CN117798468B - 一种lng运输船围护系统薄膜舱焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，涉及焊接技术领域。本发明先利用了磁场与电弧等离子体的相互作用辅助TIG焊工艺充分，使得电弧能量更加集中，可有效克服传统TIG焊在不锈钢薄板焊接过程中电弧发散，焊接效率低，焊缝易出现缺陷等技术难题，提升LNG运输船围护系统薄膜舱的制备效率和质量，焊接后对接头进行整体固溶预处理，再以Ag‑CuO钎料为填料对对熔合线局部进行摩擦搅拌表面改性，生成氧化铝作为保护层的同时细化颗粒以降低开裂的可能性；再退火提高不锈钢焊接的耐冲击性；最后二次固溶处理，提高抗裂效果，使Ag‑CuO钎料在不锈钢表面的铺展达到稳定状态。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体为一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法。
背景技术
液化天然气（LNG）运输船是目前天然气主要的运输方式之一，目前超过四分之一的天然气通过LNG运输船进行运输。随着世界能源开采的不断发展，天然气的开采不断向深水挺进，传统管道传输方式面临着离岸距离远，投资巨大，长距离管线流动安全难以保障等风险。大型LNG运输船的需求量将持续增加。LNG运输船最核心、也最难建造的部分是围护系统的薄膜舱，薄膜舱能够在零下163℃的条件下储存液化天然气，保证不泄漏。
MarkIII Flex型围护系统薄膜舱是目前最先进的一类薄膜舱，一般采用304不锈钢板焊接制做主屏壁。目前的焊接方法主要采用传统的TIG焊（非熔化极惰性气体钨极保护焊）。但是传统的TIG焊接存在电流小，电弧发散，自动化程度低，焊接速度慢，一般焊接速度低于1m/min，而且，传统的TIG焊焊接后焊缝易出现缺陷，焊后薄板变形较大。这严重制约了LNG运输船围护系统薄膜舱的建造效率和建造质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，以解决现有技术中存在的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，包括以下步骤：
（1）利用数控裁剪床剪切不锈钢板，获得2块500mm×500mm×（1~3）mm的试板，保证切口平直，无毛刺和卷边；将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）利用手工TIG焊的方法将两块相邻的试板先每间隔一定距离点焊固定；
（3）采用钨极TIG焊焊枪，将含永磁体的磁场发生装置固定在TIG焊焊枪两侧，产生平行于钨极的恒定纵向磁场，调控永磁体到焊缝熔池的距离，确定施加磁场大小；
（4）设置焊接参数，焊接速度范围为1~2m/min，焊接电流为100~200A，实施自动焊接过程；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间30-50min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数2-5%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理；
（7）进行退火处理，温度为760℃，时间为60-120min，出炉后进行水冷；
（8）再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
进一步的，所述步骤（1）中不锈钢板为0Cr18Ni9（304）或00Cr19Ni10（304L）不锈钢板。
进一步的，所述步骤（1）中不锈钢板的厚度为1-3mm。
进一步的，所述步骤（2）中点焊固定时每个点之间的间距范围：80-120mm。
进一步的，所述步骤（3）中所使用的钨极的直径为1-4mm。
进一步的，所述步骤（3）中永磁体为稀土永磁体，恒定纵向磁场为10-100mT。
进一步的，所述步骤（4）中焊接过程中采用纯度99.99%的氩气保护，气流量范围：10~20L/min。
进一步的，所述步骤（6）中摩擦搅拌参数：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为10-20mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1000-1200rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min。
进一步的，所述步骤（8）中选用球化退火方式。
进一步的，所述步骤（8）中为防止加工过程中搅拌区的严重氧化，通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明以纵向磁场对TIG焊电弧进行聚焦，焊接后再对焊板熔合线进行固溶、退火、摩擦搅拌表面工艺改性，以实现抗变形、高力学性能、形貌良好、防开裂的效果。
首先，选用耐高温的稀土永磁体来直接提供磁场，装置简单，产生磁场不需要额外耗能；针对可有效克服传统TIG焊在不锈钢薄板焊接过程中电弧发散，焊接效率低，焊缝易出现缺陷等技术难题，根据TIG焊电弧特点在焊接过程中施加纵向的磁场，利用磁场对电弧中的等离子体进行汇聚，极大提升了TIG焊电弧的能量密度，提升LNG运输船围护系统薄膜舱的制备效率和质量。此外，磁场对焊缝熔池中的液态金属具有搅拌作用，使得凝固后的焊缝晶粒更加细小，焊缝的综合力学性能更高。
其次，焊接后常会发现熔合线附近有沿晶开裂形貌，为了提高焊接抗晶间腐蚀，先对接头进行整体固溶预处理，未溶碳化物基本溶解的同时晶粒粗化，再以Ag-CuO钎料为填料对对熔合线局部进行摩擦搅拌表面改性，将固溶处理产生的巨大晶体颗粒进行细化，保证降低孔隙率的同时降低开裂的可能性，Ag-CuO钎料在此时与氧气、不锈钢反应生成氧化物保护层，同时因为摩擦搅拌表面改性不会与不锈钢过度反应生成气化物；再进行退火使得碳化物分布均匀性和圆整度均提高，同时使粗大柱状晶组织消失，提高不锈钢焊接的耐冲击性；最后对部分进行固溶处理，消除熔合线附近退火处理产生的粗大网状碳化物，降低晶间腐蚀敏感性，减少或避免晶间腐蚀倾向，从而达到抗裂的效果，固溶的温度也能使Ag-CuO钎料在不锈钢表面的铺展达到稳定状态；在整个过程中通氩气保护，有利于背面焊缝成形的同时加快效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明磁场辅助TIG焊的示意图，其中，1为不锈钢板，2为焊接电源，3为钨极，4为永磁体，5为氩气罐。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例的各指标测试方法如下：
耐冲击性：参照 GB/T 229，采用PIT453G-2 微机控制摆锤冲击试验机进行室温冲击测试。
抗裂性：按照BS 7910--2013中规定和拟定的评估流程，在常温磁场焊接下所规定技术参数、标准规定、制订的相关工艺参数提供的基本数据，进行某个特定条件下极限允许断裂韧度计算分析。
实施例1；（1）选取厚度为1mm的牌号为0Cr18Ni9的不锈钢板，利用数控裁剪床裁出2块500 mm×500 mm×1mm的试板，将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）沿着焊缝方向每隔80 mm进行一个点焊将两块待焊的试板固定；
（3）使用直径为1mm的钨极TIG焊焊枪，在两侧固定两块耐高温稀土永磁体，调整磁体到焊缝的距离，使得施加在焊缝上的磁场大小为10mT；
（4）将焊接电流设置为100A，通入10 L/min的氩气作为保护气，焊接速度设置为1m/min，进行自动焊接；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间30min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数2%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为10mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1000rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min；
（7）进行球化退火处理，温度为760℃，时间为60min，出炉后进行水冷；
（8）通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min；再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
对比例1；对比例1和实施例1的区别在于在焊接过程中不施加磁场。
实施例2；（1）选取厚度为2mm的牌号为0Cr18Ni9的不锈钢板，利用数控裁剪床裁出2块500 mm×500 mm×2mm的试板，将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）沿着焊缝方向每隔100 mm进行一个点焊将两块待焊的试板固定；
（3）使用直径为3mm的钨极TIG焊焊枪，在两侧固定两块耐高温稀土永磁体，调整磁体到焊缝的距离，使得施加在焊缝上的磁场大小为50mT；
（4）将焊接电流设置为150A，通入15 L/min的氩气作为保护气，焊接速度设置为1.5m/min，进行自动焊接；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间40min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数3.5%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为15mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1100rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min；
（7）进行球化退火处理，温度为760℃，时间为90min，出炉后进行水冷；
（8）通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min；再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
对比例2；对比例2和实施例2的区别在于在焊接过程中不施加磁场。
实施例3；（1）选取厚度为3mm的牌号为00Cr19Ni10的不锈钢板，利用数控裁剪床裁出2块500 mm×500 mm×3mm的试板，将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）沿着焊缝方向每隔120 mm进行一个点焊将两块待焊的试板固定；
（3）使用直径为4mm的钨极TIG焊焊枪，在两侧固定两块耐高温稀土永磁体，调整磁体到焊缝的距离，使得施加在焊缝上的磁场大小为100mT；
（4）将焊接电流设置为200A，通入20 L/min的氩气作为保护气，焊接速度设置为2m/min，进行自动焊接；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间50min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数4%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为20mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1200rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min；
（7）进行球化退火处理，温度为760℃，时间为120min，出炉后进行水冷；
（8）通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min；再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
对比例3；对比例3和实施例3的区别在于在焊接过程中不施加磁场。
实施例4；（1）选取厚度为1mm的牌号为00Cr19Ni10的不锈钢板，利用数控裁剪床裁出2块500 mm×500 mm×1mm的试板，将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）沿着焊缝方向每隔80 mm进行一个点焊将两块待焊的试板固定；
（3）使用直径为1mm的钨极TIG焊焊枪，在两侧固定两块耐高温稀土永磁体，调整磁体到焊缝的距离，使得施加在焊缝上的磁场大小为10mT；
（4）将焊接电流设置为100A，通入10 L/min的氩气作为保护气，焊接速度设置为1m/min，进行自动焊接；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间30min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数2%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为10mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1000rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min；
（7）进行球化退火处理，温度为760℃，时间为60min，出炉后进行水冷；
（8）通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min；再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
对比例4；对比例4和实施例4区别在于在焊接过程中不施加磁场。
实施例5；（1）选取厚度为2mm的牌号为00Cr19Ni10锈钢板，利用数控裁剪床裁出2块500 mm×500 mm×2mm的试板，将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）沿着焊缝方向每隔100 mm进行一个点焊将两块待焊的试板固定；
（3）使用直径为3mm的钨极TIG焊焊枪，在两侧固定两块耐高温稀土永磁体，调整磁体到焊缝的距离，使得施加在焊缝上的磁场大小为50mT；
（4）将焊接电流设置为150A，通入15 L/min的氩气作为保护气，焊接速度设置为1.5 m/min，进行自动焊接；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间40min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数3.5%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为15mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1100rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min；
（7）进行球化退火处理，温度为760℃，时间为90min，出炉后进行水冷；
（8）通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min；再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
对比例5；对比例5和实施例5区别在于在焊接过程中不施加磁场。
实施例6；（1）选取厚度为3mm的牌号为00Cr19Ni10的不锈钢板，利用数控裁剪床裁出2块500 mm×500 mm×3mm的试板，将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）沿着焊缝方向每隔120 mm进行一个点焊将两块待焊的试板固定；
（3）使用直径为4mm的钨极TIG焊焊枪，在两侧固定两块耐高温稀土永磁体，调整磁体到焊缝的距离，使得施加在焊缝上的磁场大小为100mT；
（4）将焊接电流设置为200A，通入20 L/min的氩气作为保护气，焊接速度设置为2m/min，进行自动焊接；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间50min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数4%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为20mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2 mm，转速为1200rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min；
（7）进行球化退火处理，温度为760℃，时间为120min，出炉后进行水冷；
（8）通过保护气罩装置在加工前预通气5 min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min；再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
对比例6；对比例6和实施例6的区别在于在焊接过程中不施加磁场。
对比例7；对比例7和实施例6的区别在于在焊后改性过程中不进行固溶预处理。
对比例8；对比例8和实施例6的区别在于在焊后改性过程中不进行摩擦搅拌表面改性处理。
对比例9；对比例9和实施例6的区别在于在焊后改性过程中不进行退火处理。
对比例10；对比例10和实施例6的区别在于在焊后改性过程中退火后不进行二次固溶处理。
效果例
下表1中给出了采用本发明实施例1至6与对比例1至6的LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法的性能分析结果；下表2中给出了采用本发明实施例6与对比例7至10的耐冲击、抗裂的性能分析结果。
表1
表2
通过对以上实施例和对比例的焊接分析可以看出，本发明磁场辅助TIG焊可以有效改善传统TIG焊在大的焊接速度下焊接质量不达标的技术难题；本发明的焊接工艺可以保证在2m/min的焊接速度下获得合格的焊接接头；从实施例与对比例的抗裂性、耐冲击的实验数据比较可发现，焊接后对接头进行整体固溶预处理，再以Ag-CuO钎料为填料对对熔合线局部进行摩擦搅拌表面改性，生成氧化铝作为保护层的同时细化颗粒以降低开裂的可能性；再退火提高不锈钢焊接的耐冲击性；最后二次固溶处理，提高抗裂效果，使Ag-CuO钎料在不锈钢表面的铺展达到稳定状态。该工艺的推广应用可以极大提高不锈钢薄板的焊接速度，特别是提升LNG运输船围护系统薄膜舱的制造速率和质量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用数控裁剪床剪切不锈钢板，获得2块500mm×500mm×（1~3）mm的试板，保证切口平直，无毛刺和卷边；将试板的连接部分分别用丙酮和无水乙醇擦洗干净；
（2）利用手工TIG焊的方法将两块相邻的试板先每间隔一定距离点焊固定；
（3）采用钨极TIG焊焊枪，将含永磁体的磁场发生装置固定在TIG焊焊枪两侧，产生平行于钨极的恒定纵向磁场，调控永磁体到焊缝熔池的距离，确定施加磁场大小；
（4）设置焊接参数，焊接速度范围为1~2m/min，焊接电流为100~200A，实施自动焊接过程；
（5）进行固溶预处理，温度为1100℃，处理时间30-50min后，水冷；
（6）将Ag粉占粉体总质量分数2-5%的Ag-CuO钎料粉体植入焊接熔合线，进行摩擦搅拌处理；
（7）进行退火处理，温度为760℃，时间为60-120min，出炉后进行水冷；
（8）再次进行固溶处理，温度为1150℃，固溶处理时间40min，试样出炉后进行水冷。
2.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中不锈钢板为0Cr18Ni9（304）或00Cr19Ni10（304L）不锈钢板。
3.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（2）中点焊固定时每个点之间的间距范围：80-120 mm。
4.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（3）中所使用的钨极的直径为1-4 mm。
5.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（3）中永磁体为稀土永磁体，恒定纵向磁场为10-100 mT。
6.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（4）中焊接过程中采用纯度99.99%的氩气保护，气流量范围：10~20 L/min。
7.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（6）中摩擦搅拌参数：FSP搅拌头材料为W6Mo5Cr4V2 高速钢制备搅拌头，搅拌头圆柱形轴肩直径为10-20mm，搅拌针为圆台形，圆台顶部直径4 mm，根部直径 6mm，搅拌针长2.2mm，转速为1000-1200rpm，倾角为1.5°，下压量为0.5mm，预热时间为40s，前进速度为100mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（8）中选用球化退火方式。
9.根据权利要求1所述的一种LNG运输船围护系统薄膜舱焊接方法，其特征在于，所述步骤（8）中为防止加工过程中搅拌区的严重氧化，通过保护气罩装置在加工前预通气5min，并在FSP过程中持续通入氩气，纯度≥99.9%，流量0.3 L/min。
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