步骤(3)中，双阶梯交流脉冲焊接电流波形参数为：焊接电流IAP＝150A，基值电流IAB＝60A，脉冲频率为50Hz。
优选的，步骤(3)中，焊枪摆动幅度为1mm，以确保坡口侧壁熔合良好。
优选的，步骤(3)中，外加热丝电源，在焊丝送入熔池前对焊丝进行加热。大大提高了焊接效率。
进一步优选的，焊丝预热电流60～70A。
本发明的有益效果在于：
1、利用本发明的技术方案通过窄间隙热丝TIG焊实现9％Ni钢的自动化立缝焊接，大大提高了焊接效率，降低成本，焊接质量更高。
2、本发明的技术方案通过窄间隙U型坡口，减少填充金属用量，提高了单道焊缝的焊接施工效率，降低了成本，由爬行焊接机器人控制焊枪摆动焊接过程，利用钨极焊枪的精准对中，实现侧壁良好熔合。
3、利用本发明的技术方案送丝稳定，送丝速度可调范围大，并在送丝过程中对焊丝加热，熔敷效率高，生产效率大大提高，利用本方案可以达到与MIG焊一样的熔敷效率，同时能够得到TIG焊接后的高质量焊缝，焊缝的冶金性能和力学性能均表现优良。
4、本发明的技术方案利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，采用同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，控制了较低的热输入，同时避免对母材的磁化；防止和减少过热，防止出现粗大铁素体或粗大马氏体组织，尽可能减小焊接线能量。
附图说明
图1为本发明U型坡口开口示意图；
图2为本发明TIG焊枪结构示意图；
图3为本发明同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形示意图；
其中，1、连接电缆，2、固定装置，3、热丝电源，4、焊丝，5、送丝嘴，6、进气口，7、气罩，8、滤板，9、钨极夹，10、钨极，11、工件。
具体实施方式
下面通过具体实施方式并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
如图1-3所示。
实施例1：
一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，包括步骤如下：
(1)、坡口处理：如图1所示，板厚a＝24mm，对厚板开窄间隙U型坡口，坡口间隙b＝10mm，预留钝边，坡口处打磨除锈；坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝2.0mm；②钝边伸出长度c＝2.5mm，钝边厚度d＝2.5mm；③对口间隙e＝1.0mm；④坡口角度α＝2.5°；
(2)、装夹：利用现有LNG液态储罐挂壁小车，固定两根齿条及支架于储罐壁上，利用齿条及支架实现爬行焊接机器人与储罐的相对固定，实现稳定装夹，装夹误差小于1mm；
(3)、对立缝焊接：
用挂壁小车带着爬行焊接机器人行进移动，焊枪设于爬行焊接机器人上，其他的设备都在地面，只需拖着电缆即可，就可实现自动行进的高效焊接。
焊枪为窄间隙TIG焊枪，焊枪上设有激光传感器，通过激光对中，解决10mm窄间隙U型坡口的钨极对中问题，由于实际焊接时，需要焊枪左右摆动，只有焊枪精确对中，才可保证焊枪在摆动过程中不撞到工件；
配合TIG焊机、送丝系统、保护气系统，如图2所示，图2中所示的结构均为本领域技术人员常用的焊接设备，图2意为便于理解本发明整体技术方案，焊接过程由爬行焊接机器人控制；送丝系统采用ER309Si，φ1.2mm的盘状实芯焊丝，送丝速度为140cm/min，外加热丝电源，在焊丝送入熔池前对焊丝进行加热，焊丝预热电流60A，大大提高了焊接效率；保护气系统中保护气为氩气，氩气纯度为99.999％，气体流量为15L/min；
在焊机中输入程序，采用同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，如图3所示，立向上焊，对24mm的厚板焊6层，分层焊接，层间温度控制在100℃以下，电弧电压10V，焊接速度4cm/min，焊接电流IAP＝150A，基值电流IAB＝60A，脉冲频率为50Hz。热输入控制为15.6～25.9kj/cm，上行焊接时，焊枪左右摆动，焊枪摆动幅度为1mm，以确保坡口侧壁熔合良好。
为了控制较低的热输入，利用交流脉冲热丝TIG焊接技术，采用同时具备交流和脉冲功能的双阶梯交流脉冲焊接电流波形，通过调节焊接电流和脉冲频率来精确控制焊缝热输入，同时避免对母材的磁化；防止和减少过热，防止出现粗大铁素体或粗大马氏体组织，尽可能减小焊接线能量。
实施例2：
一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，其步骤如实施例1所述，区别在于，焊丝送丝速度为300cm/min，电弧电压12V，焊丝预热电流70A，焊接速度6cm/min，热输入控制在33KJ/cm以下。

Claims (5)

1.一种液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)、坡口处理：板厚24mm，开U型坡口，预留窄间隙10mm，预留钝边，坡口处打磨除锈；坡口尺寸为：①底部圆弧过渡半径R＝2.0mm；②钝边伸出长度为2.5mm，钝边厚度2.5mm；③对口间隙1.0mm；④坡口角度2.5°；
(2)、装夹：利用储罐挂壁小车，固定两根齿条及支架于储罐壁上，利用齿条及支架实现爬行焊接机器人与储罐的相对固定，实现稳定装夹，装夹误差小于1mm；
(3)、对立缝焊接：
用挂壁小车带着爬行焊接机器人行进移动，焊枪设于爬行焊接机器人上，焊枪为窄间隙TIG焊枪，焊枪上设有激光传感器，配合TIG焊机、送丝系统、保护气系统，焊接过程由爬行焊接机器人控制；送丝系统包括ER309Si，φ1.2mm的盘状实芯焊丝，送丝速度为140～300cm/min；保护气系统中保护气为氩气，氩气纯度为99.999％，气体流量为15L/min；
采用双阶梯交流脉冲焊接电流波形，立向上焊，对24mm的厚板焊6层，分层焊接，层间温度控制在100℃以下，电弧电压10～12V，焊接速度4～6cm/min，上行焊接时，焊枪左右摆动。
2.根据权利要求1所述的液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，双阶梯交流脉冲焊接电流波形的参数为：焊接电流IAP＝150A，基值电流IAB＝60A，脉冲频率为50Hz。
3.根据权利要求1所述的液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，焊枪摆动幅度为1mm。
4.根据权利要求1所述的液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，外加热丝电源，在焊丝送入熔池前对焊丝进行加热。
5.根据权利要求4所述的液态天然气储罐立缝位置的窄间隙焊接方法，其特征在于，焊丝预热电流60～70A。
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