储罐环缝自动焊焊接工艺优化研究

引言

在石油化工和能源储运等行业的工程建设项目中，大型储罐是重要的储存设施，建造质量决定了储存介质的安全可靠。储罐环缝焊接是储罐制造的重要工序，决定了储罐的密封性能和整体强度。随着工业自动化的发展，其工艺特点决定了焊接工艺参数标准化，采用自动焊技术焊接储罐环缝不但能够提高焊接工作效率、保证焊接质量，还能减轻工人工作强度。但现今的储罐环缝自动焊工艺在使用过程也存在诸多问题，如焊接缺陷较多(出现焊缝气孔、裂纹、未熔合)、焊接参数匹配不合理导致的焊接变形，以及自动化设备不能适应目前使用需求等。这些问题不利于储罐的制造周期、制造成本及长周期服役下的工业安全。因此，开展储罐环缝自动焊焊接工艺的优化研究对于提高储罐制造质量和保障工业生产的本质安全意义重大。

1 储罐环缝自动焊现状分析

现有的储罐环缝自动焊主要有埋弧焊、气体保护焊等。埋弧焊焊接熔深大、效率高，适合于厚壁储罐的环缝焊接；气体保护焊电弧能量集中、焊接变形小、操作灵活等优点，比较适用于薄壁储罐焊接。但是实际使用中存在问题：一方面由于焊接设备的稳定性、适应性较差，无法完全针对不同的规格型号、材质种类的储罐进行调节，设备调节精度及响应速度不能满足要求，焊接的过程中可能会出现电弧不稳、送丝不均等问题；另一方面焊接工艺参数的设置没有系统性，焊接电流、电压、焊接速度等焊接工艺参数配置主要是根据人主观能动性的经验来进行判断，没有考虑到储罐材料、壁厚等因素的影响，导致焊缝质量存在较大的波动性，无法达到规范化的标准要求[1]。

2 储罐环缝自动焊焊接工艺优化措施

2.1 焊接设备优化

第一，开展焊接电源更新换代工作。利用数字化焊接电源取代传统的模拟电源。数字化电源可以做到焊接电流、电压的精准控制，有很强的响应速度，在焊接过程中能够随时根据弧长等的变化自动调节相应的参数。比如：当焊接过程中出现弧长波动时，数字化电源可在极短时间内调节输出电压，稳定电弧，保证焊接质量。此外，数字化电源具有丰富的输出波形供用户选择，不同的焊接波形适应不同的焊接工艺，焊接参数可以根据不同的焊接工艺要求进行设置，以达到理想的焊接效果。

第二，改进送丝系统。选用高精度送丝机，通过伺服电机驱动实现送丝更加稳定和精确；送丝机要具有送丝速度可调的功能，并且要使送丝速度的调节范围能够满足各种不同的焊接工艺需要；同时具备送丝速度反馈的功能，实现焊机随时掌握并调节送丝的速度；另外，还应该考虑采用新的软管材料或结构来减少送丝阻力，避免出现送丝过程中出现卡丝、断丝的情况，保证整个焊接过程的连续性。

第三，改善焊接小车与轨道系统的状况。焊接小车应该有很好的行走稳定性以及定位精度，选用高精度的导轨以及驱动机构，在环缝焊接时可以保证小车的行走平稳，没有晃动或者跑偏的现象；轨道的安装精度会对焊接小车产生重要影响，需要保证轨道的直线度、平行度、水平度，轨道要与储罐壁板完全接触；此外还可以给焊接小车上加装自动纠偏装置，如果焊接小车偏离了焊接轨迹之后，自动纠偏装置能够及时纠正焊接小车的位置，保障焊接的质量。

2.2 焊接参数优化

第一，针对储罐材质与壁厚大小确定合适的焊接电流范围。对于低碳钢储罐而言，壁厚在 8～12mm 范围时，焊接电流可在 300～400A ,随壁厚增加而相应增大；选择焊接电流时应考虑到焊接方法和焊接位置的影响，如用埋弧焊平焊，适当提高焊接电流可以增加熔深，而立焊时应减小焊接电流以防止熔池下淌[2]。

第二，改善焊接电压和焊接电流之间的协调配合关系。焊接电压与焊接电流必须相互配合才能使焊缝成型良好。如焊接电压过高，焊缝的熔宽会变大而熔深变小，容易出现咬边；焊接电压过低时，焊缝的熔宽反而会变小，余高过大，焊缝不容易融合。通过实验可以得到不同的焊接电流下的最佳焊接电压，根据数据作出焊接电流—焊接电压匹配曲线，供以后焊接使用。例如。当焊接电流350A 时，焊接电压 32～34V.

第三，合理调整焊接速度。焊接速度过快，会造成焊缝熔深不足，焊缝与母材未完全熔合；焊接速度过慢，则会造成焊缝热输入太大，形成焊接变形，焊缝晶粒粗大等不良后果。焊接速度要根据焊接电流、电压及焊缝情况而定。如用气体保护焊焊接薄壁储罐环缝时，其焊接速度可在 40～50cm/min 之间；若采用埋弧焊焊接厚壁储罐，其焊接速度可以在 25～35cm/min 之内。除固定的焊接速度外，还可以根据焊缝成形情况随时调节焊接速度，以确保焊缝质量。

2.3 焊接工艺方法创新

第一，采用多层多道焊工艺。用多层多道焊能有效减小焊接热输入量，从而减小焊接变形，提高焊缝综合性能。每层焊缝厚度控制在 3--4mm 层间温度控制在 100～ 150^∘C ，避免层间温度过高引起晶粒长大；焊接顺序采用交错法，即由两侧逐渐向中央交叉对称施焊，使焊缝收缩应力相向抵消，从而减小焊接变形量；采用多层多道焊方法可使焊缝金属多次重溶，改善焊缝组织，提高焊缝的抗裂性。

第二，引入复合焊接技术。采用两种甚至两种以上的焊接工艺相互组合，互相取长补短，同时提高焊接质量和焊接速度，例如，利用激光—MIG 复合焊接技术焊接储罐环缝。激光束能量密度高，可以形成深熔焊、增加焊接熔深，MIG 焊则可以为焊缝的成型和填充提供保障。利用该种复合焊接方式能够有效降低焊接道次、焊接热输入量，减小焊接变形，并具有较快的焊接速度，适用于所有厚度的储罐环缝焊接。

第三，优化焊缝坡口形式。合适的焊缝坡口有利于保证焊缝的焊接质量、焊接效率。对于薄壁储罐，可选用 I 形坡口；当壁厚增大时，可选 V 形、X 形或 U 形坡口。在考虑焊接方法、焊接材料、焊接工艺等因素的前提下，选择合理的坡口形状，尽量减少焊缝金属填充量，减少焊接热输入。同时要选择合适的角度、合适的钝边尺寸，保证焊缝根部可以完全熔透，不得有未焊透情况[3]。

2.4 焊接过程控制优化

第一，加强焊接环境控制。施工时在现场搭建防风棚，降低风力对焊接的影响。尤其对于气体保护焊来说，当风速大于 2m/s 时，就会影响气体保护作用，造成焊缝出现气孔等缺陷；同时要控制焊接环境湿度，如果湿度过大，大于 90% ，就要采取除湿措施，防止焊缝中产生氢气孔；另外，最好安排在合适的环境温度下施焊，不要选择温度过低或过高的场合进行焊接。在寒冷的环境中(环境温度小于等于 0^∘C ，需对母材进行预热，否则会造成焊接裂纹的发生。

第二，完善焊接质量检测及监测工作。在焊接中应用实时检测技术，用电弧传感器、视觉传感器检测焊接电流、电压、电弧形状、焊缝成型等参数。如发现问题就及时调整焊接参数或者停止焊接，避免产生焊接缺陷；对于焊接完成后的焊缝用超声波探伤、射线探伤等检测方法对其进行全面检查，保证焊缝合格；并将焊接过程中记录的数据信息和检测结果记入焊接质量数据库之中，通过对数据库中储存的参数和检测结果进行分析和总结，为后期的焊接工艺优化做准备。

3 结语

通过深究储罐环缝自动焊焊接工艺，并提出针对焊接设备、焊接参数、焊接工艺方法及焊接过程控制等方面的优化措施，通过实验验证，取得了满意结果。然而由于目前储罐制造行业向着大型化、薄壁化和智能化发展，对于储罐环缝焊接工艺也有了更进一步的要求，后续可将开发基于人工智能的焊接参数自动调整系统，以及实现智能焊接机器人以达到焊接过程的自动化。

参考文献：

[1] 方 玉 晨 . 储 罐 9%Ni 钢纵缝自动焊接技术应用分析[J]. 科技创新与应用,2024,14(10):59-62.

[2] 刘 洋 . 大 型 立 式 储 罐 高 效 自 动 焊 接 技 术 探 讨 [J]. 全 面 腐 蚀 控制,2022,36(01):108-110.

[3]房务农,蒋军,郭广飞,等.大型 LNG 储罐三种高效自动化焊接工艺对比研究[J].压力容器,2024,41(01):25-32.