化學(xué)品船不銹鋼管自動(dòng)氬弧焊焊接工藝試驗(yàn)及應(yīng)用

  在18600DWT化學(xué)品船建造中，涉及到大量SUS316L不銹鋼管子焊接，為了提高管子建造效率、降低人工成本和提升焊接質(zhì)量，采用自動(dòng)氬弧焊接設(shè)備。通過(guò)對(duì)不同管徑、壁厚的管對(duì)接試驗(yàn)，選擇合理焊接參數(shù)和焊材，開(kāi)發(fā)出不銹鋼管自動(dòng)TIG焊工藝，并應(yīng)用于SUS316L不銹鋼管子焊接，取得良好的效果。

  18600DWT化學(xué)品船由瑞典FKAB公司設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)154m，寬23.75m，型深13.1m，載重為18600t，入DNV船級(jí)社，滿(mǎn)足1A冰區(qū)航行要求，可裝載多種化學(xué)品。該船搭配先進(jìn)的設(shè)備以及集成操作系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求，具有建造難度大、設(shè)備調(diào)試復(fù)雜等技術(shù)特點(diǎn)，其中不銹鋼管系制造是其制造中關(guān)鍵技術(shù)之一。非碳鋼管系制作專(zhuān)用工場(chǎng)長(zhǎng)96m，寬30m，由車(chē)間原管子制作場(chǎng)地優(yōu)化改造而來(lái)，除起重設(shè)備外，還改造和新添了適用于不銹鋼管系制作的鋸床、坡口機(jī)、彎管機(jī)、除塵吸引裝置、校管平臺(tái)、自動(dòng)電焊機(jī)、組對(duì)機(jī)以及氬氣供氣系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，力爭(zhēng)打造成標(biāo)準(zhǔn)化、流水線(xiàn)式的生產(chǎn)車(chē)間，進(jìn)一步提高公司非碳鋼類(lèi)管系的生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平。該專(zhuān)用工場(chǎng)在做好修船產(chǎn)品管系制作的同時(shí)，主要承擔(dān)公司造船產(chǎn)品非碳鋼類(lèi)管系制作，還將承擔(dān)造船轉(zhuǎn)型產(chǎn)品18600噸化學(xué)品船不銹鋼管子制作。對(duì)于提高焊接生產(chǎn)效率，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升焊接質(zhì)量具有十分重要的意義。

一、管系自動(dòng)化氬弧焊焊接工藝

  1. 焊接設(shè)備

  管系自動(dòng)化焊機(jī)構(gòu)成：通常由焊接電源、引弧及穩(wěn)弧裝置，焊槍?zhuān)庀到y(tǒng)，水冷卻系統(tǒng)和焊接程序控制裝置，機(jī)械行走機(jī)構(gòu)及送絲裝置等部分組成。焊接電源由德國(guó)EWM Phoenix 451puls型逆變MIG/MAG分體式焊接電源，帶脈沖焊功能。

  采用三爪式管鉗實(shí)現(xiàn)管子、管件的自動(dòng)定心、電動(dòng)夾緊，并且穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，配備弧壓監(jiān)控、視頻監(jiān)控等控制手段，實(shí)現(xiàn)管道打底、填充、蓋面自動(dòng)化焊接件。管鉗不僅能有效防止管件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的軸向竄動(dòng)，而且由于夾緊位置距離焊縫較近，也可最大程度的減少管子旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向跳動(dòng)。采用穩(wěn)定的PLC控制平臺(tái)，以確保焊接系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)備故障率極低。適用于直管對(duì)法蘭、直管對(duì)彎頭、直管對(duì)三通等多種形式的焊接，還可適用于角焊縫、對(duì)接焊縫等多種焊接形式。

  2. 焊接工藝要求

  焊接評(píng)定試驗(yàn)管采用船用SUS316L不銹鋼鋼管，DNV.GL船級(jí)社認(rèn)可，其規(guī)格為168mm×10 mm×250mm和168 mm×3 mm×250mm共4根，管材化學(xué)成分和力學(xué)性能如表所示。采用V形坡口，間隙2~3mm，坡口角度65°~70°，如表所示。坡口采用機(jī)加工，焊前將坡口周?chē)鷤?cè)10mm內(nèi)氧化皮、油脂和毛刺去除。管子水平隨變位器滾動(dòng)，焊接機(jī)頭水平固定。焊絲牌號(hào)GMS-316LT ，型號(hào)AWS A5.9 ER316L、φ1.2mm ，認(rèn)可等級(jí)DNV.GL-S316L。

  該焊絲有DNV.GL船級(jí)社認(rèn)證的自動(dòng)氬弧焊焊絲，采用類(lèi)似于實(shí)芯二氧化碳?xì)怏w保焊焊絲盤(pán)狀的自動(dòng)氬弧焊機(jī)專(zhuān)用焊絲，重量12.5kg/盤(pán)。焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能如表所示。定位焊采用手工TIG焊，焊絲牌號(hào)GTS-316L、φ2.0mm。采用對(duì)稱(chēng)4點(diǎn)定位焊，每處的長(zhǎng)度為6~10mm。焊縫內(nèi)作定位焊固定時(shí)需在管子內(nèi)充氬氣，定位焊固定點(diǎn)高度與寬度不得超過(guò)正式焊縫，焊點(diǎn)應(yīng)均勻牢固，不得有裂縫存在，反面成形與焊縫一致，焊接覆蓋前，應(yīng)經(jīng)裂紋檢查。保護(hù)氣體選用純度99.99%的氬氣，焊接過(guò)程中保護(hù)氣體流量15~20L/min，管內(nèi)背側(cè)充氣保護(hù)，氣體流量為20~25L/min。電源極性采用直流正接方式。焊接參數(shù)如表所示，焊接參數(shù)可以在焊機(jī)上預(yù)設(shè)置。

  3. 注意事項(xiàng)

      ①. 鎢極伸出長(zhǎng)度為伸出陶瓷噴嘴5~8mm，焊絲處于鎢極正下方2mm處。

      ②. 焊接前注意焊槍電纜的擺放位置，焊前變位器需逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，使管子焊縫在槍頭下繞一圈，以免焊接過(guò)程中導(dǎo)電嘴碰到坡口和管子運(yùn)轉(zhuǎn)有上下跳動(dòng)。

      ③. 焊前鎢極應(yīng)精確定位，焊接過(guò)程中注意通過(guò)線(xiàn)控器調(diào)整鎢極對(duì)中、高度和擺幅，避免焊偏，保持焊絲始終接觸熔池，并在保護(hù)氣體中，避免在空氣進(jìn)入熔池中引起氣孔。

      ④. 為了確保收弧處的焊接質(zhì)量，在熄弧后仍必須進(jìn)行持續(xù)送氣保護(hù)，送氣時(shí)間為5~7秒即可。

      ⑤. 將以上所確定的數(shù)據(jù)形成的焊接原始程序通過(guò)設(shè)備表明輸入設(shè)備內(nèi)部，并加以保存。焊接參數(shù)可進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，根據(jù)焊接效果的具體情況，通過(guò)設(shè)備面板進(jìn)行的必要相修改，確定最佳焊接參數(shù)。

   焊后試驗(yàn)結(jié)果與分析管材焊接工藝評(píng)定采用DNV.GL船級(jí)社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。各項(xiàng)性能測(cè)試試驗(yàn)是嚴(yán)格按照船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品使用工況要求進(jìn)行。管材焊縫試驗(yàn)內(nèi)容包括外觀檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)及宏觀金相等。

二、 外觀與無(wú)損檢測(cè)

  焊接結(jié)束后24小時(shí)，對(duì)焊接試樣焊縫進(jìn)行100%外觀檢測(cè)，焊縫及熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)咬邊、表面氣孔、裂紋及夾渣等缺陷，焊縫余高0.3~1.2mm，焊縫與母材之間過(guò)渡光順；焊接試驗(yàn)焊縫經(jīng)過(guò)X光射線(xiàn)探傷和PT檢測(cè)表明，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透及夾渣等缺陷，焊接接頭焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

三、拉伸試驗(yàn)

  將拉伸試樣固定在MTS型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)其施加拉應(yīng)力，造成試樣軸向伸長(zhǎng)直到拉斷為止，是衡量材料強(qiáng)度的主要指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可看出拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

四、彎曲試驗(yàn)

 將加工好的標(biāo)注彎曲試樣固定在MTS型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。按規(guī)范要求各取2個(gè)正彎和2背彎試驗(yàn)用12/20mm的直徑進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度180°，彎曲后的試樣表面無(wú)裂紋且在任何方向上無(wú)長(zhǎng)度＞3mm的其他缺陷，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

五、宏觀及微觀金相

  焊縫宏觀斷面檢查發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透，無(wú)裂紋等缺陷，如表所示。焊接工藝經(jīng)評(píng)定合格，取得DNV.GL的工藝認(rèn)可證書(shū)，焊接工藝認(rèn)可適用范圍為SUS316L不銹鋼管系，管徑＞84mm，壁厚3~20mm。

六、晶間腐蝕試驗(yàn)

  按照DNV.GL規(guī)范要求進(jìn)行，試驗(yàn)合格，如表所示。

  應(yīng)用在取得DNV.GL工藝認(rèn)可證書(shū)和焊工證后，焊接工藝在18600DWT 化學(xué)品船中貨液管的SUS316L不銹鋼焊接獲得應(yīng)用。以前采用手工氬弧焊時(shí)，為避免管子底部位置仰焊，需要管子翻身幾次，每層焊道至少有兩個(gè)接頭，焊縫外觀成形及質(zhì)量保證對(duì)焊工技術(shù)水平依賴(lài)度高，且一次無(wú)損探傷合格率不穩(wěn)定。采用自動(dòng)氬弧焊工藝后，管系焊接無(wú)需翻身，避免立、橫、仰位置焊接，每層焊道均一次焊完，只有一個(gè)接頭，焊縫成形均勻美觀，且質(zhì)量穩(wěn)定，一次探傷合格率達(dá)到99.5%以上。焊接后不銹鋼管子經(jīng)過(guò)氣壓或水壓試驗(yàn)，均無(wú)一個(gè)管對(duì)接口發(fā)生泄露。自動(dòng)TIG焊每個(gè)焊口焊接時(shí)間只需8~12分鐘，效率是手工氬弧焊的2.5倍，生產(chǎn)效率得到大幅度提高。

  通過(guò)多次焊接試驗(yàn)，工藝評(píng)定其力學(xué)性能符合船級(jí)社規(guī)范焊接要求，獲得了管系自動(dòng)氬弧焊的焊接參數(shù)和操作技巧，掌握了SUS316L不銹鋼管系的焊接技術(shù)，解決了生產(chǎn)中的技術(shù)難題。使用GMS-316LT高合金材料作為SUS316L的焊接材料，合理控制熱輸入量、層間溫度及水冷焊縫方式，在氬氣對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)下，克服了使用化學(xué)成分匹配焊接材料時(shí)易發(fā)生的合金元素偏析和焊接熱裂紋傾向的不足，得到了力學(xué)性能和抗腐蝕性的焊縫接頭。管系自動(dòng)氬弧焊工藝是一項(xiàng)適合化學(xué)品船液貨艙不銹鋼管對(duì)接焊的焊接工藝，具有焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、操作技術(shù)容易、效率高的優(yōu)點(diǎn)。