CN106624284B - 一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备及工作方法 - Google Patents

一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备及工作方法,属于焊接技术领域,包括真空吸附系统、焊接小车和窄间隙旋转钨极焊枪;真空吸附系统包括挂壁式吸板,挂壁式吸板内侧设有吸盘,挂壁式吸板悬挂于焊件上,吸盘与真空泵相连,挂壁式吸板与焊接小车相连;焊接小车包括小车本体、控制箱,小车本体上设置控制箱,小车本体与窄间隙旋转钨极焊枪相连;窄间隙旋转钨极焊枪包括枪体,枪体内设有中心旋转轴、导电系统和电机控制盒,电机控制盒与中心旋转轴一端相连,中心旋转轴另一端设有钨极,钨极一端为非中心对称的尖端;导电系统与中心旋转轴相连,枪体外部设有送丝系统、送气系统,电弧周期性加热窄间隙两侧,侧壁熔合良好。

Description

一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备及工作方法
技术领域
本发明涉及一种液态天然气储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备的设计及焊接工作方法,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,建造液化天然气(LNG)储罐可大大降低储运成本,必然对制造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,采用9%Ni钢板进行各种位置的焊接加工是关键技术之一。
由于LNG储罐的焊接工作量大,对于9%Ni钢的焊接通常采用各种焊接方法相配合。目前,焊接9%Ni钢主要焊接方法包括焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极气体保护电弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。其中,手工电弧焊和埋弧自动焊是目前我国LNG储罐本体普遍采用的焊接方法,除壁板环缝采用埋弧自动焊外,壁板纵缝、底板和大角缝焊接全部为手工焊条电弧焊。
手工焊条电弧焊是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,但人工效率较低、人工成本高昂,且产生焊接缺陷的几率较大。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。
一般情况下,认为钨极氩弧焊的焊接效率较低,在工程中选择这种焊接方法不太经济,但是,钨极氩弧焊是窄间隙焊接工艺的常用焊接方法,电弧稳定性高,能够得到具有窄坡口的高质量的焊接接头,达到节约材料、减少工艺时间、提高施工效率、改善焊接质量的目的。需要说明的是,在采用手工熔化极惰性气体保护电弧焊并应用低镍型焊接材料焊接9%Ni钢时,能够获得高质量的焊接接头,熔敷效率高,但对焊工的焊接技术要求较高,且容易产生熔合不良和气孔问题。
采用手弧焊的工艺方法,大大限制了大型LNG储罐的生产效率,提高了生产成本,但是目前9%钢自动化的立焊始终未能实现。
要实现LNG罐体立缝位置的自动化焊接,对目前技术来说存在以下困难:
9%Ni钢在焊接冶金反应和热循环的作用下,其组织和成分改变,容易产生脆硬相,低温性能下降,冷热裂纹倾向增大,焊接施工比较复杂。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;立缝位置装夹困难,焊接9%Ni钢要防止钢板磁化及电弧磁偏吹,因此其装夹不能使用磁性夹具。
将窄间隙TIG焊应用于现场自动立焊,侧壁熔合、焊件的固定和夹持、装备的适用性、可靠性均为焊接过程中的关键问题。中国专利文件201510255345.6,公开了一种无限旋转焊枪,该专利是一种二保焊枪的旋转夹持装置,带着传统二保焊枪以一定角度旋转,目的在于解决焊圆缝时焊枪旋转角度有限,旋转时电缆缠绕问题,对窄间隙TIG焊接侧壁并不适用。
发明内容
针对现有技术的不足,为了提高焊接效率,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9%Ni钢自动立焊的成套设备和方法,由窄间隙旋转钨极TIG焊枪、焊接小车、真空吸附系统组成,来实现9%Ni钢立缝位置的自动焊接。
本发明的技术方案如下:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,包括真空吸附系统、焊接小车和窄间隙旋转钨极焊枪;
真空吸附系统包括挂壁式吸板、真空泵,挂壁式吸板内侧设有吸盘,挂壁式吸板悬挂于焊件上,吸盘与真空泵相连,挂壁式吸板与焊接小车相连;
焊接小车包括小车本体、控制箱,小车本体上设置控制箱,小车本体与窄间隙旋转钨极焊枪相连;
窄间隙旋转钨极焊枪包括枪体、中心旋转轴、导电系统和电机控制盒,电机控制盒与中心旋转轴一端相连,中心旋转轴另一端设有钨极,所述钨极一端为非中心对称的尖端;导电系统与中心旋转轴相连,枪体外部设有送丝系统和送气系统。
焊接小车带动窄间隙旋转钨极焊枪沿着真空吸附系统移动,从而对罐体立缝进行焊接,焊接过程中,电机控制盒控制中心旋转轴和钨极转动,在导电系统和送丝送气系统的协同下引燃电弧实施旋转焊接,钨极在旋转过程中电弧会周期性的加热窄间隙两侧,解决侧壁熔合不良的问题。电机控制盒用于控制电机转速,在不同焊接速度下调节合适的转速,以得到侧壁熔合良好的焊缝。
根据本发明优选的,中心旋转轴包括电机、联轴器、轴承、中心轴、钨极夹,联轴器为绝缘联轴器,联轴器连接电机与中心轴,中心轴一端贯穿轴承与联轴器相连,中心轴另一端设有钨极夹。
进一步优选的,电机位于支撑块内,电机通过支撑块与枪体相连,支撑块为电木加工的支撑块。电机周围的支撑部分采用电木加工,保证电机与中心轴的绝缘,可以防止高频击穿。
根据本发明优选的,导电系统包括固定件和导电块,导电块位于固定件内,导电块与中心轴接触连接,电缆与导电块相连。固定件起支撑导电块的作用,电缆接在铜导电块上使中心轴完成导电。
进一步优选的,中心轴外侧设有斜面凸台,导电块设有斜面凹槽,斜面凸台与斜面凹槽接触连接。使中心轴与导电块有一个锥度的接触,在中心轴旋转时,二者在旋转中完成导电。锥度可增大导电接触面,保证焊接大电流下稳定良好的导电。
进一步优选的,斜面凸台的斜面与中心轴径向平面的夹角角度为35°。
根据本发明优选的,送丝系统包括送丝管与焊丝,焊丝贯穿送丝管设置,送丝管与枪体外侧铰接。使送丝管角度和高度都可以任意调节。
根据本发明优选的,送气系统包括气罩,气罩与枪体外侧相连,钨极贯穿气罩设置。
进一步优选的,气罩一端与滑竿滑动连接,滑竿与枪体外侧固定连接。使气罩可以上下滑动,保证多层焊时送丝、气保护的良好配合。
根据本发明优选的,小车本体包括X-Y滑块、焊枪夹具、导向轮、直线导轨,焊枪夹具与X-Y滑块、窄间隙旋转钨极焊枪相连,直线导轨与挂壁式吸板相连,焊枪夹具通过导向轮与直线导轨移动连接,X-Y滑块用于调节焊枪位置。
9%Ni钢是一种磁化倾向较大的材料,常规的磁吸式固定方法容易对9%钢本身造成磁化。另外,由于电弧是一种离子流,钢材的磁性会造成电弧的磁偏吹,并将严重影响焊接质量,造成未焊透、未熔合、夹渣、气孔等缺陷,严重时甚至无法施焊,因此无法应用于该工艺。本发明技术方案提出采用工业吸盘对焊接小车轨道进行有效固定,具有无磁性、无损伤、容易实现、可靠等优势。挂壁式吸板(内侧安装有真空吸盘)悬挂于焊件上,由真空泵不断的抽真空,使其稳定的吸附在LNG罐体壁上。
根据本发明优选的,钨极一端的尖端平面与钨极轴所在平面的角度为35°~50°。
进一步优选的,尖端平面与钨极轴所在平面的角度为45°。电机控制钨极旋转,将电弧周期性有效的引导至窄间隙两侧壁,以周期性控制钨极尖端与钢板两侧距离发生周期性变化。
一种利用上述LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备的焊接方法,包括步骤如下:
(1)将挂壁式吸板悬挂在罐体立壁上,吸盘与焊件表面接触,启动真空泵使吸盘真空,使挂壁式吸板吸附固定于焊件上;
(2)将焊接小车与挂壁式吸板相连,在焊接小车上夹持窄间隙旋转钨极焊枪;
(3)将窄间隙旋转钨极焊枪的钨极置于焊缝内,开启送丝系统和送气系统,进行焊接。
本发明的有益效果在于:
1、针对9%Ni钢磁化倾向大,本发明的技术方案根据挂壁小车的原理,将整个工作支架悬挂、固定在立壁上,实现垂直方向的有效固定;同时利用强力真空工业吸盘实现对支架实现水平方向的有效固定,避免了磁化引起的焊接质量问题。
2、本发明利用焊接小车,可以减少劳动强度,改善作业环境;提高工作效率,本技术方案的效率可达手工焊的1.5倍;避免人为因素所造成的焊缝质量不良,采用自动焊接小车没有产生焊接不良率,其综合效益比手工焊提高近200%;自动化程度高,确保焊接质量的稳定性;简单轻便,焊接效率高。
3、本发明的技术方案利用窄间隙TIG焊接工艺,可以实现超厚钢板的高效率焊接;较少焊接材料和电能的使用;热输入低,改善焊缝品质;可横焊、立焊、仰焊及全位置的焊接。
4、本发明的技术方案所述的焊枪可以控制钨极实现无限回转;钨极与焊枪无限导电;多重可靠气体保护;具备填丝功能;支持窄间隙焊接(5mm-10mm)。
5、本发明的技术方案,使电弧在窄间隙坡口中周期性偏心旋转,解决了窄间隙焊接侧壁未能熔合问题,有效保证侧壁熔合。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图;
图2是本发明窄间隙旋转钨极焊枪主视结构透视示意图;
图3是本发明窄间隙旋转钨极焊枪立体结构示意图;
图4是本发明窄间隙旋转钨极焊枪钨极结构示意图;
图5a是利用本发明技术方案焊接过程电弧形态效果图,电弧与坡口左侧接触燃烧;
图5b是利用本发明技术方案焊接过程电弧形态效果图,电弧与坡口右侧接触燃烧;
图5c是利用本发明技术方案焊接过程电弧形态效果图,电弧与坡口中心接触燃烧;
其中,1、焊接小车,1-1、焊枪夹具,1-2、直线导轨,2、窄间隙旋转钨极焊枪,3、吸盘,4、焊件,5、挂壁式吸板,6、电机,7、联轴器,8、轴承,9、中心轴,9-1、斜面凸台, 10、钨极夹,11、钨极,11-1、尖端平面,12、导电块,12-1、斜面凹槽,13、枪体,14、气罩,15、送丝管,16、支撑块,17、固定件,18、焊丝,19、滑竿。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例1:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,包括真空吸附系统、焊接小车和窄间隙旋转钨极焊枪;真空吸附系统包括挂壁式吸板、真空泵,挂壁式吸板内侧设有吸盘,挂壁式吸板悬挂于焊件上,吸盘与真空泵相连,挂壁式吸板与焊接小车相连;焊接小车包括小车本体、控制箱,小车本体上设置控制箱,小车本体与窄间隙旋转钨极焊枪相连;窄间隙旋转钨极焊枪包括枪体,枪体内设有中心旋转轴,还包括导电系统和电机控制盒,电机控制盒与中心旋转轴一端相连,中心旋转轴另一端设有钨极,所述钨极一端为非中心对称的尖端;导电系统与中心旋转轴相连,枪体外部设有送丝系统和送气系统。
焊接小车带动窄间隙旋转钨极焊枪沿着真空吸附系统移动,从而对罐体立缝进行焊接,焊接过程中,电机控制盒控制中心旋转轴和钨极转动,在导电系统和送丝送气系统的协同下引燃电弧实施旋转焊接,钨极在旋转过程中电弧会周期性的加热窄间隙两侧,解决侧壁熔合不良的问题。电机控制盒用于控制电机转速,在不同焊接速度下调节合适的转速,以得到侧壁熔合良好的焊缝。
中心旋转轴包括电机、联轴器、轴承、中心轴、钨极夹,如图2所示,联轴器为绝缘联轴器,联轴器连接电机与中心轴,中心轴一端贯穿轴承与联轴器相连,中心轴另一端设有钨极夹。
导电系统包括固定件和导电块,导电块为铜导电块,导电块位于固定件内,导电块与中心轴接触连接,电缆与导电块相连。固定件起支撑导电块的作用,电缆接在铜导电块上使中心轴完成导电。
尖端平面与钨极轴所在平面的角度为45°。电机控制钨极旋转,将电弧周期性有效的引导至窄间隙两侧壁,以周期性控制钨极尖端与钢板两侧距离发生周期性变化。
实施例2:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例1所述,所不同的是,电机位于支撑块内,电机通过支撑块与枪体相连,支撑块为电木加工的支撑块。电机周围的支撑部分采用电木加工,保证电机与中心轴的绝缘,可以防止高频击穿。
实施例3:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例1所述,所不同的是,中心轴外侧设有斜面凸台,导电块设有斜面凹槽,斜面凸台与斜面凹槽接触连接。使中心轴与导电块有一个锥度的接触,在中心轴旋转时,二者在旋转中完成导电。锥度可增大导电接触面,保证焊接大电流下稳定良好的导电。斜面凸台的斜面与中心轴径向平面的夹角角度为 35°。
实施例4:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例1所述,所不同的是,送丝系统包括送丝管与焊丝,焊丝贯穿送丝管设置,送丝管与枪体外侧铰接,使送丝管角度和高度都可以任意调节。
实施例5:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例4所述,所不同的是,送气系统包括气罩,气罩与枪体外侧相连,钨极贯穿气罩设置;气罩一端与滑竿滑动连接,滑竿与枪体外侧固定连接。使气罩可以上下滑动,保证多层焊时送丝、气保护的良好配合。
实施例6:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例5所述,所不同的是,小车本体包括X-Y滑块、焊枪夹具、导向轮、直线导轨,焊枪夹具与X-Y滑块、窄间隙旋转钨极焊枪相连,直线导轨与挂壁式吸板相连,焊枪夹具通过导向轮与直线导轨移动连接,X-Y 滑块用于调节焊枪位置。本实施例中,焊接小车可使用上海华威焊接焊割机械有限公司的 HK-100自动焊接小车。
实施例7:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例1所述,所不同的是,钨极一端的尖端平面与钨极轴所在平面的角度为35°。
实施例8:
一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其结构如实施例1所述,所不同的是,钨极一端的尖端平面与钨极轴所在平面的角度为50°。
实施例9:
一种利用实施例6所述LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备焊接时,包括步骤如下:
(1)将挂壁式吸板悬挂在罐体立壁上,吸盘与焊件表面接触,启动真空泵使吸盘真空,使挂壁式吸板吸附固定于焊件上;
(2)将焊接小车与挂壁式吸板相连,在焊接小车上夹持窄间隙旋转钨极焊枪;
(3)将窄间隙旋转钨极焊枪的钨极置于焊缝内,开启送丝系统和送气系统,设置焊接参数为:焊接电流250A,电机转速300r/min,送丝速度0.96m/min、焊接速度0.36m/min、气流量35L/min,进行焊接,能够达到侧壁熔合成功进行窄间隙焊接,得到成形美观,无缺陷焊缝。
实验例:
利用实施例9所述的方法进行焊接试验,钨极在旋转过程中,电弧与坡口左侧、中心、右侧都可以循环接触燃烧,侧壁能够良好熔合;观察旋转钨极的电弧形态,如图5a、图5b、图5c所示,该方案能够很好的解决窄间隙焊接中存在的侧壁熔合问题。

Claims (6)

1.一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其特征在于,包括真空吸附系统、焊接小车和窄间隙旋转钨极焊枪;
真空吸附系统包括挂壁式吸板、真空泵,挂壁式吸板内侧设有吸盘,挂壁式吸板悬挂于焊件上,吸盘与真空泵相连,挂壁式吸板与焊接小车相连;
焊接小车包括小车本体、控制箱,小车本体上设置控制箱,小车本体与窄间隙旋转钨极焊枪相连;
窄间隙旋转钨极焊枪包括枪体、中心旋转轴、导电系统和电机控制盒,电机控制盒与中心旋转轴一端相连,中心旋转轴另一端设有钨极,所述钨极一端为非中心对称的尖端;导电系统与中心旋转轴相连,枪体外部设有送丝系统和送气系统;
钨极一端的尖端平面与钨极轴所在平面的角度为35°~50°;
中心旋转轴包括电机、联轴器、轴承、中心轴、钨极夹,联轴器为绝缘联轴器,联轴器连接电机与中心轴,中心轴一端贯穿轴承与联轴器相连,中心轴另一端设有钨极夹;
电机位于支撑块内,电机通过支撑块与枪体相连,支撑块为电木加工的支撑块;
导电系统包括固定件和导电块,导电块位于固定件内,导电块与中心轴接触连接,电缆与导电块相连;
中心轴外侧设有斜面凸台,导电块设有斜面凹槽,斜面凸台与斜面凹槽接触连接;斜面凸台的斜面与中心轴径向平面的夹角角度为35°。
2.根据权利要求1所述的LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其特征在于,送丝系统包括送丝管与焊丝,焊丝贯穿送丝管设置,送丝管与枪体外侧铰接。
3.根据权利要求1所述的LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其特征在于,送气系统包括气罩,气罩与枪体外侧相连,钨极贯穿气罩设置;
气罩一端与滑竿滑动连接,滑竿与枪体外侧固定连接。
4.根据权利要求1所述的LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其特征在于,小车本体包括X-Y滑块、焊枪夹具、导向轮、直线导轨,焊枪夹具与X-Y滑块、窄间隙旋转钨极焊枪相连,直线导轨与挂壁式吸板相连,焊枪夹具通过导向轮与直线导轨移动连接,X-Y滑块用于调节焊枪位置。
5.根据权利要求1所述的LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备,其特征在于,钨极一端的尖端平面与钨极轴所在平面的角度为45°。
6.一种利用权利要求1-5任意一项权利要求所述的LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备的工作方法,包括步骤如下:
(1)将挂壁式吸板悬挂在罐体立壁上,吸盘与焊件表面接触,启动真空泵使吸盘真空,使挂壁式吸板吸附固定于焊件上;
(2)将焊接小车与挂壁式吸板相连,在焊接小车上夹持窄间隙旋转钨极焊枪;
(3)将窄间隙旋转钨极焊枪的钨极置于焊缝内,开启送丝系统和送气系统,进行焊接。
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