本發(fā)明涉及一種液態(tài)天然氣儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備的設(shè)計及焊接工作方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著全球范圍內(nèi)液化天然氣消費量的迅猛增長，建造液化天然氣(LNG)儲罐可大大降低儲運成本，必然對制造LNG儲罐罐體的關(guān)鍵材料9％Ni鋼及其焊接技術(shù)提出的巨大需求。9％Ni鋼以其優(yōu)良的低溫性能和焊接性能被認為是制造低溫壓力容器/儲罐的最佳材料，采用9％Ni鋼板進行各種位置的焊接加工是關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于LNG儲罐的焊接工作量大，對于9％Ni鋼的焊接通常采用各種焊接方法相配合。目前，焊接9％Ni鋼主要焊接方法包括焊條電弧焊(SMAW)、鎢極氬弧焊(GTAW)、熔化極氣體保護電弧焊(GMAW)和埋弧焊(SAW)。其中，手工電弧焊和埋弧自動焊是目前我國LNG儲罐本體普遍采用的焊接方法，除壁板環(huán)縫采用埋弧自動焊外，壁板縱縫、底板和大角縫焊接全部為手工焊條電弧焊。

手工焊條電弧焊是9％Ni鋼現(xiàn)場焊接的一種適合各種焊接位置、非常靈活且可行的焊接方法，該焊接方法可以達到很高的合金過度系數(shù)，但人工效率較低、人工成本高昂，且產(chǎn)生焊接缺陷的幾率較大。埋弧焊是熔敷速率最高的一種焊接方法，特別是在環(huán)焊縫焊接時，由于使用了環(huán)縫焊接機械系統(tǒng)，埋弧焊的優(yōu)點表現(xiàn)得更加突出，但受制于埋弧焊的自身焊接方式，它只適合于焊接橫焊縫和水平位置焊縫，對于立式儲罐的縱焊縫，雖然現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了氣電立焊設(shè)備，且自動化程度很高，但是由于氣電立焊的線能量偏大且不易控制，所以現(xiàn)階段埋弧焊并不適合用來焊接9％Ni鋼立式儲罐的縱焊縫。

一般情況下，認為鎢極氬弧焊的焊接效率較低，在工程中選擇這種焊接方法不太經(jīng)濟，但是，鎢極氬弧焊是窄間隙焊接工藝的常用焊接方法，電弧穩(wěn)定性高，能夠得到具有窄坡口的高質(zhì)量的焊接接頭，達到節(jié)約材料、減少工藝時間、提高施工效率、改善焊接質(zhì)量的目的。需要說明的是，在采用手工熔化極惰性氣體保護電弧焊并應(yīng)用低鎳型焊接材料焊接9％Ni鋼時，能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭，熔敷效率高，但對焊工的焊接技術(shù)要求較高，且容易產(chǎn)生熔合不良和氣孔問題。

采用手弧焊的工藝方法，大大限制了大型LNG儲罐的生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本，但是目前9％鋼自動化的立焊始終未能實現(xiàn)。

要實現(xiàn)LNG罐體立縫位置的自動化焊接，對目前技術(shù)來說存在以下困難：

9％Ni鋼在焊接冶金反應(yīng)和熱循環(huán)的作用下，其組織和成分改變，容易產(chǎn)生脆硬相，低溫性能下降，冷熱裂紋傾向增大，焊接施工比較復(fù)雜。普通TIG焊焊接效率低，對于這種大型儲罐的實際生產(chǎn)難以實現(xiàn)；熱輸入控制難，只有控制熱輸入7～35KJ/cm，層間溫度100℃以下，才能保證9％鋼焊接接頭的低溫韌性；立縫位置裝夾困難，焊接9％Ni鋼要防止鋼板磁化及電弧磁偏吹，因此其裝夾不能使用磁性夾具。

將窄間隙TIG焊應(yīng)用于現(xiàn)場自動立焊，側(cè)壁熔合、焊件的固定和夾持、裝備的適用性、可靠性均為焊接過程中的關(guān)鍵問題。中國專利文件201510255345.6，公開了一種無限旋轉(zhuǎn)焊槍，該專利是一種二保焊槍的旋轉(zhuǎn)夾持裝置，帶著傳統(tǒng)二保焊槍以一定角度旋轉(zhuǎn)，目的在于解決焊圓縫時焊槍旋轉(zhuǎn)角度有限，旋轉(zhuǎn)時電纜纏繞問題，對窄間隙TIG焊接側(cè)壁并不適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了提高焊接效率，降低成本，得到更高的焊接質(zhì)量，本發(fā)明提供一種液態(tài)天然氣儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套設(shè)備和方法，由窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極TIG焊槍、焊接小車、真空吸附系統(tǒng)組成，來實現(xiàn)9％Ni鋼立縫位置的自動焊接。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，包括真空吸附系統(tǒng)、焊接小車和窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍；

真空吸附系統(tǒng)包括掛壁式吸板、真空泵，掛壁式吸板內(nèi)側(cè)設(shè)有吸盤，掛壁式吸板懸掛于焊件上，吸盤與真空泵相連，掛壁式吸板與焊接小車相連；

焊接小車包括小車本體、控制箱，小車本體上設(shè)置控制箱，小車本體與窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍相連；

窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍包括槍體、中心旋轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)電系統(tǒng)和電機控制盒，電機控制盒與中心旋轉(zhuǎn)軸一端相連，中心旋轉(zhuǎn)軸另一端設(shè)有鎢極，所述鎢極一端為非中心對稱的尖端；導(dǎo)電系統(tǒng)與中心旋轉(zhuǎn)軸相連，槍體外部設(shè)有送絲系統(tǒng)和送氣系統(tǒng)。

焊接小車帶動窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍沿著真空吸附系統(tǒng)移動，從而對罐體立縫進行焊接，焊接過程中，電機控制盒控制中心旋轉(zhuǎn)軸和鎢極轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)電系統(tǒng)和送絲送氣系統(tǒng)的協(xié)同下引燃電弧實施旋轉(zhuǎn)焊接，鎢極在旋轉(zhuǎn)過程中電弧會周期性的加熱窄間隙兩側(cè)，解決側(cè)壁熔合不良的問題。電機控制盒用于控制電機轉(zhuǎn)速，在不同焊接速度下調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速，以得到側(cè)壁熔合良好的焊縫。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，中心旋轉(zhuǎn)軸包括電機、聯(lián)軸器、軸承、中心軸、鎢極夾，聯(lián)軸器為絕緣聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接電機與中心軸，中心軸一端貫穿軸承與聯(lián)軸器相連，中心軸另一端設(shè)有鎢極夾。

進一步優(yōu)選的，電機位于支撐塊內(nèi)，電機通過支撐塊與槍體相連，支撐塊為電木加工的支撐塊。電機周圍的支撐部分采用電木加工，保證電機與中心軸的絕緣，可以防止高頻擊穿。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，導(dǎo)電系統(tǒng)包括固定件和導(dǎo)電塊，導(dǎo)電塊位于固定件內(nèi)，導(dǎo)電塊與中心軸接觸連接，電纜與導(dǎo)電塊相連。固定件起支撐導(dǎo)電塊的作用，電纜接在銅導(dǎo)電塊上使中心軸完成導(dǎo)電。

進一步優(yōu)選的，中心軸外側(cè)設(shè)有斜面凸臺，導(dǎo)電塊設(shè)有斜面凹槽，斜面凸臺與斜面凹槽接觸連接。使中心軸與導(dǎo)電塊有一個錐度的接觸，在中心軸旋轉(zhuǎn)時，二者在旋轉(zhuǎn)中完成導(dǎo)電。錐度可增大導(dǎo)電接觸面，保證焊接大電流下穩(wěn)定良好的導(dǎo)電。

進一步優(yōu)選的，斜面凸臺的斜面與中心軸徑向平面的夾角角度為35°。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，送絲系統(tǒng)包括送絲管與焊絲，焊絲貫穿送絲管設(shè)置，送絲管與槍體外側(cè)鉸接。使送絲管角度和高度都可以任意調(diào)節(jié)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，送氣系統(tǒng)包括氣罩，氣罩與槍體外側(cè)相連，鎢極貫穿氣罩設(shè)置。

進一步優(yōu)選的，氣罩一端與滑竿滑動連接，滑竿與槍體外側(cè)固定連接。使氣罩可以上下滑動，保證多層焊時送絲、氣保護的良好配合。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，小車本體包括X-Y滑塊、焊槍夾具、導(dǎo)向輪、直線導(dǎo)軌，焊槍夾具與X-Y滑塊、窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍相連，直線導(dǎo)軌與掛壁式吸板相連，焊槍夾具通過導(dǎo)向輪與直線導(dǎo)軌移動連接，X-Y滑塊用于調(diào)節(jié)焊槍位置。

9％Ni鋼是一種磁化傾向較大的材料，常規(guī)的磁吸式固定方法容易對9％鋼本身造成磁化。另外，由于電弧是一種離子流，鋼材的磁性會造成電弧的磁偏吹，并將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，造成未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷，嚴(yán)重時甚至無法施焊，因此無法應(yīng)用于該工藝。本發(fā)明技術(shù)方案提出采用工業(yè)吸盤對焊接小車軌道進行有效固定，具有無磁性、無損傷、容易實現(xiàn)、可靠等優(yōu)勢。掛壁式吸板(內(nèi)側(cè)安裝有真空吸盤)懸掛于焊件上，由真空泵不斷的抽真空，使其穩(wěn)定的吸附在LNG罐體壁上。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，鎢極一端的尖端平面與鎢極軸所在平面的角度為35°～50°。

進一步優(yōu)選的，尖端平面與鎢極軸所在平面的角度為45°。電機控制鎢極旋轉(zhuǎn)，將電弧周期性有效的引導(dǎo)至窄間隙兩側(cè)壁，以周期性控制鎢極尖端與鋼板兩側(cè)距離發(fā)生周期性變化。

一種利用上述LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備的焊接方法，包括步驟如下：

(1)將掛壁式吸板懸掛在罐體立壁上，吸盤與焊件表面接觸，啟動真空泵使吸盤真空，使掛壁式吸板吸附固定于焊件上；

(2)將焊接小車與掛壁式吸板相連，在焊接小車上夾持窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍；

(3)將窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍的鎢極置于焊縫內(nèi)，開啟送絲系統(tǒng)和送氣系統(tǒng)，進行焊接。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、針對9％Ni鋼磁化傾向大，本發(fā)明的技術(shù)方案根據(jù)掛壁小車的原理，將整個工作支架懸掛、固定在立壁上，實現(xiàn)垂直方向的有效固定；同時利用強力真空工業(yè)吸盤實現(xiàn)對支架實現(xiàn)水平方向的有效固定，避免了磁化引起的焊接質(zhì)量問題。

2、本發(fā)明利用焊接小車，可以減少勞動強度，改善作業(yè)環(huán)境；提高工作效率，本技術(shù)方案的效率可達手工焊的1.5倍；避免人為因素所造成的焊縫質(zhì)量不良，采用自動焊接小車沒有產(chǎn)生焊接不良率，其綜合效益比手工焊提高近200％；自動化程度高，確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性；簡單輕便，焊接效率高。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案利用窄間隙TIG焊接工藝，可以實現(xiàn)超厚鋼板的高效率焊接；較少焊接材料和電能的使用；熱輸入低,改善焊縫品質(zhì)；可橫焊、立焊、仰焊及全位置的焊接。

4、本發(fā)明的技術(shù)方案所述的焊槍可以控制鎢極實現(xiàn)無限回轉(zhuǎn)；鎢極與焊槍無限導(dǎo)電；多重可靠氣體保護；具備填絲功能；支持窄間隙焊接(5mm-10mm)。

5、本發(fā)明的技術(shù)方案，使電弧在窄間隙坡口中周期性偏心旋轉(zhuǎn)，解決了窄間隙焊接側(cè)壁未能熔合問題，有效保證側(cè)壁熔合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍主視結(jié)構(gòu)透視示意圖；

圖3是本發(fā)明窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍鎢極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a是利用本發(fā)明技術(shù)方案焊接過程電弧形態(tài)效果圖，電弧與坡口左側(cè)接觸燃燒；

圖5b是利用本發(fā)明技術(shù)方案焊接過程電弧形態(tài)效果圖，電弧與坡口右側(cè)接觸燃燒；

圖5c是利用本發(fā)明技術(shù)方案焊接過程電弧形態(tài)效果圖，電弧與坡口中心接觸燃燒；

其中，1、焊接小車，1-1、焊槍夾具，1-2、直線導(dǎo)軌，2、窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍，3、吸盤，4、焊件，5、掛壁式吸板，6、電機，7、聯(lián)軸器，8、軸承，9、中心軸，9-1、斜面凸臺，10、鎢極夾，11、鎢極，11-1、尖端平面，12、導(dǎo)電塊，12-1、斜面凹槽，13、槍體，14、氣罩，15、送絲管，16、支撐塊，17、固定件，18、焊絲，19、滑竿。

具體實施方式

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。

實施例1：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，包括真空吸附系統(tǒng)、焊接小車和窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍；真空吸附系統(tǒng)包括掛壁式吸板、真空泵，掛壁式吸板內(nèi)側(cè)設(shè)有吸盤，掛壁式吸板懸掛于焊件上，吸盤與真空泵相連，掛壁式吸板與焊接小車相連；焊接小車包括小車本體、控制箱，小車本體上設(shè)置控制箱，小車本體與窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍相連；窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍包括槍體，槍體內(nèi)設(shè)有中心旋轉(zhuǎn)軸，還包括導(dǎo)電系統(tǒng)和電機控制盒，電機控制盒與中心旋轉(zhuǎn)軸一端相連，中心旋轉(zhuǎn)軸另一端設(shè)有鎢極，所述鎢極一端為非中心對稱的尖端；導(dǎo)電系統(tǒng)與中心旋轉(zhuǎn)軸相連，槍體外部設(shè)有送絲系統(tǒng)和送氣系統(tǒng)。

焊接小車帶動窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍沿著真空吸附系統(tǒng)移動，從而對罐體立縫進行焊接，焊接過程中，電機控制盒控制中心旋轉(zhuǎn)軸和鎢極轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)電系統(tǒng)和送絲送氣系統(tǒng)的協(xié)同下引燃電弧實施旋轉(zhuǎn)焊接，鎢極在旋轉(zhuǎn)過程中電弧會周期性的加熱窄間隙兩側(cè)，解決側(cè)壁熔合不良的問題。電機控制盒用于控制電機轉(zhuǎn)速，在不同焊接速度下調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速，以得到側(cè)壁熔合良好的焊縫。

中心旋轉(zhuǎn)軸包括電機、聯(lián)軸器、軸承、中心軸、鎢極夾，如圖2所示，聯(lián)軸器為絕緣聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接電機與中心軸，中心軸一端貫穿軸承與聯(lián)軸器相連，中心軸另一端設(shè)有鎢極夾。

導(dǎo)電系統(tǒng)包括固定件和導(dǎo)電塊，導(dǎo)電塊為銅導(dǎo)電塊，導(dǎo)電塊位于固定件內(nèi)，導(dǎo)電塊與中心軸接觸連接，電纜與導(dǎo)電塊相連。固定件起支撐導(dǎo)電塊的作用，電纜接在銅導(dǎo)電塊上使中心軸完成導(dǎo)電。

尖端平面與鎢極軸所在平面的角度為45°。電機控制鎢極旋轉(zhuǎn)，將電弧周期性有效的引導(dǎo)至窄間隙兩側(cè)壁，以周期性控制鎢極尖端與鋼板兩側(cè)距離發(fā)生周期性變化。

實施例2：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例1所述，所不同的是，電機位于支撐塊內(nèi)，電機通過支撐塊與槍體相連，支撐塊為電木加工的支撐塊。電機周圍的支撐部分采用電木加工，保證電機與中心軸的絕緣，可以防止高頻擊穿。

實施例3：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例1所述，所不同的是，中心軸外側(cè)設(shè)有斜面凸臺，導(dǎo)電塊設(shè)有斜面凹槽，斜面凸臺與斜面凹槽接觸連接。使中心軸與導(dǎo)電塊有一個錐度的接觸，在中心軸旋轉(zhuǎn)時，二者在旋轉(zhuǎn)中完成導(dǎo)電。錐度可增大導(dǎo)電接觸面，保證焊接大電流下穩(wěn)定良好的導(dǎo)電。斜面凸臺的斜面與中心軸徑向平面的夾角角度為35°。

實施例4：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例1所述，所不同的是，送絲系統(tǒng)包括送絲管與焊絲，焊絲貫穿送絲管設(shè)置，送絲管與槍體外側(cè)鉸接，使送絲管角度和高度都可以任意調(diào)節(jié)。

實施例5：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例4所述，所不同的是，送氣系統(tǒng)包括氣罩，氣罩與槍體外側(cè)相連，鎢極貫穿氣罩設(shè)置；氣罩一端與滑竿滑動連接，滑竿與槍體外側(cè)固定連接。使氣罩可以上下滑動，保證多層焊時送絲、氣保護的良好配合。

實施例6：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例5所述，所不同的是，小車本體包括X-Y滑塊、焊槍夾具、導(dǎo)向輪、直線導(dǎo)軌，焊槍夾具與X-Y滑塊、窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍相連，直線導(dǎo)軌與掛壁式吸板相連，焊槍夾具通過導(dǎo)向輪與直線導(dǎo)軌移動連接，X-Y滑塊用于調(diào)節(jié)焊槍位置。本實施例中，焊接小車可使用上海華威焊接焊割機械有限公司的HK-100自動焊接小車。

實施例7：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例1所述，所不同的是，鎢極一端的尖端平面與鎢極軸所在平面的角度為35°。

實施例8：

一種LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備，其結(jié)構(gòu)如實施例1所述，所不同的是，鎢極一端的尖端平面與鎢極軸所在平面的角度為50°。

實施例9：

一種利用實施例6所述LNG儲罐9％Ni鋼自動立焊的成套焊接裝備焊接時，包括步驟如下：

(1)將掛壁式吸板懸掛在罐體立壁上，吸盤與焊件表面接觸，啟動真空泵使吸盤真空，使掛壁式吸板吸附固定于焊件上；

(2)將焊接小車與掛壁式吸板相連，在焊接小車上夾持窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍；

(3)將窄間隙旋轉(zhuǎn)鎢極焊槍的鎢極置于焊縫內(nèi)，開啟送絲系統(tǒng)和送氣系統(tǒng)，設(shè)置焊接參數(shù)為：焊接電流250A,電機轉(zhuǎn)速300r/min,送絲速度0.96m/min、焊接速度0.36m/min、氣流量35L/min，進行焊接，能夠達到側(cè)壁熔合成功進行窄間隙焊接，得到成形美觀，無缺陷焊縫。

實驗例：

利用實施例9所述的方法進行焊接試驗，鎢極在旋轉(zhuǎn)過程中，電弧與坡口左側(cè)、中心、右側(cè)都可以循環(huán)接觸燃燒，側(cè)壁能夠良好熔合；觀察旋轉(zhuǎn)鎢極的電弧形態(tài)，如圖5a、圖5b、圖5c所示，該方案能夠很好的解決窄間隙焊接中存在的側(cè)壁熔合問題。