罐式集装箱罐体的焊接技术探讨.docx

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罐式集装箱罐体的焊接技术探讨

罐式集装箱罐体的焊接技术探讨

——摘自《焊接技术》2003．5

金陵石化工程质量监督站郝幼淮

供稿者：

技术管理部方琰

摘要：

罐式集装箱的罐体是一种薄壁压力容器，它的制造有一定的技术难度。

介绍了罐式集装箱罐体的下料成形、筒节组对、混合气体保护焊等重要工序的制造技术和制造工艺。

并对集装箱罐体在制造中利用工装控制焊接变形，选用混合气体保护焊的最佳焊接参数完成罐体的单面焊双面成形，以及对重要工装的设计进行了详细论述。

关键词：

罐式集装箱；罐体；气体保护焊；单面焊双面成形；变形控制；工装设计

1.前言

罐式集装箱的罐体是一种能够承受介质的允许操作压力、饱和蒸汽压及运输工具紧急刹车时产生的过载惯性力的特殊压力容器。

因此，对罐体的制造质量有很高的要求。

金陵石化公司机械厂按IS01496标准为中外合资企业中石化金陵——巴斯夫树脂有限公司制造了罐式集装箱，是国内最早解决罐式集装箱罐体从下料成形、筒节组对、混合气体保护焊等重要工序的制造技术和制造工艺课题的厂家。

笔者对集装箱罐体这种薄壁容器在制造中利用工装控制焊接变形，选用混合气体保护焊的最佳焊接参数，一次完成罐体的单面焊双面成形的焊接技术及工艺进行了探讨。

所制造的罐式集装箱已获得国家专利，专利号：

。

2.罐式集箱的主要结构、技术性能和主要特点

罐式集装箱由金陵石化公司机械厂与常州华昌国际集装箱有限公司联合设计，罐式集装箱的规格有3.048m和6.096m两种。

罐体由左、右2个蝶形封头、罐体入孔、进

出料口、液位计及安全阀等主要零部件组成，见图1。

以3.048m罐式集装箱为例，主要技术参数见表1。

罐体的焊接采用混合气体保护焊，单面焊双面成形，在工装的辅助下适用于大规模的流水生产线作业。

罐式集装箱的罐体是一种符合国际集装箱标准系列的中等直径的薄壁压力容器，3.048m罐式集装箱的罐体壁厚与直径之比为／1000，因此，要使壁厚δ＝4．5mm的罐体纵焊缝、环焊缝能实现设计要求的单面焊双面成形工艺，必须使罐体的圆度误差<0．05％，即直径2000mm罐体的圆度<1mm，罐体纵焊缝、环焊缝对口错边量b<0.5mm。

对于这些特殊的工艺要求，没有特殊的工装是无法完成的。

3.工艺试验

针对罐式集装箱制造的特殊工艺要求，试制小组结合焊接工艺评定，用2块600mmxl50mm工艺评定试板做了罐体制造前的工艺试验，并明确在焊接工艺评定和工艺试验中要解决如下几个问题：

（1）对接焊缝的错边量要控制在0．5mm以内；

（2）控制焊缝热膨胀、冷收缩时的焊接变形；

（3）控制单面焊双面成形的背面成形量；

（4）选择焊接时熔滴穿透焊缝的最佳对口间隙和坡口角度；

（5）混合气体保护焊焊接工艺参数的选择匹配。

3．1焊缝错边量和焊接变形的控制

焊缝错边量超过允差范围会由于载荷、结构形状的局部突变而引起应力集中，焊接变形会使得整个罐体一次应力受力不连续，对罐体的强度产生直接影响，两者还会影响罐式宁装箱的外观，因此必须对焊缝的错边量和焊接变形加以控制。

能否减小焊缝错边量和控制焊接变形取决于所用的压紧方式和压紧力的大小。

控制焊缝错边量和焊接变形，可将对接的钢板和筒节强制在一基准平面上。

对于钢板，基准平面采用一块被加工过的厚钢板；对圆形筒节，基准面可以是被加工过的钢环。

按照这一思路，试验小组设计了一套保证错边量不超标和控制焊接变形的工装。

工装使用的原理见图2。

3．1．1

工艺试验的基准

工艺试验的基准是一块1000mmx600mmx24mm，带有加工定位成形槽的刚性钢板。

该定位成形槽对单面焊双面成形是至关重要的。

定位是指调整确定焊缝间隙，成形是使被对接的钢板的背面焊缝按此槽成形。

经过多次

试验，最终确定在刚性钢板上加工3mmxmm的成形槽（见图3）。

3．1．2带有预挠度的压板

控制错边量和焊接变形的压紧方式采用带一定挠度的压板压紧罐体钢板。

试验用压板的尺寸为：

1000mmx62mmx20mm；压紧力的大小取决于压板预先加工出的挠度人压板尺寸的确定和压板压紧力的计算可按材料力学的有关公式“进行，压板压紧力P取值范围为13—15kN，挠度和压紧力的大小计算如下：

取x坐标系如图4所示。

由梁的静力平衡条件，得：

（1）

根据简支梁的中点挠度公式:

（2）

（3）

式中：

Q235B的弹性模量E＝200xl03Pa。

（1）求工艺试验压板的高度h1压板长度l＝1000mm；板厚b＝20mm；压紧力P=l5kN;挠度1=5mm，代人式（5）得h1=62mm，即工艺试验压板的实际尺寸为1000mm×62mm×20mm。

（2）求生产验证压板的高度h2：

压板长度l＝3500mm；板厚b＝24mm；压紧力P=15kN；挠度1=20mm，代入式（5）得h2=128mm，即生产验证压板的实际尺寸为3500mmx128mm×24mm。

用工装施以足够大的力P，把对接钢板紧紧地压在刚性钢板上，使罐体钢板的错边量控制在0-0.3mm，施焊过程中对接的钢板便不能产生位移变形，且能平衡由于电弧引起的热膨胀和冷收缩。

经测试，钢板在拼焊后焊缝两侧的温度在100—200℃左右，通过最高温度线膨胀系数的计算，板材伸长在％左右，焊接变形比预想的要好，实践证明上述压紧方案是合理的。

3．2焊接工艺参数的确定

罐式集装箱的罐体是一种特殊的压力容器，一般罐体设计壁厚是4-6mm，用焊条电弧焊和埋弧焊进行双面焊接，在进行规模化生产时，就会显示出费工费时且容易引起人为的焊接质量波动。

为了获得稳定的焊接质量，试制小组对罐体的对接焊缝采用的单面焊双面一次成形的混合气体保护焊。

混合气体保护焊的熔滴过渡方式之一是短路过渡，飞溅小，表面成形光滑。

由于混合气体保护焊焊接电流密度大，电弧的热量集中，因此焊接速度快，生产效率高。

保护气流还能对焊件起一定的冷却作用，能有效地防止薄板烧穿。

选配焊接工艺参数是混合气体保护焊的一个重要的环节，参数选择是否合理，尤其是匹配是否得当，直接影响到焊缝的内在质量和外观成形。

工艺试验采用美国米勒S—22A熔化极气体保护焊机，焊材为天津产含有足够脱氧元素的H08Mn2SiA焊丝，直径1mm，化学成分见表2。

保护气体由

气混合而成，经过反复试焊和计算，选定的两气配比为

在此范围的混合气体保护下熔滴过渡150—200次／s。

3．2．1焊接电流

焊接电流与熔滴过渡、熔深都有很大关系，直接影响焊缝的内在质量和焊缝正面、背面的外观成形质量。

电流太小，熔深较浅，不能保证熔化金属均匀通过坡口间隙获得理想的背面成形；电流太大，熔深过大，会导致焊缝金属同刚性钢板成形槽熔合。

如果在选定的焊缝间隙和焊接电流的情况下，熔池不穿透焊缝间隙，需增大电流，一般为5-10A，经试验确定焊接电流为140—160A。

电流I与焊丝直径公之间存在如下关系：

。

3．2．2

电弧电压U

电弧电压与焊缝成形也有很大关系，在短路过渡时，电弧电压过高，短路频率将显着减小，飞溅增多。

相反，电弧电压过低，电弧就不稳定。

经试验确定电弧电压范围以18—20V为宜。

焊接电流I与电弧电压U之间配合存在如下关系：

U＝0．04I+（14±（V）。

图5是Φ1mm焊丝较适用的焊接电流I和电弧电压U的匹配范围，此范围内，焊接过程的稳定性和焊接的内在质量、外观成形均符合要求。

3．2．3进行短路过渡焊接，焊接回路中要有合适的电感量

回路电感主要调节短路电流的增长速度di／dt，对平衡焊接过程中电流变化起很大作用；调节电弧燃烧时间，控制母材熔深。

Φ1mm焊丝的焊接电流为140-160A，电弧电压为18-20V时，电感值控制在。

3．2．4焊接速度

如果焊接速度过大，焊缝的熔宽和熔深都将减小，而且还可能产生气孔、咬边或末熔合等缺陷；相反，焊接速度过慢，生产效率低，变形也增大。

一般选择焊接速度为300-500mn/min。

3．2．5送丝速度

采用等速送丝方式时，送丝速度与焊接电流成正比。

一般送丝速度在5-6m/min范围内选取。

3．2．6保护气体流量

气体流量的大小取决于焊接接头形式、焊接参数及作业条件等因素。

一般选择气体流量为15×Φ/mim。

试验中保护气体流量为15-20L/min。

3．2．7焊丝伸出长度

合适的焊丝伸出长度应为焊丝直径的10—12倍，试验中确定的伸出长度为12mm。

焊接过程中焊丝伸出长度应尽可能维持不变。

伸出长度增加，焊接电流下降，母材熔深减小，保护气体作用减弱，容易出现气孔。

反之，易使喷嘴上粘附飞溅物增多，可能产生喷嘴堵塞现象。

3．2．8焊缝间隙与焊接坡口

资料介绍钢板厚度在3mm以上时，可以加工坡口焊接。

工艺试验中，对4.5mm厚的钢板开坡口和不开坡口都进行了试焊。

开坡口的接头焊接时，焊接速度减慢，既增加了焊丝填充量，又增加了加工坡口的工序。

试验证明，不开坡口的I形接头完全能符合焊接要求。

在确定I形接头形式后，要实现单面焊双面成形，需要选择最理想的对口间隙。

即焊丝在焊缝中心起弧，不断地进给焊丝，在短路过渡过程中，使悬挂在焊丝端头的熔滴直接和不断地同熔池接触，弧隙短路，焊丝与熔池之间形成液桥，最终形成熔池。

这时熔池中的熔化金属刚好穿过对口间隙的底部，同工装刚性平板的成形槽接触，开始冷却，按照成形槽的形状形成背面焊缝，背面焊缝的形状和高度、宽度同成形槽吻合，这时的对口间隙是最理想的间隙。

间隙太窄，熔池熔化金属难以通过，影响焊缝的背面成形；间隙太宽，焊丝在焊道中尚未起弧，焊丝就会穿过坡口同工装中刚性平板的成形槽接触起弧，根本达不到在焊缝背面获得理想成形的目的。

经过反复试验后，获得的最佳对口间隙基本等于焊丝端部的熔滴直径，见图6。

Φ1mm焊丝最适用的对口间隙为-1.8mm。

以上所有焊接工艺参数确定后，焊接工艺评定试板的外观验收数据表明，均满足相关规定的要求。

焊缝内在质量经x射线无损探伤全部符合JB/T4730的I级标准。

4生产验证

4．1罐体封头的制造工艺

由于封头的组对焊接执行的是与工艺试验相同的焊接参数，封头的焊接获得了预想的焊缝，实践证明工艺试验制定的焊接工艺是完全合理的。

4．2罐体筒节的制造工艺

为控制罐体筒节焊缝锗边量，要求下料尺寸必须准确，见图7。

对罐体筒节下料的特殊工艺要求为：

筒节钢板对角线尺寸误差<=2mm，长度、宽度尺寸误差事<=1mm，并且沿筒节钢板的四边要留下相距50mm的基准线，以便复核尺寸。

4．3

罐体封头与筒节，筒节与筒节的组焊

环焊缝的焊接是罐体焊接的难点，中等以上直径的薄壁筒体的刚度很差，在没有同封头组对时，筒体放在地上不成为圆形，无法进行单面焊双面成形的气体保护焊。

为此继续根据强制保持需对接的两块钢板在同一基准平面上的思路，设计了一套环缝组焊工装，见图8。

环缝组焊工装是一个带有定位成形槽的经过机加工的环形钢圈，按120。

等分为3片，打上楔子，可以把没有刚性的筒节撑得非常圆，圆度误差小于1mm，对环缝的焊接是非常有利的，见图9。

封头与筒节的组焊工艺与筒节与筒节的组焊工艺相同。

5问题讨论

5．1气体保护焊的气体要满足纯度要求

C02气体中主要有害杂质是水分和氮气，氮气一般含量较少，水分危害最大，水分含量增加，氢含量亦增加。

同样是纯度为

气体，用

和等于％的两种气体施焊，前者焊缝塑性比后者好，而且后者易出现气孔。

一般要求C02中的水含量应小于1.22g／m3。

焊接现场对C02气体的提纯措施：

（1）新灌气的气瓶用专用小车倒置1-2h，将沉积到瓶口部的自由状态的水经阀门排出。

（2）使用前放气2-3min，放出气瓶上部含有较多空气和水分的气体。

（3）当瓶中压力降至时不再使用。

（4）气路系统装干燥剂。

5．2熔化极气体保护焊对焊丝化学成分的要求

（1）焊丝必须含有足够数量的脱氧元素，以减少焊缝金属中的氧含量和防止产生气孔。

（2）焊丝的C含量要低，通常要求

，以减少气孔与飞溅。

（3）保证焊缝金属具有满意的力学性能和抗裂性能。

5．3焊缝成形槽的尺寸对焊缝的背面成形至关重要，槽太宽会造成背面焊缝根部重叠，根部重叠原因在于熔池中的铁水穿过焊缝时温度已经下降，此时的热量已经不能使焊缝底部熔池扩大，铁水紧贴着成形槽成形，过大的成形槽造成背面焊缝根部与母材重叠；槽太窄会造成背面焊缝成形不饱满；槽太深会造成背面焊缝成形太高。

成形槽另一个重要用处在于它可以通入C02或Ar气进行双面气体保护，焊缝外观成形更好。

6结论

（1）薄壁容器的制造、焊接是否成功很大程度上取决于组装和焊接工装的设计。

（2）混合气体保护焊焊接质量的优劣取决于各相关焊接工艺参数的选择、匹配。

（3）上述设计工装可以用于不锈钢容器以及中厚板容器的制造。

2004年10月

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