大中型原油儲罐的底板弧焊機器人CO2自動焊接工藝開發與應用

陳江蘭

（福建特種設備檢驗研究院泉州分院，福建泉州 362000）

0 引言

隨著石油工業的快速發展，原油的儲備和運輸工作對原油儲罐的要求越來越高。在原油儲備量相同的條件下，大容量儲罐比小容量儲罐更具經濟性。油罐從小而多逐步向大而少轉變，油庫的組成結構也隨之改變，中大型油罐占地面積小，節省鋼材，減少投資［1-3］。油罐大型化對油罐的強度、抗裂、抗震等性能要求更加嚴格。常見大中型原油儲罐的底板通常采用對接接頭形式，底板接頭的焊接質量在很大程度上決定了儲罐的力學性能和使用壽命。底板焊接的方法較多，如手工電弧焊、半自動焊接和自動焊接等都可以用作底板焊接。近年來隨著智能制造的不斷發展，弧焊機器人在焊接結構件的生產中應用越來越廣泛，尤其是大中型原油儲罐的生產中正在不斷發開和推行弧焊機器人焊接工藝，提升焊接效率，保證焊接可達率和產品質量［4-7］。因儲罐底板焊縫多、板厚小，在焊接過程中存在的主要問題是焊接變形，特別是施工中時常會產生較大的波浪變形等。如果大中型儲罐用鋼板焊接變形太大時，底板隨著其承受著罐內液體的增多或減少產生凸起或凹下變形。這種變形如果反復作用，就會導致焊縫和母材開裂或腐蝕破壞，從而大大降低儲罐的使用壽命，甚至造成更大的損失［8-11］。為獲得質量優良的焊接接頭，本文針對8000m3汽油儲罐底板的弧焊機器人焊接工藝進行開發，通過采用合理的焊接方法、焊接順序、焊接工藝參數及行之有效的防變形措施，使罐底板的焊接質量得到有效控制。

1 弧焊機器人CO2氣體保護焊焊接工藝與編程分析

1.1 焊接材料選擇

中幅板材質為Q235鋼焊接性好，其化學成分如表1所示，其最小屈服強度在235 MPa左右，其力學性能如表2所示。采用混合氣體（Ar80%＋CO220%）焊接，多層單道焊，焊絲選用φ1.2 mm ER50-6，其化學成分如表3所示。

表1 Q235鋼主要化學成分 %

表2 Q235鋼力學性能

表3 ER50-6焊絲化學成分 %

1.2 設備選擇

工作站采用KUKA KR5arc R1400本體及其一整套操作及控制系統，控制柜為KRC4，德國賓采兒氣保焊槍，焊接電源選用奧太350RPL。庫卡機器人搭配PC300NET軟件，通過計算機來設定焊接程序參數。

1.3 焊前準備及清理

焊前將試件兩側20 mm內的鐵銹、油污、氧化物采用角向磨光機等工具清理干凈，使其露出金屬光澤。檢查機器人本體、控制柜、供氣系統、送絲機構等是否舒暢，確保焊機后板上焊接正極和負極插頭聯結牢固，第一級送絲機構（推絲）的壓緊輪處于壓緊位置，壓緊刻度不高于2。將機器人走到焊槍檢查位置（MASTER程序中的2 000點），檢查導電嘴狀態是否完好，必要時進行更換；檢查焊槍噴嘴中有無殘留飛濺并予以清除；焊槍冷卻水聯結管接頭處于閉鎖狀態，排除導電嘴、噴嘴堵塞等問題。清除機器人工作范圍內的可能的障礙物以免發生碰撞。檢查保護氣體瓶內壓力不得低于1 MPa。焊接前要先進行試氣，使氣體充滿從焊機到焊槍之間的管道。

1.4 拼焊工藝的要求

8 000 m3汽油儲罐底板的中幅板材質為Q235，板寬1.2 m，板長8 m，板厚8 mm，連接形式主要為對接，焊接位置為水平位置。在機器人施焊前首先進行組對拼接，現場操作人員需要嚴格按照圖紙規定要求進行拼裝。中幅板由中心向四周對稱排列，確保各零部件和組件拼裝位置正確，焊縫應對稱分布，便于施焊時控制焊接速度，減小焊接變形，且在拼裝完成后檢查零部件和組件的位置。同時，需要保證零部件和組件表面的清潔度，不得有水、銹及油污。此外，要求手工劃線寬度不大于1.0 mm，并按照規定的要求進行反變形尺寸和預留尺寸的確定。按照“先短縫后長縫”的施焊順序，中幅板大部分焊縫都可以處于相對自由的膨脹收縮狀態下施焊，使中幅板整體變形趨于最小。

試件的組裝與定位焊：組裝時保證兩個板要對齊對平，不得有錯邊并留有合適的間隙，組對間隙2～3 mm，錯變量小于或等于1 mm，焊接過程中焊縫會逐漸收縮，易引起焊接缺陷。因此，裝配后焊間隙要大于先焊間隙約0.5 mm，以防止在焊接過程中收縮造成未焊端坡口間隙變窄而影響焊接。試件定位焊長度為20 mm，定位焊縫兩端打磨成斜坡形。定位焊完成后對焊縫區域進行徹底清理，對焊接附著物如飛濺、焊渣等清除干凈。

1.5 焊件的焊接工藝與編程要點

大中型原油儲罐的底板厚度為8 mm，焊縫打底層的單面焊雙面成形易產生燒穿、未熔合等缺陷。為消除可能產生的缺陷，嚴格控制熔池尺寸，弧焊機器人工作站編程時選用梯形擺動，應注意控制電弧擺動軌跡在熔池中的過渡位置以及在兩側的停留位置和停留時間，將坡口根部兩側各熔化0.5～1 mm，焊接參數不宜過大，可保證焊縫背面焊透。同時不出現焊瘤。當熔孔直徑過小時或沒有熔孔時，就可能產生未焊透缺陷［12-13］。底板焊縫蓋面焊要保證焊縫邊緣和下層及母材熔合良好，底板焊縫蓋面層的焊接易產生未熔合等缺陷［14］。一般在電流、電壓和兩側停留時間不變的前提下，速度越慢，產生未熔合的缺陷的幾率越大［15］。因此，編程時應選用脈沖焊接，主要控制電弧在焊道兩側的停留時間。

2 弧焊機器人示教編程

2.1 示教運動軌跡

大中型原油儲罐的底板焊縫的機器人焊接示教運動軌跡如圖1所示，采用兩遍梯形擺動示教編程和焊接，主要由編號①～⑩的示教點組成。其中點①、點⑩為原點（或待機位置點），其應處于與工件、夾具不干涉的位置，焊槍姿態為45°（相對于X軸）。點②、⑤、⑥、⑨為過渡點（前進點或退避點），應處于工件、夾具不干涉的位置，焊槍角度任意。焊槍姿態和角度應與焊接點一致。點③和點⑨為開始點，點④和點⑧為焊接結束點，焊槍姿態為與兩工件垂直，與焊縫待焊方向成100°～110°夾角，如圖2所示。

圖1 示教運動軌跡

圖2 焊槍角度示意圖

2.2 焊接參數設置

弧焊機器人CO2氣體保護焊兼有焊條電弧焊的靈活性和埋弧自動焊的高效性，又避免了焊條電弧焊焊縫成形系數大、效率低、變形大、弧焊線能量大、變形大的缺點［16］。通過可行性分析和焊接工藝評定等綜合論證，選取焊接工藝參數如表4所示。

表4 8 mm板厚Q235底板對接平焊弧焊機器人焊接工藝參數

2.3 焊接順序和方向

對于大中型原油儲罐的底板焊后由于焊接產生的壓縮殘余應力，使板件出現因壓曲形成的波浪變形，這種變形屬于板平面外變形，是板狀焊件焊后在壓應力區內因壓應力已超過其失穩臨界應力而產生失穩，從而形成凹凸不平的變形［17-20］。為有效防止大中型原油儲罐的底板焊接后可能產生的波浪變形，在焊接時要考慮降低壓應力和提高臨界壓應力，CO2氣體保護焊所產生的塑性變形區比氣焊和焊條電弧焊小，脈沖焊比無脈沖焊熱輸入小，都可以減少受熱區面積來減小塑性變形區。焊接時還要注意：（1）盡量使焊縫能自由收縮，先焊收縮量比較大的焊縫，從而減少內應力；（2）先焊工作時受力較大的焊縫；（3）長焊縫盡量從中間向兩頭焊，避免從兩頭向中間焊；（4）交錯布置的焊縫應先焊交替的短焊縫，后焊直通的長焊縫。

3 焊接質量檢驗

3.1 焊縫外觀檢驗

焊縫外觀形狀尺寸檢驗主要是用肉眼或借助樣板，或用低倍放大鏡（不大于5倍）觀察試件外形尺寸。該產品的焊縫外觀質量要求如表5所示，焊縫成形如圖3所示。試件焊接完成后用鋼絲刷清除焊縫及表面的飛濺及焊渣，試件的正方兩面的焊縫外觀均良好美觀，平滑整齊，沒有任何的咬邊、氣孔未熔合、裂紋和夾渣等缺陷。

表5 產品的焊縫外觀質量要求

圖3 8 mm板厚Q235底板對接焊縫形貌

3.2 焊縫內部檢驗

焊縫內部質量檢驗按《金屬熔化焊接接頭射線照相》（GB/T3323-2005）標準規定，經X射線100%探傷檢驗焊縫內部，試樣焊縫內無未焊透、未融合、氣孔、裂紋等缺陷，無條狀夾渣，達Ⅱ級以上為合格。

3.3 力學性能

將試件按照《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》（NB/T47016-2011）試驗標準的要求，從試樣中采用機械切削的方法截取拉伸、彎曲和沖擊試樣的樣坯，保證受試驗部分的金屬不在切割影響區內。制備焊接接頭加工成的拉伸、彎曲和沖擊試樣，然后進行力學性能試驗。如圖4所示。試樣拉伸試驗結果顯示拉伸試樣斷后伸長率為23.5%，斷面收縮率為64%，抗拉強度為607 MPa，2個面彎和背彎的試樣彎曲到180°以后，試樣的焊縫區沒有出現缺陷；3組沖擊試樣的沖擊功都符合Q235的沖擊功的要求。因此力學性能滿足規范標準的性能要求，檢驗合格。

圖4 焊縫力學性能試樣

4 結束語

利用弧焊機器人CO2氣體保護焊方法完成大中型原油儲罐的Q235底板中幅板的對接，在合適的焊接工藝參數下采用不開坡口單面焊雙面成形的焊接工藝得到的焊縫成形較好。

試樣焊縫區拉伸試驗斷后伸長率23.5%，斷面收縮率64%，抗拉強度607 MPa，彎曲試驗、沖擊試驗結果均滿足要求。無損檢測結果顯示試樣焊縫內無未焊透、未融合、氣孔、裂紋等缺陷，無條狀夾渣，達Ⅱ級以上為合格。試驗表明所選焊接工藝參數能滿足大中型原油儲罐的Q235底板焊接需要。

弧焊機器人CO2氣體保護焊焊接穩定性好，焊縫外觀和內部質量檢驗合格。相對傳統手工焊接弧焊機器人焊接減少了施工工序，改善了勞動條件，降低了工人的技術操作難度和勞動強度，提高了焊接效率。