一种LNG储罐9%Ni钢自动立焊的成套焊接装备及工作方法与流程

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。

技术实现要素：

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。