1、中集集團技術信息簡報 第37期 NO. 05罐式集裝箱罐體的焊接技術探討摘自焊接技術20035 金陵石化工程質(zhì)量監(jiān)督站 郝幼淮供稿者：技術管理部 方琰摘要：罐式集裝箱的罐體是一種薄壁壓力容器，它的制造有一定的技術難度。介紹了罐式集裝箱罐體的下料成形、筒節(jié)組對、混合氣體保護焊等重要工序的制造技術和制造工藝。并對集裝箱罐體在制造中利用工裝控制焊接變形，選用混合氣體保護焊的最佳焊接參數(shù)完成罐體的單面焊雙面成形，以及對重要工裝的設計進行了詳細論述。關鍵詞：罐式集裝箱；罐體；氣體保護焊；單面焊雙面成形；變形控制；工裝設計1. 前言 罐式集裝箱的罐體是一種能夠承受介質(zhì)的允許操作壓力、飽和蒸汽壓及運輸工具緊

2、急剎車時產(chǎn)生的過載慣性力的特殊壓力容器。因此，對罐體的制造質(zhì)量有很高的要求。金陵石化公司機械廠按IS01496標準為中外合資企業(yè)中石化金陵巴斯夫樹脂有限公司制造了罐式集裝箱，是國內(nèi)最早解決罐式集裝箱罐體從下料成形、筒節(jié)組對、混合氣體保護焊等重要工序的制造技術和制造工藝課題的廠家。筆者對集裝箱罐體這種薄壁容器在制造中利用工裝控制焊接變形，選用混合氣體保護焊的最佳焊接參數(shù)，一次完成罐體的單面焊雙面成形的焊接技術及工藝進行了探討。所制造的罐式集裝箱已獲得國家專利，專利號：ZL93237340.2。2. 罐式集箱的主要結(jié)構、技術性能和主要特點 罐式集裝箱由金陵石化公司機械廠與常州華昌國際集裝箱有限公司

3、聯(lián)合設計，罐式集裝箱的規(guī)格有3.048m和6.096m兩種。罐體由左、右2個蝶形封頭、罐體入孔、進出料口、液位計及安全閥等主要零部件組成，見圖1。以3.048m罐式集裝箱為例，主要技術參數(shù)見表1。罐體的焊接采用混合氣體保護焊，單面焊雙面成形，在工裝的輔助下適用于大規(guī)模的流水生產(chǎn)線作業(yè)。 罐式集裝箱的罐體是一種符合國際集裝箱標準系列的中等直徑的薄壁壓力容器，3.048m罐式集裝箱的罐體壁厚與直徑之比為2.251000，因此，要使壁厚45mm的罐體縱焊縫、環(huán)焊縫能實現(xiàn)設計要求的單面焊雙面成形工藝，必須使罐體的圓度誤差<005，即直徑2000mm罐體的圓度<1mm，罐體縱焊縫、環(huán)焊縫對口

4、錯邊量b<0.5mm。對于這些特殊的工藝要求，沒有特殊的工裝是無法完成的。3. 工藝試驗針對罐式集裝箱制造的特殊工藝要求，試制小組結(jié)合焊接工藝評定，用2塊600mmxl50mm工藝評定試板做了罐體制造前的工藝試驗，并明確在焊接工藝評定和工藝試驗中要解決如下幾個問題：(1)對接焊縫的錯邊量要控制在05mm以內(nèi)；(2)控制焊縫熱膨脹、冷收縮時的焊接變形； (3)控制單面焊雙面成形的背面成形量；(4)選擇焊接時熔滴穿透焊縫的最佳對口間隙和坡口角度；(5)混合氣體保護焊焊接工藝參數(shù)的選擇匹配。31 焊縫錯邊量和焊接變形的控制焊縫錯邊量超過允差范圍會由于載荷、結(jié)構形狀的局部突變而引起應力集中，焊接

5、變形會使得整個罐體一次應力受力不連續(xù)，對罐體的強度產(chǎn)生直接影響，兩者還會影響罐式寧裝箱的外觀，因此必須對焊縫的錯邊量和焊接變形加以控制。能否減小焊縫錯邊量和控制焊接變形取決于所用的壓緊方式和壓緊力的大小。 控制焊縫錯邊量和焊接變形，可將對接的鋼板和筒節(jié)強制在一基準平面上。對于鋼板，基準平面采用一塊被加工過的厚鋼板；對圓形筒節(jié)，基準面可以是被加工過的鋼環(huán)。按照這一思路，試驗小組設計了一套保證錯邊量不超標和控制焊接變形的工裝。工裝使用的原理見圖2。311 工藝試驗的基準 工藝試驗的基準是一塊1000mmx600mmx24mm，帶有加工定位成形槽的剛性鋼板。該定位成形槽對單面焊雙面成形是至關重要的。

6、定位是指調(diào)整確定焊縫間隙，成形是使被對接的鋼板的背面焊縫按此槽成形。經(jīng)過多次試驗，最終確定在剛性鋼板上加工3mmx(1-1.5)mm的成形槽(見圖3)。312 帶有預撓度的壓板 控制錯邊量和焊接變形的壓緊方式采用帶一定撓度的壓板壓緊罐體鋼板。試驗用壓板的尺寸為：1000mmx62mmx20mm；壓緊力的大小取決于壓板預先加工出的撓度人壓板尺寸的確定和壓板壓緊力的計算可按材料力學的有關公式“進行，壓板壓緊力P取值范圍為1315kN，撓度和壓緊力的大小計算如下：取x坐標系如圖4所示。由梁的靜力平衡條件，得： (1) 根據(jù)簡支梁的中點撓度公式:(2) (3) 式中： Q235B的彈性模量E200xl

7、03Pa。(1) 求工藝試驗壓板的高度h1壓板長度l1000mm；板厚b20mm；壓緊力P=l5kN;撓度1=5mm，代人式(5)得h1=62mm，即工藝試驗壓板的實際尺寸為1000mm×62mm×20mm。(2) 求生產(chǎn)驗證壓板的高度h2：壓板長度l3500mm；板厚b24mm；壓緊力P=15kN；撓度1=20mm，代入式(5)得h2=128mm，即生產(chǎn)驗證壓板的實際尺寸為3500mmx128mm×24mm。用工裝施以足夠大的力P，把對接鋼板緊緊地壓在剛性鋼板上，使罐體鋼板的錯邊量控制在0-0.3mm，施焊過程中對接的鋼板便不能產(chǎn)生位移變形，且能平衡由于電弧引起

8、的熱膨脹和冷收縮。經(jīng)測試，鋼板在拼焊后焊縫兩側(cè)的溫度在100200左右，通過最高溫度線膨脹系數(shù)的計算，板材伸長在0.3左右，焊接變形比預想的要好，實踐證明上述壓緊方案是合理的。32 焊接工藝參數(shù)的確定罐式集裝箱的罐體是一種特殊的壓力容器，一般罐體設計壁厚是4-6mm，用焊條電弧焊和埋弧焊進行雙面焊接，在進行規(guī)模化生產(chǎn)時，就會顯示出費工費時且容易引起人為的焊接質(zhì)量波動。為了獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，試制小組對罐體的對接焊縫采用的單面焊雙面一次成形的混合氣體保護焊。 混合氣體保護焊的熔滴過渡方式之一是短路過渡，飛濺小，表面成形光滑。由于混合氣體保護焊焊接電流密度大，電弧的熱量集中，因此焊接速度快，生產(chǎn)效

9、率高。保護氣流還能對焊件起一定的冷卻作用，能有效地防止薄板燒穿。選配焊接工藝參數(shù)是混合氣體保護焊的一個重要的環(huán)節(jié)，參數(shù)選擇是否合理，尤其是匹配是否得當，直接影響到焊縫的內(nèi)在質(zhì)量和外觀成形。工藝試驗采用美國米勒S22A熔化極氣體保護焊機，焊材為天津產(chǎn)含有足夠脫氧元素的H08Mn2SiA焊絲，直徑1mm，化學成分見表2。 保護氣體由氣混合而成，經(jīng)過反復試焊和計算，選定的兩氣配比為在此范圍的混合氣體保護下熔滴過渡150200次s。321 焊接電流焊接電流與熔滴過渡、熔深都有很大關系，直接影響焊縫的內(nèi)在質(zhì)量和焊縫正面、背面的外觀成形質(zhì)量。電流太小，熔深較淺，不能保證熔化金屬均勻通過坡口間隙獲得理想的背

10、面成形；電流太大，熔深過大，會導致焊縫金屬同剛性鋼板成形槽熔合。如果在選定的焊縫間隙和焊接電流的情況下，熔池不穿透焊縫間隙，需增大電流，一般為5-10A，經(jīng)試驗確定焊接電流為140160A。電流I與焊絲直徑公之間存在如下關系： 。322 電弧電壓U 電弧電壓與焊縫成形也有很大關系，在短路過渡時，電弧電壓過高，短路頻率將顯著減小，飛濺增多。相反，電弧電壓過低，電弧就不穩(wěn)定。經(jīng)試驗確定電弧電壓范圍以1820V為宜。焊接電流I與電弧電壓U之間配合存在如下關系：U004I+(14±1.5)(V)。 圖5是1mm焊絲較適用的焊接電流I和電弧電壓U的匹配范圍，此范圍內(nèi)，焊接過程的穩(wěn)定性和焊接的內(nèi)

11、在質(zhì)量、外觀成形均符合要求。323 進行短路過渡焊接，焊接回路中要有合適的電感量 回路電感主要調(diào)節(jié)短路電流的增長速度didt，對平衡焊接過程中電流變化起很大作用；調(diào)節(jié)電弧燃燒時間，控制母材熔深。1mm焊絲的焊接電流為140-160A，電弧電壓為18-20V時，電感值控制在0.02-0.20mH。324 焊接速度 如果焊接速度過大，焊縫的熔寬和熔深都將減小，而且還可能產(chǎn)生氣孔、咬邊或末熔合等缺陷；相反，焊接速度過慢，生產(chǎn)效率低，變形也增大。一般選擇焊接速度為300-500mn/min。325 送絲速度采用等速送絲方式時，送絲速度與焊接電流成正比。一般送絲速度在5-6m/min范圍內(nèi)選取。326保

12、護氣體流量氣體流量的大小取決于焊接接頭形式、焊接參數(shù)及作業(yè)條件等因素。一般選擇氣體流量為15×/mim。試驗中保護氣體流量為15-20L/min。327 焊絲伸出長度合適的焊絲伸出長度應為焊絲直徑的1012倍，試驗中確定的伸出長度為12mm。焊接過程中焊絲伸出長度應盡可能維持不變。伸出長度增加，焊接電流下降，母材熔深減小，保護氣體作用減弱，容易出現(xiàn)氣孔。反之，易使噴嘴上粘附飛濺物增多，可能產(chǎn)生噴嘴堵塞現(xiàn)象。328 焊縫間隙與焊接坡口資料介紹鋼板厚度在3mm以上時，可以加工坡口焊接。工藝試驗中，對4.5mm厚的鋼板開坡口和不開坡口都進行了試焊。開坡口的接頭焊接時，焊接速度減慢，既增加了

13、焊絲填充量，又增加了加工坡口的工序。試驗證明，不開坡口的I形接頭完全能符合焊接要求。在確定I形接頭形式后，要實現(xiàn)單面焊雙面成形，需要選擇最理想的對口間隙。即焊絲在焊縫中心起弧，不斷地進給焊絲，在短路過渡過程中，使懸掛在焊絲端頭的熔滴直接和不斷地同熔池接觸，弧隙短路，焊絲與熔池之間形成液橋，最終形成熔池。這時熔池中的熔化金屬剛好穿過對口間隙的底部，同工裝剛性平板的成形槽接觸，開始冷卻，按照成形槽的形狀形成背面焊縫，背面焊縫的形狀和高度、寬度同成形槽吻合，這時的對口間隙是最理想的間隙。間隙太窄，熔池熔化金屬難以通過，影響焊縫的背面成形；間隙太寬，焊絲在焊道中尚未起弧，焊絲就會穿過坡口同工裝中剛性平

14、板的成形槽接觸起弧，根本達不到在焊縫背面獲得理想成形的目的。 經(jīng)過反復試驗后，獲得的最佳對口間隙基本等于焊絲端部的熔滴直徑，見圖6。1mm焊絲最適用的對口間隙為1.5-1.8mm。以上所有焊接工藝參數(shù)確定后，焊接工藝評定試板的外觀驗收數(shù)據(jù)表明，均滿足相關規(guī)定的要求。焊縫內(nèi)在質(zhì)量經(jīng)x射線無損探傷全部符合JB/T 4730的I級標準。4 生產(chǎn)驗證41 罐體封頭的制造工藝 由于封頭的組對焊接執(zhí)行的是與工藝試驗相同的焊接參數(shù)，封頭的焊接獲得了預想的焊縫，實踐證明工藝試驗制定的焊接工藝是完全合理的。42 罐體筒節(jié)的制造工藝為控制罐體筒節(jié)焊縫鍺邊量，要求下料尺寸必須準確，見圖7。對罐體筒節(jié)下料的特殊工藝要

15、求為：筒節(jié)鋼板對角線尺寸誤差<=2mm，長度、寬度尺寸誤差事<=1mm，并且沿筒節(jié)鋼板的四邊要留下相距50mm的基準線，以便復核尺寸。43 罐體封頭與筒節(jié)，筒節(jié)與筒節(jié)的組焊 環(huán)焊縫的焊接是罐體焊接的難點，中等以上直徑的薄壁筒體的剛度很差，在沒有同封頭組對時，筒體放在地上不成為圓形，無法進行單面焊雙面成形的氣體保護焊。為此繼續(xù)根據(jù)強制保持需對接的兩塊鋼板在同一基準平面上的思路，設計了一套環(huán)縫組焊工裝，見圖8。 環(huán)縫組焊工裝是一個帶有定位成形槽的經(jīng)過機加工的環(huán)形鋼圈，按120。等分為3片，打上楔子，可以把沒有剛性的筒節(jié)撐得非常圓，圓度誤差小于1mm，對環(huán)縫的焊接是非常有利的，見圖9。封

16、頭與筒節(jié)的組焊工藝與筒節(jié)與筒節(jié)的組焊工藝相同。5 問題討論51 氣體保護焊的氣體要滿足純度要求 C02氣體中主要有害雜質(zhì)是水分和氮氣，氮氣一般含量較少，水分危害最大，水分含量增加，氫含量亦增加。同樣是純度為氣體，用和等于0.05的兩種氣體施焊，前者焊縫塑性比后者好，而且后者易出現(xiàn)氣孔。一般要求C02中的水含量應小于1.22gm3。焊接現(xiàn)場對C02氣體的提純措施：(1)新灌氣的氣瓶用專用小車倒置1-2h，將沉積到瓶口部的自由狀態(tài)的水經(jīng)閥門排出。 (2)使用前放氣2-3min，放出氣瓶上部含有較多空氣和水分的氣體。(3)當瓶中壓力降至0.98MPa時不再使用。(4)氣路系統(tǒng)裝干燥劑。52 熔化極氣體保護焊對焊絲化學成分的要求(1)焊絲必須含有足夠數(shù)量的脫氧元素，以減少焊縫金屬中的氧含量和防止產(chǎn)生氣孔。(2)焊絲的C含量要低，通常要求，以減少氣孔與飛濺。(3)保證焊縫金屬具有滿意的力學性能和抗裂性能。53 焊縫成形槽的尺寸對焊縫的背面成形至關重要，槽太寬會造成背面焊縫根部重疊，根部重疊原因在于熔池中的鐵水穿過焊縫時溫度已經(jīng)下降，此時的熱量已經(jīng)不能使焊縫底部熔池擴大，鐵水緊貼著成