馬旭陽，張雷強，龔國杰，江澤陽，白俊雨，馮一哲，陳子胥，李海龍，汪正偉

1.茂名港集團有限公司 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

儲油罐區(qū)的中小型儲罐現(xiàn)場焊接，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，再進行焊條電弧焊補焊。這種焊接工藝方法雖然比較成熟，但是對焊工的技能要求較高，勞動強度大，焊接效率低，焊接材料浪費較嚴重，而且焊縫質(zhì)量受焊工自身因素的影響。熔化極氣體保護焊單面焊雙面成形技術(shù)試驗依托茂名港項目，在5000m3的儲罐上進行了實踐論證，現(xiàn)場采用熔化極氣體保護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 試驗條件

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

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

圖1 無軌導(dǎo)全位置爬行焊接機器人系統(tǒng)

（2）母材及坡口形式 現(xiàn)場儲罐材質(zhì)為Q235C鋼，母材板厚為7～16mm，儲罐直徑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 選用的焊接材料見表2。

表2 試驗所用焊接材料

（4）保護氣體 保護氣選用混合氣體，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)場采用集中供氣方案對現(xiàn)場設(shè)備進行供氣保護。

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，根焊時采用直流方式[1]進行焊接，保證根部的熔合并避免焊接穿絲。立焊縫根焊時，要根據(jù)組對時的根部間隙對焊接參數(shù)進行調(diào)整，根據(jù)坡口的變化對焊接過程的參數(shù)進行微調(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，焊道寬度不超過坡口寬度3mm，余高不超過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，按照根部間隙要求，無需擺動，如果焊縫根部間隙過大，可以通過增加擺動的方式來增加上下坡口面的熔合，但是擺動頻率要快，因為橫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，提高焊接效率，所以焊接參數(shù)上相對根焊要高，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 焊接工藝評定

在焊接儲罐前需要提前做橫焊和立焊試板工藝評定[2]，工藝評定合格后才能進行上罐焊接，在罐體上焊接參數(shù)必須符合工藝評定的WPS設(shè)置，罐體焊接完成后需要對焊接部位進行RT檢測，通過對4臺儲罐的焊縫檢測統(tǒng)計，焊縫質(zhì)量一次驗收合格率達97.3%以上。

5 焊接質(zhì)量的影響因素

熔化極氣體保護自動焊在戶外大型結(jié)構(gòu)件上焊接實例很少，在油氣化工領(lǐng)域，中小型油儲罐的焊接都是采用焊條電弧焊進行焊接。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自動焊質(zhì)量的因素較多且復(fù)雜[3]。

（1）坡口質(zhì)量及組對質(zhì)量 坡口的加工質(zhì)量和組對質(zhì)量直接影響自動焊的效率和焊接質(zhì)量。在儲罐焊接時，對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；在組對時采用組對工裝和組對間隙調(diào)節(jié)器，來保證組對的質(zhì)量要求。

（2）焊接速度 根焊時焊接速度要根據(jù)根焊的焊接參數(shù)和預(yù)留的根部間隙進行設(shè)定，當(dāng)間隙小時，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，焊接速度響應(yīng)減慢，必要時可以增加擺動，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，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，需要根據(jù)預(yù)留的坡口深度進行焊接參數(shù)和焊接速度調(diào)整，保證填平焊縫不超出余高要求，也不會造成熔池流淌。

（3）送絲速度 送絲速度對應(yīng)焊接時電流值，送絲速度的參數(shù)設(shè)定取決于焊接位置和組對根部間隙的大小，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，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，根據(jù)上一道焊縫成形時的熔合線位置，設(shè)定下一道焊接擺幅。蓋面時擺幅的設(shè)定要根據(jù)坡口面的寬度進行設(shè)定，當(dāng)坡口面寬度＞24mm時，需要對坡口面蓋面焊縫進行分道，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，擺幅小或不擺動，擺幅設(shè)置不能超過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，擺速要相應(yīng)降低。

（6）兩側(cè)停留時間 兩側(cè)停留時間取決于焊縫的焊接位置，橫焊時兩側(cè)停留時間最短，不能超過0.4s，立焊時根焊兩側(cè)停留時間最短，填充時次之，蓋面時兩側(cè)停留時間最長。

（7）氣體 熔化極氣體保護焊對保護氣體的純度有較高要求，該項目采用混合氣作為保護氣體，氣體成分為80%Ar+20%CO2，這種富氬氣體在焊接過程中對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，需要的焊絲填充量就減少，焊接時的速度就需要提高，而且由于減少了CO2的比例，焊縫的力學(xué)性能提升。同時氣體的純度對焊接質(zhì)量也有很大的影響，要求Ar氣純度＞99.99%，CO2氣體純度＞99.96%，否則會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔；另外，焊接時的氣體流量也需要進行限制，當(dāng)氣體流量過小時，不能形成有效地保護氣簾，會產(chǎn)生氣孔；當(dāng)氣流量過大時，會對熔池產(chǎn)生攪動，導(dǎo)致飛濺增加。

（8）防風(fēng)工裝 熔化極氣體保護焊對防風(fēng)的要求特別高，在風(fēng)速超過2m/s時，需要進行防風(fēng)，否則會導(dǎo)致氣體保護效果差，形成氣孔等缺陷，影響焊縫質(zhì)量。因此，需要在風(fēng)速超過要求時增加防風(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的焊接參數(shù)和要求進行焊接，保證焊縫的熔合良好，沒有氣孔，在根焊前對定位焊進行打磨，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渡，在焊接到定位焊位置時，通過增加或減少焊接速度來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 因焊接過程不可避免地出現(xiàn)斷弧，如更換焊絲或多機協(xié)同作業(yè)時的起弧、收弧位置，所以都會留下焊接接頭。焊接接頭由于剛起弧和母材溫度低都會出現(xiàn)一些缺陷，因此對于焊接接頭位置需要進行打磨處理。通過角磨機打磨成月牙狀，而且重新起弧或收弧時需要壓住打磨位置，保證打磨位置被完全填滿，通過對收弧電流的調(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

中小型儲罐的壁板環(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)量和進度的重點，與傳統(tǒng)的焊條電弧焊相比，減少了勞動強度，避免了內(nèi)部施工，改善了危險程度。但是，由于根焊對坡口質(zhì)量、組對根部間隙要求較高，導(dǎo)致在坡口組對間隙不合適的時候造成斷弧、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行試驗，開發(fā)出高效的適合不同場景的焊接參數(shù)，以滿足現(xiàn)場的使用要求。