埋弧焊在LNG低溫儲罐底板焊接中的應用

中石化第十建設有限公司 （山東淄博 255438）馬志才

1.概述

2012年我公司承攬了16.5萬m3LNG低溫儲罐的工程，也是公司承攬的首個LNG低溫儲罐，公司上下對該項目的工程施工都十分重視。LNG低溫儲罐用9%Ni鋼是目前國內外廣泛使用的鋼種，其抗低溫性能良好，焊接難度大，在焊接冶金反應和熱循環(huán)的作用下，其組織和成分改變，產生脆硬相，低溫性能降低，冷裂紋、熱裂紋傾向增大。

目前9%Ni鋼的焊接方法比較單一，除壁板環(huán)縫采用埋弧焊外，壁板縱縫及底板和大角縫的焊接全部為焊條電弧焊。由于9%Ni鋼焊條電弧焊效率較低，人工投入成本較大，所以9%Ni鋼焊接新工藝、新方法有待于進一步開發(fā)。針對這一現(xiàn)狀，公司焊接試驗室反復試驗并開發(fā)了底板搭接平角縫的埋弧焊焊接工藝，并根據(jù)規(guī)范和低溫罐底板焊接相關要求做出了合格的焊接工藝評定報告。

2.焊前準備

（1）焊接材料 試驗采用伊薩的 OK Autrod 19.82，φ1.6mm埋弧焊絲和OK Flux10.90 0.2～1.6mm（10×65目）焊劑，300℃烘干2h，如圖1所示，焊材化學成分如表1所示。

圖1 焊絲和焊劑規(guī)格型號

（2）焊接設備 試驗采用的焊機為林肯ACDC 1000SD/CRUISER交直流兩用平角焊機。焊接用埋弧焊電源和焊接小車如圖2所示。

圖2 焊接用埋弧焊電源和焊接小車

（3）坡口清理 使用角向磨光機清理坡口表面以及內外兩側母材表面50mm范圍內，特別是坡口邊緣處的水分、油污等雜質，進行打磨，直至出現(xiàn)金屬光澤，防止氣孔、裂紋等缺陷的產生，磨光機砂輪片必須使用不銹鋼專用砂輪片。

3.焊接

試驗模擬現(xiàn)場底板實際焊接，采用6mm 9%Ni板搭接焊縫進行焊接。由于6mm板搭接縫埋弧焊為單道一次焊接成形，焊接既要保證焊縫成形，又必須滿足搭接角焊縫的焊腳尺寸要求，所以分別從送絲速度（焊接電流）、電弧電壓、干伸長度、焊絲角度、焊接速度及焊絲對準位置等焊接參數(shù)進行了多組試件的反復摸索，最終確定了合適的焊接參數(shù)（見表2），焊縫外觀成形和焊腳尺寸都滿足了相關要求，實現(xiàn)了9%Ni鋼底板搭接焊縫的埋弧焊。

表2 埋弧焊焊接參數(shù)推薦

（1）送絲速度和焊接電流 送絲速度與焊接電流成正比，送絲速度的大小既影響焊接電流的大小，也影響焊縫成形。送絲速度越大，電流越大，焊絲熔化速度越快，同時電弧吹力也隨焊接電流的增大而增大，使熔池金屬被電弧排開，熔池底部未被熔化母材受到電弧的直接加熱，熔深增加。對于同一直徑的焊絲來說，熔深與送絲速度和焊接電流成正比，焊接電流對熔池寬度的影響較小。若焊接電流過大，容易產生咬邊和成形不良，使熱影響區(qū)增大，甚至造成燒穿；若焊接電流過小，使熔深減小，容易產生焊肉不飽滿、未熔合等缺陷，而且電弧的穩(wěn)定性也差。

使用φ1.6mm焊絲推薦送絲速度為635～762cm/min，對應實際焊接電流為260～350A。

（2）電弧電壓 電弧電壓與電弧長度成正比。電壓增高，弧長增加，熔寬增大，同時焊縫余高和熔深略有減小，使焊縫變得平坦。電弧電壓增大后，焊劑熔化增多。若隨著焊接電流的增加，而電弧電壓不隨之增加，易出現(xiàn)截面呈蘑菇狀的焊縫，嚴重時在焊縫表面會產生焊瘤，這主要是由于熔寬太小造成的，所以隨著焊接電流的增加，電弧電壓也要適當增加。當使用φ1.6mm焊絲、260～350A焊接電流時，焊接電壓大致為25～29V。

（3）干伸長度 由導電嘴末端到焊件表面的距離定為焊絲伸出長度，又稱為干伸長度。干伸長度決定導電嘴的高度，也決定焊劑層的厚度，同時影響焊接電流的大小。使用φ1.6mm焊絲，干伸長度一般控制在25～35mm較為合適。

干伸長度過長，會使焊絲受電流電阻熱的預熱作用增強，造成焊接電弧不穩(wěn)定及焊縫成形不良，同時也影響焊縫的平直性。若干伸長度太短，易燒壞導電嘴。焊絲應與導電嘴接觸良好，否則會影響焊接過程的穩(wěn)定，嚴重時會使導電嘴熔化。導電嘴由純銅或黃銅加工而成，若導電嘴熔化使銅過渡到焊縫中去，銅與鐵在液態(tài)下不能相互混合，就會形成大塊的銅夾渣，而且銅還會引起焊接熱裂紋，危害性很大。所以，焊接過程中一旦發(fā)現(xiàn)導電嘴熔化，應立即停止焊接，鏟除混銅焊縫，避免產生焊接裂紋和缺陷。

（4）焊接速度 其對熔寬和熔深及焊縫成形有明顯的影響。當焊接速度較低時，焊接速度的變化對熔深影響較小。但當焊接速度較大時，由于電弧對母材的加熱量明顯減小，所以熔深顯著下降。焊接速度過高，會造成咬邊、未焊透、焊縫粗糙不平等缺陷。適當降低焊接速度，熔池體積增大，存在時間變長，有利于氣體浮出熔池，減小氣孔生成的傾向。但焊接速度過低，會形成易裂的蘑菇形焊縫或產生燒穿、夾渣、焊縫不規(guī)則等缺陷。

（5）焊絲角度 焊絲角度沿焊接方向垂直于焊縫，不宜前傾或后傾，并且與水平面成55°～65°的夾角，如圖3、圖4所示。焊縫成形既能保證搭接角焊縫上邊緣完全熔合，無咬邊和未熔合，又能保證焊縫下邊緣平整，焊縫金屬不下墜。

圖3 焊接相關尺寸參數(shù)

圖4 焊槍調節(jié)示意

4.焊接過程中應注意的問題

埋弧焊時應注意調整好焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲角度及焊絲在搭接坡口中的對準位置，才能避免出現(xiàn)圖5所示的焊接缺陷。

圖5 焊接參數(shù)對焊縫成形的影響

5.試驗結果

試件焊接完成后分別按NB/T47014—2011進行了外觀檢查、宏觀金相檢測以及接頭的硬度檢查，還依照JB/T4730.5—2005滲透檢測，檢測結果為外觀檢查表面無裂紋；滲透檢測為Ⅰ級，合格；金相宏觀檢測面焊縫根部焊透，焊縫金屬和熱影響區(qū)無裂紋和未熔合；焊腳差1.5mm；硬度值HV10為176～298HV，小于360HV（技術要求），試件質量滿足相關技術要求。

6.埋弧焊與焊條電弧焊搭接縫焊接優(yōu)缺點對比

（1）焊接質量高、焊縫成形好 埋弧焊焊接質量較高，設備正常焊接時合格率可達到100%，焊接過程中不會出現(xiàn)焊條電弧焊焊接時出現(xiàn)的弧坑、裂紋、氣孔等焊接缺陷，而且埋弧焊為連續(xù)焊接，焊接接頭少，減少了焊條電弧焊處理接頭和因每根焊條接頭而出現(xiàn)問題的情況。兩種方法的底板搭接平角焊焊縫成形對比如圖6所示。

圖6 底板搭接平角焊焊縫成形

（2）焊接效率高、焊工勞動強度小、焊接變形小 埋弧焊6mm板搭接只需要焊一道就能滿足焊腳尺寸要求，而焊條電弧焊需要焊2～3道才焊完，道間還有清理藥皮的工序。另外，由于焊條電弧焊的焊接速度為15～20cm/min，而埋弧焊的焊接速度可達40～50cm/min，所以埋弧焊從焊接速度和焊接層道數(shù)兩方面提高了焊接效率。不但焊接效率是焊條電弧焊的3～5倍，而且簡化了焊接工序，減輕了焊工的勞動強度，同時埋弧焊熱輸入小且均勻一致，有效減少了底板薄板的焊接變形。

（3）焊接設備復雜 埋弧焊焊接時需要焊接小車和軌道，相對于普通焊條電弧焊設備復雜。

7.結語

試驗結果證明，使用埋弧焊代替焊條電弧焊用于LNG底板平角焊縫的焊接具有焊接質量高、焊縫成形好等優(yōu)點，焊接由原來的多道焊變?yōu)閱蔚酪淮纬尚危裙?jié)省了焊接時間，簡化了焊接工序，又大大提升了焊接效率，實踐證明焊接工藝是切實可行的。