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摘 要

球罐由于其经济与力学性能方面的突出优势，越来越被广泛运用于能源工业。随着储存原料的变化，对于大型轻量的球罐需求变大，手工电弧焊效率的低下与不断增长的需求冲突，提高焊接过程的自动化水平以及改善焊接质量迫在眉睫。本文研究了Q345R球罐立焊自动焊的焊接工艺，采用GMAW焊与ER50-G焊丝，以焊接小车为载体，辅助以各种焊接工艺保证焊缝的性能。焊后进行了力学性能试验，以及金相检验与无损检测，证实了该种焊接工艺下焊缝质量可观，为今后的球罐焊接工艺提供了新思路。

关键词： Q345R 自动焊 熔化极气体保护焊 焊接工艺 焊缝性能

Research on the automatic technology of GMAW vertical position welding for Q345R sphere

ABSTRACT

Spherical tanks are more and more widely used in energy industry because of their outstanding advantages in economy and mechanical properties. With the change of storage materials, the demand for large and light spherical tanks becomes larger, and the low efficiency of manual arc welding conflicts with the growing demand. It is urgent to improve the automation level of the welding process and improve the welding quality. In this paper, the welding technology of Q345R spherical tank vertical welding automatic welding is studied. GMAW welding and ER50-G welding wire are used, the welding trolley is used as the carrier, and various welding processes are used to ensure the performance of the weld. The mechanical property test, metallographic examination and non-destructive testing were carried out after welding, which confirmed that the weld quality under this welding process was considerable, and provided a new idea for the future spherical tank welding process.

Key words: Q345R Automatic welding GMAW Welding technology

Weld properties

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2球罐自动焊的研究现状 1

1.2.1国外应用现状 1

1.2.2国内应用现状 2

1.2.3 技术难点 2

1.3 GMAW自动焊技术 3

1.3.1概念 3

1.3.2 药芯焊丝技术 3

1.3.3 GMAW自动焊的特点 4

1.4本课题的研究内容及方法 5

第二章 预焊接工艺规程 6

2.1焊接材料 6

2.1.1母材材料 6

2.1.2焊丝材料 7

2.1.3焊接气体 8

2.2焊接设备 9

2.2.1焊接电源 9

2.2.2送丝机构 10

2.2.3焊接小车及摆动机构 10

2.2.4小车行走轨道及调节支架 12

2.3焊接工艺 12

2.3.1焊接位置 12

2.3.2焊接坡口 13

2.3.3焊接参数 15

2.3.4焊接细节 16

第三章 焊接工艺评定 18

3.1力学性能试验 18

3.1.1拉伸试验 18

3.1.2弯曲试验 19

3.1.3冲击试验 20

3.1.4硬度试验 21

3.2金相检验 22

3.3射线检验 25

第四章 经济成本分析 26

第五章 结论 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

作为储存原料的大型承压设备，球罐相较于其他形状的储罐，表面积小且受载荷均匀。除此以外，由于它的构造，使得占地面积与基础工程量均较小，大大的节约了土地资源。因为这些优势，球罐被广泛运用于化工、冶金等行业。

归功于我国大力发展能源工业，球罐在国内的需求越来越大。国内化工产业的快速发展，导致储存液化气等高温高压、易燃易爆物质的设备朝着大型轻量化的方向发展，促进大型球罐群在化工产业中广泛应用^[1]。传统手工电弧焊效率低下，无法满足当今社会对球罐的需求，寻求更为高效的自动化技术是当务之急。

球罐作为高效益存在的同时，也伴随着风险。液化气泄露造成的环境污染与人员伤亡、罐体爆炸产生的冲击、罐体高处坠物坠落、造成对工作人员的冻伤等等。为避免设备的失效，设计的合理性、操作与维修交由设计人员与工人处理，我们可以从选材与制造工艺入手，寻求更优的材料与焊接方式，改善整体焊接。

1.2球罐自动焊的研究现状

1.2.1国外应用现状

前苏联、德国、日本和美国等国家于二十世纪七十年代就开始了对于球罐自动焊的研究，并且很快将自动焊的技术融入球罐制造之中。一开始在运用自动化技术的时候，由于各种限制只能采取埋弧自动焊的手段，而且球罐得配合着挪动来将局部位置置于较容易焊接的角度，因此焊接效率低下，无法满足大型球罐焊需求。随着深入研究，日本更换了焊接方法，采用脉冲气保焊来处理纵向焊缝，并于1997年成功造出两千五百立方米的大型球罐；在这之后，日本三菱重工进一步创新，将焊接方式变为钨极氩弧焊，采用自动焊与半自动焊结合，辅助以不同的坡口形式，成功于1984年建造出大批量的2.5万立方米的球罐，整个过程中自动化的占比达到百分之九十^[2]。在这之后，焊接自动化的技术随着焊接技术的扩充与改善，得到了飞速发展。如今，以美日为首的发达国家研发出了适用于自动化焊接的药芯焊丝，并且整体创新了自动焊接设备及相匹配的焊接材料，掌握了较为全面的焊接参数以满足不断增长的需求。

1.2.2国内应用现状

紧跟世界潮流，我国于二十世纪八十年代开始涉足于球罐自动焊领域，并在二十世纪九十年代开始运用此项技术。1996年中石化对球罐进行了自动化焊接，但是结果不尽人意，低温焊缝金属试样的在冲击试验中的试验平均值最低才28J，完全不满足标准^[3]。1999年抚顺石化公司使用药芯焊丝对大型Q345R球罐进行自动焊，由于药芯焊丝成份配比不均匀导致焊缝金属力学性能不稳定，焊缝成形极度差，焊后采用无损检测发现焊缝内部的焊接缺陷非常多，尤其是未熔合与夹杂。最后只能使用焊条电弧焊对仰焊部位的焊缝进行返修，损失巨大。由于我国球罐自动焊技术还不成熟，再加上对外引进自动焊接设备以及配套的焊接材料的价格昂贵，2000后球罐自动焊发展缓慢。

生产出全位置自动焊的设备是进行球罐自动化焊接的先决条件。国内自动焊接依赖最多的还是国外的多功能自动焊接设备，尤其是美国BUG-O公司和加拿大GULLCO公司制造的设备。值得庆祝的是，在对引进的自动化设备进行研究开发后，我国在球罐自动焊设备方面有了新的突破^[4，5]。清华大学与北京石油化工学院合力在2000年的五月份成功开发了新型全位置自动焊接机器人^[6]，无需导轨的支持，该系统能应对各种条件的焊缝，无论是球罐内还是球罐外，无论是横焊缝还是纵焊缝，都能实现自动化焊接。这之后南昌大学改进了已有的自动焊接机器人，采用自主爬行的模式焊接大构件。这些设备的创新独具匠心，不仅推动了国内焊接自动化行业的发展，同时也暗示了今后自动焊技术的大致发展方向。

1.2.3 技术难点

球罐焊接过程中最为困难的就是仰焊位置的操作，偏偏内外球罐的上下温带与极板带交界处都得采用仰焊位置进行对焊^[7]。仰焊时由于球罐面凹凸的构造，再加上焊丝熔滴的重力作用，导致熔滴无法顺利进入球罐面上的熔池。同时，由于设备的限制，焊接过程中的熔滴大都为滴状过渡，无法喷射到熔池内，加上表面张力不足以及焊丝的角度需要随着球罐的凹凸起伏不断进行调整，稍有不慎飞溅的小熔滴增多，反过来堵塞焊炬的喷口，降低保护气体的流量，减弱了保护作用，最终导致焊缝成形差。这些技术难点阻碍了自动焊接技术的大范围使用，如若能解决，将带来巨大收益。

1.3 GMAW自动焊技术

1.3.1概念

熔化极气体保护焊(GMAW)由于其高效节能的特点，近十年我国在大力推广该种焊接方法。焊接区在保护气的保护下，可以避免空气的氧化，安心的进行熔化焊，得到优质焊缝。

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