埋弧焊在LNG低温储罐底板焊接中的应用

中石化第十建设有限公司 （山东淄博 255438）马志才

1.概述

2012年我公司承揽了16.5万m3LNG低温储罐的工程，也是公司承揽的首个LNG低温储罐，公司上下对该项目的工程施工都十分重视。LNG低温储罐用9%Ni钢是目前国内外广泛使用的钢种，其抗低温性能良好，焊接难度大，在焊接冶金反应和热循环的作用下，其组织和成分改变，产生脆硬相，低温性能降低，冷裂纹、热裂纹倾向增大。

目前9%Ni钢的焊接方法比较单一，除壁板环缝采用埋弧焊外，壁板纵缝及底板和大角缝的焊接全部为焊条电弧焊。由于9%Ni钢焊条电弧焊效率较低，人工投入成本较大，所以9%Ni钢焊接新工艺、新方法有待于进一步开发。针对这一现状，公司焊接试验室反复试验并开发了底板搭接平角缝的埋弧焊焊接工艺，并根据规范和低温罐底板焊接相关要求做出了合格的焊接工艺评定报告。

2.焊前准备

（1）焊接材料 试验采用伊萨的 OK Autrod 19.82，φ1.6mm埋弧焊丝和OK Flux10.90 0.2～1.6mm（10×65目）焊剂，300℃烘干2h，如图1所示，焊材化学成分如表1所示。

图1 焊丝和焊剂规格型号

（2）焊接设备 试验采用的焊机为林肯ACDC 1000SD/CRUISER交直流两用平角焊机。焊接用埋弧焊电源和焊接小车如图2所示。

图2 焊接用埋弧焊电源和焊接小车

（3）坡口清理 使用角向磨光机清理坡口表面以及内外两侧母材表面50mm范围内，特别是坡口边缘处的水分、油污等杂质，进行打磨，直至出现金属光泽，防止气孔、裂纹等缺陷的产生，磨光机砂轮片必须使用不锈钢专用砂轮片。

3.焊接

试验模拟现场底板实际焊接，采用6mm 9%Ni板搭接焊缝进行焊接。由于6mm板搭接缝埋弧焊为单道一次焊接成形，焊接既要保证焊缝成形，又必须满足搭接角焊缝的焊脚尺寸要求，所以分别从送丝速度（焊接电流）、电弧电压、干伸长度、焊丝角度、焊接速度及焊丝对准位置等焊接参数进行了多组试件的反复摸索，最终确定了合适的焊接参数（见表2），焊缝外观成形和焊脚尺寸都满足了相关要求，实现了9%Ni钢底板搭接焊缝的埋弧焊。

表2 埋弧焊焊接参数推荐

（1）送丝速度和焊接电流 送丝速度与焊接电流成正比，送丝速度的大小既影响焊接电流的大小，也影响焊缝成形。送丝速度越大，电流越大，焊丝熔化速度越快，同时电弧吹力也随焊接电流的增大而增大，使熔池金属被电弧排开，熔池底部未被熔化母材受到电弧的直接加热，熔深增加。对于同一直径的焊丝来说，熔深与送丝速度和焊接电流成正比，焊接电流对熔池宽度的影响较小。若焊接电流过大，容易产生咬边和成形不良，使热影响区增大，甚至造成烧穿；若焊接电流过小，使熔深减小，容易产生焊肉不饱满、未熔合等缺陷，而且电弧的稳定性也差。

使用φ1.6mm焊丝推荐送丝速度为635～762cm/min，对应实际焊接电流为260～350A。

（2）电弧电压 电弧电压与电弧长度成正比。电压增高，弧长增加，熔宽增大，同时焊缝余高和熔深略有减小，使焊缝变得平坦。电弧电压增大后，焊剂熔化增多。若随着焊接电流的增加，而电弧电压不随之增加，易出现截面呈蘑菇状的焊缝，严重时在焊缝表面会产生焊瘤，这主要是由于熔宽太小造成的，所以随着焊接电流的增加，电弧电压也要适当增加。当使用φ1.6mm焊丝、260～350A焊接电流时，焊接电压大致为25～29V。

（3）干伸长度 由导电嘴末端到焊件表面的距离定为焊丝伸出长度，又称为干伸长度。干伸长度决定导电嘴的高度，也决定焊剂层的厚度，同时影响焊接电流的大小。使用φ1.6mm焊丝，干伸长度一般控制在25～35mm较为合适。

干伸长度过长，会使焊丝受电流电阻热的预热作用增强，造成焊接电弧不稳定及焊缝成形不良，同时也影响焊缝的平直性。若干伸长度太短，易烧坏导电嘴。焊丝应与导电嘴接触良好，否则会影响焊接过程的稳定，严重时会使导电嘴熔化。导电嘴由纯铜或黄铜加工而成，若导电嘴熔化使铜过渡到焊缝中去，铜与铁在液态下不能相互混合，就会形成大块的铜夹渣，而且铜还会引起焊接热裂纹，危害性很大。所以，焊接过程中一旦发现导电嘴熔化，应立即停止焊接，铲除混铜焊缝，避免产生焊接裂纹和缺陷。

（4）焊接速度 其对熔宽和熔深及焊缝成形有明显的影响。当焊接速度较低时，焊接速度的变化对熔深影响较小。但当焊接速度较大时，由于电弧对母材的加热量明显减小，所以熔深显著下降。焊接速度过高，会造成咬边、未焊透、焊缝粗糙不平等缺陷。适当降低焊接速度，熔池体积增大，存在时间变长，有利于气体浮出熔池，减小气孔生成的倾向。但焊接速度过低，会形成易裂的蘑菇形焊缝或产生烧穿、夹渣、焊缝不规则等缺陷。

（5）焊丝角度 焊丝角度沿焊接方向垂直于焊缝，不宜前倾或后倾，并且与水平面成55°～65°的夹角，如图3、图4所示。焊缝成形既能保证搭接角焊缝上边缘完全熔合，无咬边和未熔合，又能保证焊缝下边缘平整，焊缝金属不下坠。

图3 焊接相关尺寸参数

图4 焊枪调节示意

4.焊接过程中应注意的问题

埋弧焊时应注意调整好焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝角度及焊丝在搭接坡口中的对准位置，才能避免出现图5所示的焊接缺陷。

图5 焊接参数对焊缝成形的影响

5.试验结果

试件焊接完成后分别按NB/T47014—2011进行了外观检查、宏观金相检测以及接头的硬度检查，还依照JB/T4730.5—2005渗透检测，检测结果为外观检查表面无裂纹；渗透检测为Ⅰ级，合格；金相宏观检测面焊缝根部焊透，焊缝金属和热影响区无裂纹和未熔合；焊脚差1.5mm；硬度值HV10为176～298HV，小于360HV（技术要求），试件质量满足相关技术要求。

6.埋弧焊与焊条电弧焊搭接缝焊接优缺点对比

（1）焊接质量高、焊缝成形好 埋弧焊焊接质量较高，设备正常焊接时合格率可达到100%，焊接过程中不会出现焊条电弧焊焊接时出现的弧坑、裂纹、气孔等焊接缺陷，而且埋弧焊为连续焊接，焊接接头少，减少了焊条电弧焊处理接头和因每根焊条接头而出现问题的情况。两种方法的底板搭接平角焊焊缝成形对比如图6所示。

图6 底板搭接平角焊焊缝成形

（2）焊接效率高、焊工劳动强度小、焊接变形小 埋弧焊6mm板搭接只需要焊一道就能满足焊脚尺寸要求，而焊条电弧焊需要焊2～3道才焊完，道间还有清理药皮的工序。另外，由于焊条电弧焊的焊接速度为15～20cm/min，而埋弧焊的焊接速度可达40～50cm/min，所以埋弧焊从焊接速度和焊接层道数两方面提高了焊接效率。不但焊接效率是焊条电弧焊的3～5倍，而且简化了焊接工序，减轻了焊工的劳动强度，同时埋弧焊热输入小且均匀一致，有效减少了底板薄板的焊接变形。

（3）焊接设备复杂 埋弧焊焊接时需要焊接小车和轨道，相对于普通焊条电弧焊设备复杂。

7.结语

试验结果证明，使用埋弧焊代替焊条电弧焊用于LNG底板平角焊缝的焊接具有焊接质量高、焊缝成形好等优点，焊接由原来的多道焊变为单道一次成形，既节省了焊接时间，简化了焊接工序，又大大提升了焊接效率，实践证明焊接工艺是切实可行的。