不銹鋼儲罐DP-TIG焊接技術研究

畢學松，李志波，董傳陽

摘要：針對不銹鋼儲罐的特征及實際生產工況要求，提出了一套高效優質的DP-TIG焊接技術解決方案，并開展了相應的研究工作。結果表明，DP-TIG焊接技術可通過電弧穿孔效應增加焊接熔深，實現單面焊雙面成形，焊縫質量滿足行業標準要求;對坡口間隙、角度及錯邊等實際復雜工況適應能力強;焊接過程無需坡口，耗材少，生產成本低;焊接工藝參數簡單，調整方便，人員操作技能要求低。該技術已成功應用于不銹鋼低溫儲罐、醫療器械等行業中，改變了原有生產方式，焊縫質量優、焊接效率高，滿足用戶生產需求。

關鍵詞：不銹鋼儲罐;DP-TIG;單面焊雙面成形

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0043-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.08

0? ? 前言

隨著我國經濟的高速發展，鋼制儲罐作為儲氣、儲液的主要工具，越來越多地應用于石油、化工、糧油、核電、國防等領域[1]。實際應用中儲罐承擔著盛裝冷液和密封的作用，其運行及服役工況環境比較復雜且惡劣，因此儲罐對焊縫質量要求極為嚴格，其焊接接頭性能直接關系到儲罐的施工質量和安全可靠性，必須滿足相關技術標準規定[2]。不銹鋼具有良好的塑性、韌性及耐腐蝕性能，被廣泛應用于儲罐的生產制造中。但不銹鋼具有熱導率小、熱膨脹系統大、電阻率高等物理特性，加之不銹鋼儲罐直徑較大、壁薄，使得不銹鋼儲罐在焊接時易發生變形，焊后糾正較難[3-4]。

1 不銹鋼儲罐制造現狀

目前，不銹鋼儲罐焊接多采用手工焊背面清根封底焊工藝，焊接材料用量大，熔敷效率低，且易出現夾渣、裂紋等焊接缺陷，同時背面清根工作環境惡劣、工作量大。隨著市場對高效優質、綠色環保焊接技術的迫切需求，出現了許多自動化或半自動化的焊接技術及設備，例如熔化極氣體保護焊、自動氬弧焊、氬弧焊打底焊+焊條電弧焊填充、自動埋弧焊、等離子或P+T焊接技術等[5-8]。采用以上焊接技術時，工件一般需開V型坡口，多層多道焊接，耗材多，生產成本高，生產效率仍然較低。等離子焊一般采用I型坡口，工件可不開坡口，可提高焊接質量和生產效率，但焊接設備復雜，氣體、配件等耗材價格較貴，生產制造成本高，同時等離子焊接參數多，焊接工藝復雜，對操作人員技能水平要求高[9]。

2 不銹鋼儲罐焊接新技術方案

針對不銹鋼儲罐焊縫特征及實際應用工況要求，成功開發了一套優質DP-TIG焊接技術解決方案。DP-TIG焊接（Deep Penetration-Tungsten Inert Gas Welding）是一種新型高效TIG焊接技術，主要通過對鎢極的高效冷卻及電弧自身的磁收縮效應使電弧壓縮，提高電弧能量密度，增大焊接熔深。并通過穿孔形式獲得穩定的單面焊雙面成形焊縫，焊接質量可靠，焊接效率高，焊接工藝簡單。

文中通過試驗研究了SUS304不銹鋼DP-TIG焊接技術。分析了在不同間隙、錯邊及自由角度的情況下，DP-TIG焊接技術在不銹鋼儲罐焊接時的工況適應能力，為實際工程應用提供參考。

3 不銹鋼儲罐DP-TIG焊接工藝研究

3.1 試驗方案

試驗設備采用自主研發的DP-TIG焊槍、電源、冷卻水箱、試驗平臺等，如圖1所示。試驗前用角磨機和鋼絲刷去除試板表面氧化膜，并用丙酮或者酒精去除試板表面油污;然后進行平板對接焊接;試驗完成后，對焊縫進行宏觀金相、力學性能、X射線探傷等檢測，檢驗焊接質量。

3.2 試驗材料

試板材料選用SUS304不銹鋼，板厚6 mm，焊絲采用ER308LSi，直徑1.0 mm，試板材料及焊絲主要化學成分如表1所示。焊槍保護氣和背面保護氣均采用99.99%純氬氣。

3.3 接頭設計

針對不銹鋼儲罐應用場景，設計了4種類型的接頭形式：

（1）I型坡口對接接頭，無錯邊，間隙0～2.0 mm，如圖2a所示。

（2）I型坡口對接接頭，無間隙，錯邊0～2.0 mm，如圖2b所示。

（3）I型坡口對接接頭，間隙1.5～2.0 mm，錯邊1.5～2.0 mm，如圖2c所示。

（4）I型坡口對接接頭，存在10°、-10°自然角度，間隙0～2.5 mm，如圖2d、2e所示。

3.4 試驗參數

通過大量的試驗研究和工藝優化，實現了6 mm不銹鋼DP-TIG單面焊雙面成形。主要工藝參數如表2所示。

3.5 試驗結果

3.5.1 基本試驗

分別對不同焊接電流、焊接速度下的不銹鋼DP-TIG焊接工藝進行研究，焊接電弧集中、挺度高，實現穿孔效應，焊接過程穩定。

典型參數下焊縫外觀及截面宏觀圖片如圖3所示。可以看出，不同焊接參數下，DP-TIG焊接均能實現單面焊雙面成形，焊縫正面及背面成形良好，未出現咬邊、氣孔、未焊透、未熔合等缺陷，焊縫背面熔透均勻，滿足焊縫成形外觀要求。

焊接電流與焊接速度關系如圖4所示。可以看出，隨著焊接電流的增大，電弧穿透能力增強，焊接速度近似于線性提高，當焊接電流為550 A時，焊接速度可提高至700 mm/min。同時，進一步分析不同焊接電流下的焊接熱輸入情況，如圖5所示。可以看出：電流較小時，由于焊接速度較小，熱輸入較大;隨電流的增加，焊接速度增加，熱輸入會減小，尤其是電流在420 A以上時，焊接熱輸入小于12 kJ/cm;電流達到一定程度后，熱輸入變化不明顯。這是由于DP-TIG焊接技術在大電流情況下，電弧的電磁壓縮效果越強，焊接速度就越高。可見，DP-TIG焊接技術在大電流焊接情況下優勢更為明顯。

與現有不銹鋼儲罐焊接技術相比，DP-TIG焊接技術能夠顯著提高焊接效率和質量。同時，焊接過程無需開坡口，減少焊材消耗，降低生產成本;減少焊接工序，降低人員勞動強度，提高生產效率;焊接過程熱輸入小，減小焊接變形;工藝參數少，調整方便簡單，通過匹配焊接電流和焊接速度，即可獲得良好焊縫，降低對人員技能的要求。

3.5.2 工況適應能力試驗

在焊接作業中，受材料、坡口加工條件、組對條件、工裝夾具、操作者技能等因素影響，坡口間隙、錯邊及角度等尺寸及其精度難以保證。通過改變坡口的組對間隙、錯邊、角度條件，研究焊接電流為480 A，焊接速度550 mm/mim 時DP-TIG實際生產工況適應能力。

（1）間隙適應性。

無錯邊時，不同間隙情況下焊縫外觀成形及橫截面形貌如圖6所示。可以看出，間隙在2.0 mm以內時，均能形成穩定的小孔，焊縫成形良好，未出現未焊透或焊漏現象。間隙大于2.0 mm時，電弧直接從間隙穿過，不能形成穩定熔池及焊縫。因此，無錯邊時，該工藝對間隙的最大適應能力為2.0 mm。

（2）錯邊適應性。

無間隙時，不同錯邊情況下焊縫外觀成形及橫截面形貌如圖7所示。可以看出，錯邊在1.5 mm以內時，焊縫正面成形飽滿，均勻美觀，背面熔透良好，實現了單面焊雙面成形。由于錯邊大小影響電弧穿透能力，當錯邊大于1.5 mm時，電弧穿透能力不穩定，影響背面成形。因此，當無間隙時，該工藝對錯邊最大適應能力為1.5 mm。

（3）間隙、錯邊同時存在時焊接適應性。

當間隙、錯邊均存在時，焊接接頭形式如圖2c所示，其焊縫外觀成形及橫截面形貌如圖8所示。可以看出，間隙為1.5 mm、錯邊為1.5 mm時，焊接過程穩定，焊縫成形良好，背面熔透。間隙、錯邊量分別增大至2.0 mm時，焊縫成形不穩定，焊點處容易焊漏。由此可見，DP-TIG焊接能夠同時適應的最大間隙和錯邊量為1.5 mm。

（4）自然角度情況下焊接適應性。

I型坡口對接時，形成10°或-10°自然角度，間隙大小對焊縫成形影響如圖9所示。此種情況相當于開V型坡口，當間隙小于1 mm時，焊接效果良好。

3.5.3 性能檢測

依據行業標準NB/T 47013.2-2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》要求，對DP-TIG焊接后焊縫進行X射線檢測，X射線探傷典型照片如圖10所示。可以看出，焊縫內部未發現裂紋、未熔合、未焊透、圓形缺陷，結果符合Ⅰ級焊縫標準。

依據國標GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》、GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》和GB/T 2651-2008 《焊接接頭拉伸試驗方法》檢測焊接接頭力學性能，結果如表3～表5所示。結果表明，不銹鋼DP-TIG焊接接頭性能滿足實際應用要求。

4 實施案例

DP-TIG焊接技術已在低溫儲罐、醫療機械等行業得到了成功應用。以某客戶低溫儲罐焊接應用為例，其儲罐罐體為SUS304不銹鋼，壁厚8 mm，罐體環縫、縱縫數量多，焊縫長度最長可達十幾米，全部焊縫要求無缺陷，焊接接頭力學性能合格。針對客戶需求，采用DP-TIG焊接技術并結合TIG擺動焊接蓋面，采用I型坡口對接，一次焊接單面焊雙面成形，焊接速度高，極大提高了焊接效率和產品合格率。用戶對焊接接頭無損檢驗、力學性能、金相組織等指標進行了全面檢驗分析，結果均滿足應用需求。DP-TIG焊接設備及焊接效果照片分別如圖11、圖12所示。

DP-TIG焊接方法是一種高效優質的焊接技術，可以推廣應用于食品、醫療器械、壓力容器、石化、核電等諸多領域，提高焊接質量和效率，助力我國焊接制造技術的進步與發展。

5 結論

（1）DP-TIG焊接技術通過穿孔效應能穩定實現不銹鋼儲罐單面焊雙面成形，焊縫外觀質量、力學性能均能滿足行業標準要求，焊接質量好。

（2）DP-TIG焊接技術對不銹鋼焊接接頭組對間隙、錯邊及角度適應能力強，能夠適應行業現有工況要求。

（3）DP-TIG焊接過程無需開坡口，無需多層多道焊，減少焊材消耗，降低生產成本;工藝參數簡單，調整方便，降低對人員操作技能的要求，提高了生產效率。

（4）DP-TIG焊接技術已成功應用于低溫儲罐、醫療器械等行業，改變原有生產方式，焊接質量好，提高了客戶生產效率，降低了生產制造成本，很好地滿足了用戶需求。

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