不锈钢储罐DP-TIG焊接技术研究

毕学松，李志波，董传阳

摘要：针对不锈钢储罐的特征及实际生产工况要求，提出了一套高效优质的DP-TIG焊接技术解决方案，并开展了相应的研究工作。结果表明，DP-TIG焊接技术可通过电弧穿孔效应增加焊接熔深，实现单面焊双面成形，焊缝质量满足行业标准要求;对坡口间隙、角度及错边等实际复杂工况适应能力强;焊接过程无需坡口，耗材少，生产成本低;焊接工艺参数简单，调整方便，人员操作技能要求低。该技术已成功应用于不锈钢低温储罐、医疗器械等行业中，改变了原有生产方式，焊缝质量优、焊接效率高，满足用户生产需求。

关键词：不锈钢储罐;DP-TIG;单面焊双面成形

中图分类号：TG457      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）10-0043-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.08

0    前言

随着我国经济的高速发展，钢制储罐作为储气、储液的主要工具，越来越多地应用于石油、化工、粮油、核电、国防等领域[1]。实际应用中储罐承担着盛装冷液和密封的作用，其运行及服役工况环境比较复杂且恶劣，因此储罐对焊缝质量要求极为严格，其焊接接头性能直接关系到储罐的施工质量和安全可靠性，必须满足相关技术标准规定[2]。不锈钢具有良好的塑性、韧性及耐腐蚀性能，被广泛应用于储罐的生产制造中。但不锈钢具有热导率小、热膨胀系统大、电阻率高等物理特性，加之不锈钢储罐直径较大、壁薄，使得不锈钢储罐在焊接时易发生变形，焊后纠正较难[3-4]。

1 不锈钢储罐制造现状

目前，不锈钢储罐焊接多采用手工焊背面清根封底焊工艺，焊接材料用量大，熔敷效率低，且易出现夹渣、裂纹等焊接缺陷，同时背面清根工作环境恶劣、工作量大。随着市场对高效优质、绿色环保焊接技术的迫切需求，出现了许多自动化或半自动化的焊接技术及设备，例如熔化极气体保护焊、自动氩弧焊、氩弧焊打底焊+焊条电弧焊填充、自动埋弧焊、等离子或P+T焊接技术等[5-8]。采用以上焊接技术时，工件一般需开V型坡口，多层多道焊接，耗材多，生产成本高，生产效率仍然较低。等离子焊一般采用I型坡口，工件可不开坡口，可提高焊接质量和生产效率，但焊接设备复杂，气体、配件等耗材价格较贵，生产制造成本高，同时等离子焊接参数多，焊接工艺复杂，对操作人员技能水平要求高[9]。

2 不锈钢储罐焊接新技术方案

针对不锈钢储罐焊缝特征及实际应用工况要求，成功开发了一套优质DP-TIG焊接技术解决方案。DP-TIG焊接（Deep Penetration-Tungsten Inert Gas Welding）是一种新型高效TIG焊接技术，主要通过对钨极的高效冷却及电弧自身的磁收缩效应使电弧压缩，提高电弧能量密度，增大焊接熔深。并通过穿孔形式获得稳定的单面焊双面成形焊缝，焊接质量可靠，焊接效率高，焊接工艺简单。

文中通过试验研究了SUS304不锈钢DP-TIG焊接技术。分析了在不同间隙、错边及自由角度的情况下，DP-TIG焊接技术在不锈钢储罐焊接时的工况适应能力，为实际工程应用提供参考。

3 不锈钢储罐DP-TIG焊接工艺研究

3.1 试验方案

试验设备采用自主研发的DP-TIG焊枪、电源、冷却水箱、试验平台等，如图1所示。试验前用角磨机和钢丝刷去除试板表面氧化膜，并用丙酮或者酒精去除试板表面油污;然后进行平板对接焊接;试验完成后，对焊缝进行宏观金相、力学性能、X射线探伤等检测，检验焊接质量。

3.2 试验材料

试板材料选用SUS304不锈钢，板厚6 mm，焊丝采用ER308LSi，直径1.0 mm，试板材料及焊丝主要化学成分如表1所示。焊枪保护气和背面保护气均采用99.99%纯氩气。

3.3 接头设计

针对不锈钢储罐应用场景，设计了4种类型的接头形式：

（1）I型坡口对接接头，无错边，间隙0～2.0 mm，如图2a所示。

（2）I型坡口对接接头，无间隙，错边0～2.0 mm，如图2b所示。

（3）I型坡口对接接頭，间隙1.5～2.0 mm，错边1.5～2.0 mm，如图2c所示。

（4）I型坡口对接接头，存在10°、-10°自然角度，间隙0～2.5 mm，如图2d、2e所示。

3.4 试验参数

通过大量的试验研究和工艺优化，实现了6 mm不锈钢DP-TIG单面焊双面成形。主要工艺参数如表2所示。

3.5 试验结果

3.5.1 基本试验

分别对不同焊接电流、焊接速度下的不锈钢DP-TIG焊接工艺进行研究，焊接电弧集中、挺度高，实现穿孔效应，焊接过程稳定。

典型参数下焊缝外观及截面宏观图片如图3所示。可以看出，不同焊接参数下，DP-TIG焊接均能实现单面焊双面成形，焊缝正面及背面成形良好，未出现咬边、气孔、未焊透、未熔合等缺陷，焊缝背面熔透均匀，满足焊缝成形外观要求。

焊接电流与焊接速度关系如图4所示。可以看出，随着焊接电流的增大，电弧穿透能力增强，焊接速度近似于线性提高，当焊接电流为550 A时，焊接速度可提高至700 mm/min。同时，进一步分析不同焊接电流下的焊接热输入情况，如图5所示。可以看出：电流较小时，由于焊接速度较小，热输入较大;随电流的增加，焊接速度增加，热输入会减小，尤其是电流在420 A以上时，焊接热输入小于12 kJ/cm;电流达到一定程度后，热输入变化不明显。这是由于DP-TIG焊接技术在大电流情况下，电弧的电磁压缩效果越强，焊接速度就越高。可见，DP-TIG焊接技术在大电流焊接情况下优势更为明显。

与现有不锈钢储罐焊接技术相比，DP-TIG焊接技术能够显著提高焊接效率和质量。同时，焊接过程无需开坡口，减少焊材消耗，降低生产成本;减少焊接工序，降低人员劳动强度，提高生产效率;焊接过程热输入小，减小焊接变形;工艺参数少，调整方便简单，通过匹配焊接电流和焊接速度，即可获得良好焊缝，降低对人员技能的要求。

3.5.2 工况适应能力试验

在焊接作业中，受材料、坡口加工条件、组对条件、工装夹具、操作者技能等因素影响，坡口间隙、错边及角度等尺寸及其精度难以保证。通过改变坡口的组对间隙、错边、角度条件，研究焊接电流为480 A，焊接速度550 mm/mim 时DP-TIG实际生产工况适应能力。

（1）间隙适应性。

无错边时，不同间隙情况下焊缝外观成形及横截面形貌如图6所示。可以看出，间隙在2.0 mm以内时，均能形成稳定的小孔，焊缝成形良好，未出现未焊透或焊漏现象。间隙大于2.0 mm时，电弧直接从间隙穿过，不能形成稳定熔池及焊缝。因此，无错边时，该工艺对间隙的最大适应能力为2.0 mm。

（2）错边适应性。

无间隙时，不同错边情况下焊缝外观成形及横截面形貌如图7所示。可以看出，错边在1.5 mm以内时，焊缝正面成形饱满，均匀美观，背面熔透良好，实现了单面焊双面成形。由于错边大小影响电弧穿透能力，当错边大于1.5 mm时，电弧穿透能力不稳定，影响背面成形。因此，当无间隙时，该工艺对错边最大适应能力为1.5 mm。

（3）间隙、错边同时存在时焊接适应性。

当间隙、错边均存在时，焊接接头形式如图2c所示，其焊缝外观成形及横截面形貌如图8所示。可以看出，间隙为1.5 mm、错边为1.5 mm时，焊接过程稳定，焊缝成形良好，背面熔透。间隙、错边量分别增大至2.0 mm时，焊缝成形不稳定，焊点处容易焊漏。由此可见，DP-TIG焊接能够同时适应的最大间隙和错边量为1.5 mm。

（4）自然角度情况下焊接适应性。

I型坡口对接时，形成10°或-10°自然角度，间隙大小对焊缝成形影响如图9所示。此種情况相当于开V型坡口，当间隙小于1 mm时，焊接效果良好。

3.5.3 性能检测

依据行业标准NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》要求，对DP-TIG焊接后焊缝进行X射线检测，X射线探伤典型照片如图10所示。可以看出，焊缝内部未发现裂纹、未熔合、未焊透、圆形缺陷，结果符合Ⅰ级焊缝标准。

依据国标GB/T 2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》、GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》和GB/T 2651-2008 《焊接接头拉伸试验方法》检测焊接接头力学性能，结果如表3～表5所示。结果表明，不锈钢DP-TIG焊接接头性能满足实际应用要求。

4 实施案例

DP-TIG焊接技术已在低温储罐、医疗机械等行业得到了成功应用。以某客户低温储罐焊接应用为例，其储罐罐体为SUS304不锈钢，壁厚8 mm，罐体环缝、纵缝数量多，焊缝长度最长可达十几米，全部焊缝要求无缺陷，焊接接头力学性能合格。针对客户需求，采用DP-TIG焊接技术并结合TIG摆动焊接盖面，采用I型坡口对接，一次焊接单面焊双面成形，焊接速度高，极大提高了焊接效率和产品合格率。用户对焊接接头无损检验、力学性能、金相组织等指标进行了全面检验分析，结果均满足应用需求。DP-TIG焊接设备及焊接效果照片分别如图11、图12所示。

DP-TIG焊接方法是一种高效优质的焊接技术，可以推广应用于食品、医疗器械、压力容器、石化、核电等诸多领域，提高焊接质量和效率，助力我国焊接制造技术的进步与发展。

5 结论

（1）DP-TIG焊接技术通过穿孔效应能稳定实现不锈钢储罐单面焊双面成形，焊缝外观质量、力学性能均能满足行业标准要求，焊接质量好。

（2）DP-TIG焊接技术对不锈钢焊接接头组对间隙、错边及角度适应能力强，能够适应行业现有工况要求。

（3）DP-TIG焊接过程无需开坡口，无需多层多道焊，减少焊材消耗，降低生产成本;工艺参数简单，调整方便，降低对人员操作技能的要求，提高了生产效率。

（4）DP-TIG焊接技术已成功应用于低温储罐、医疗器械等行业，改变原有生产方式，焊接质量好，提高了客户生产效率，降低了生产制造成本，很好地满足了用户需求。

参考文献：

[1]张钱磊.不锈钢储罐焊接技术[J].焊接技术，2020，49（7）：101-103.

[2]刘仲民.储罐焊接技术的研讨[J]. 焊接技术，2017，46（5）：145-147.

[3]寇建峰. SUS304不锈钢储罐焊接的变形量控制[J].石油工程建设，2017，43（6）：83-86.

[4]邵立军.不锈钢储罐焊接变形控制[J].中国石油和化工标准与质量，2017（22）：142-148.

[5]魏献玲，齐淑改，王淑范，等. CO2气体保护焊在不锈钢储罐上的应用[J].石油工程建设，2006，32（3）：56-58.

[6]刘兵，王玉松.奥氏体不锈钢储罐熔化极气体保护焊[J].化工建设工程，2003，25（2）：19-27.

[7]刘长沙，张桂龙，郭祥侠.不锈钢储罐壁板陶瓷衬垫单面焊双面成型焊接工艺研究[J].安装，2020（8）：64-66.

[8]蒋激扬.自动化焊接技术在大型不锈钢储罐中的全面应用[J].石油化工建设，2013（1）：71-73.

[9]闫兴贵，李占勇. SUS304不锈钢等离子弧焊接[J].焊接技术，2012，41（9）：20-22.