适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺

技术领域

本发明属于高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺领域。具体涉及一种适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺。

背景技术

随着LNG清洁能源的快速发展，LNG燃料罐、运输罐及陆地大型储罐的需求量将在未来几年乃至十几年呈现出急剧增长的态势。高锰奥氏体钢以其优良的综合力学性能和超低温韧性，以及显著的经济性，是未来LNG储罐建造的优选材料。

LNG罐所用高锰奥氏体钢板的厚度大多在7～30mm范围内，通常采用电弧焊方式连接成罐体结构。罐体设计和建造时，包含了环缝、纵缝等焊缝形式，也涉及到平焊、横焊、立焊及仰焊等焊接位置需要不同的焊接工艺来完成。现有技术中提供了高锰奥氏体钢的焊接材料，如：《一种用于超低温高锰钢手工电弧焊接的低氢型焊条》(CN 201910008172.6)专利技术，公开了一种手工电弧焊焊条；《一种用于极低温奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝》(CN202010762465.6)专利技术，公开了一种熔化极实心焊丝；《焊接超低温高锰钢用的埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法》(CN 201910013942.6)专利技术，公开一种埋弧焊焊剂、焊丝及制备方法。但迄今为止，未有建造LNG储罐相应的焊接工艺技术公开。

目前，高锰奥氏体钢焊接材料选用与高锰奥氏体钢一致的成分体系，为同种材料焊接，保证熔合线位置不会产生淬硬组织和第二相析出，从而保证焊接接头良好的冲击韧性。然而高锰奥氏体焊缝金属为高合金含量的金属且为全奥氏体组织，具有粘性大、熔池延展性差、热膨胀系数大、高温电阻系数高等物理性能，当采用以上现有高锰奥氏体钢焊接材料进行焊接时，焊缝根部脱渣性不佳，容易形成夹渣、气孔等焊接缺陷；根部脱渣困难也引起背面焊缝成型差的问题；同时，耗时的手工清渣工序降低了自动化程度、提高了建造成本。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种工艺简单、焊接材料用量少、建造工时短、能自动高效焊接的适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺，采用该焊接工艺能焊接平焊位置的长直缝、综合力学性能能满足高锰奥氏体钢制LNG储罐的技术要求、焊接LNG罐的根部不需要脱渣、焊缝背面成型良好和焊缝背面的焊接质量优异。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

所述适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺，是采用高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊填充和全自动埋弧焊盖面。

所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底，所采用的熔化极惰性气体保护焊焊丝的成分体系为：C为0.4～0.5wt％，Mn为22～25wt％，Cr为3～4wt％，Ni为2～3wt％，Si≤01wt％，(Nb+V+Cu+Al)为0.1～0.4wt％，S≤0.001wt％，P≤0.002wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述熔化极惰性气体保护焊的焊丝直径为1.0mm，焊丝干伸长为6～13mm。

高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底的焊接工艺参数为：焊接电流为140～150A，电弧电压为18～19V，焊接速度为400～600mm/min；保护气体为100％的氩气，所述氩气的纯度为99.95％，气体流量为15～20mL/min。

所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底焊接2～4道。

所述全自动埋弧焊填充和全自动埋弧盖面，是采用高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝和配套的焊剂，所述高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的成分体系是：C为0.25～0.45wt％，Mn为23～26wt％，Ni为6～8wt％，W为3～5wt％，N为0.02～0.04％，P≤0.002wt％，S≤0.001wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的直径为3.2mm。

全自动埋弧焊填充的焊接工艺参数为：焊接电流为400～460A，电弧电压为29～33V，焊接速度为450～550mm/min，焊接线能量为12.7～20.2kJ/cm。

全自动埋弧焊盖面的焊接工艺参数为：焊接电流为360～400A：电弧电压为25～28V，焊接速度为360～400mm/min，焊接线能量为11.9～18.7kJ/cm。

全自动埋弧焊填充10～30道，全自动埋弧焊盖面3～4道。

所述的所述配套的焊剂为烧结焊剂INCOFLUX9。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明采用熔化极惰性气体保护焊打底和100％的氩气保护，不会生成焊渣，彻底解决了高锰奥氏体钢根部脱渣难的问题。100％的氩气会将熔池与空气隔开，保护效果优良，使得焊缝背面成型良好，不会出现焊缝余高超高的问题，保证了焊接质量，实现了单面焊双面成型的良好效果。

本发明采用熔化极惰性气体保护焊打底，不需要再进行碳弧气刨的工艺，简化了LNG储罐的焊接工艺，不再需要对碳弧气刨后进行背面补焊，减少了焊工的工作量，提高了焊接工作效率，有效地减少了焊接材料和时间成本。

本发明采用埋弧焊可实现全自动焊接，熔化极惰性气体保护焊也可实现全自动焊接，熔化极惰性气体保护焊打底后，采用全自动埋弧焊填充和盖面，整个工艺可实现全自动焊接，仍然保持了全自动高效焊接。

本发明采用熔化极惰性气体保护焊焊丝及埋弧焊焊丝和配套的焊剂，两种焊接材料均为高锰奥氏体钢匹配的同成分体系的焊接材料，保证了焊缝金属在两种焊接方法交接区域仍是全奥氏体组织，没有产生不同的相，也不会产生力学性能的变化和波动，焊接接头的力学性能仍能达到LNG储罐的服役技术要求。

本发明采用熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊盖面的焊接工艺，焊接高锰奥氏体钢制造LNG储罐，所形成的焊缝金属为全奥氏体组织，保证了优良的综合的力学性能：室温屈服强度为425～446MPa，室温抗拉强度为675～698MPa，延伸率A为38～45％。所形成的焊接接头也具有优良的综合的力学性能，室温抗拉强度为735～760MPa，焊接接头的各个区域的-196℃时冲击韧性Akv为50～75J，达到LNG储罐在-196℃服役时的技术指标。

因此，本发明具有工艺简单、焊接材料用量少、建造工时短和自动高效焊接的特点，采用该焊接工艺能焊接平焊位置的长直缝、综合力学性能能满足高锰奥氏体钢制LNG储罐的技术要求、焊接LNG罐的根部不需要脱渣、焊缝背面成型良好和焊缝背面的焊接质量优异。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的部分技术参数统一描述如下：

所述熔化极惰性气体保护焊的焊丝直径为1.0mm；

保护气体为100％的氩气，所述氩气的纯度为99.95％；

所述高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的直径为3.2mm；

所述的所述配套的焊剂为烧结焊剂INCOFLUX9。

实施例中不再赘述。

实施例1

一种适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺。本实施例所述高锰奥氏体钢的化学组分如表1所示。高锰奥氏体钢的厚度为16mm，高锰奥氏体钢的坡口为V型；单侧坡口角度为30°。

本实施例所述的全自动焊接工艺，是采用高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊填充和全自动埋弧焊盖面。

所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底采用熔化极惰性气体保护焊焊丝，所述熔化极惰性气体保护焊焊丝的成分体系如表2所示。熔化极惰性气体保护焊的焊丝干伸长为7～8mm。

高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底的焊接工艺参数为：焊接电流为142～145A，电弧电压为18～18.5V，焊接速度为420～450mm/min；气体流量为16～17mL/min。所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底焊接3道。

所述全自动埋弧焊填充和全自动埋弧盖面，是采用高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝和配套的焊剂，高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的成分体系如表3所示。全自动埋弧焊填充的焊接工艺参数为：焊接电流为420～430A，电弧电压为30～31V，焊接速度为470～490mm/min，焊接线能量为14.5～16.8kJ/cm。

全自动埋弧焊盖面的焊接工艺参数为：焊接电流为370～380A：电弧电压为26～26.5V，焊接速度为370～380mm/min，焊接线能量为12.5～13.8kJ/cm。

全自动埋弧焊填充12～20道，全自动埋弧焊盖面3道。

本实施例采用熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊盖面的焊接工艺，焊接高锰奥氏体钢制造LNG储罐，所形成的焊缝金属为全奥氏体组织，保证了优良的综合的力学性能：室温屈服强度为425～437MPa，室温抗拉强度为680～690MPa，延伸率A为40～44％。所形成的焊接接头也具有优良的综合的力学性能，室温抗拉强度为735～749MPa，焊接接头的各个区域的-196℃时冲击韧性Akv为53～66J，达到LNG储罐在-196℃服役时的技术指标。

实施例2

一种适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺。本实施例高锰奥氏体钢的的化学组分如表1所示。所述高锰奥氏体钢的厚度为8mm，高锰奥氏体钢的坡口为V型；单侧坡口角度为30°。

本实施例所述的全自动焊接工艺，是采用高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊填充和全自动埋弧焊盖面。

所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底，采用熔化极惰性气体保护焊的焊丝，所述熔化极惰性气体保护焊焊丝的成分体系如表2所示。所述熔化极惰性气体保护焊的焊丝干伸长为6～7mm。

高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底的焊接工艺参数为：焊接电流为140～142A，电弧电压为18～18.5V，焊接速度为400～420mm/min；保护气体流量为15～16mL/min。所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底焊接2道。

所述全自动埋弧焊填充和全自动埋弧盖面，是采用高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝和配套的焊剂，高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的成分体系如表3所示。全自动埋弧焊填充的焊接工艺参数为：焊接电流为400～420A，电弧电压为29～30V，焊接速度为450～470mm/min，焊接线能量为12.7～14.5kJ/cm。

全自动埋弧焊盖面的焊接工艺参数为：焊接电流为360～370A：电弧电压为25～26V，焊接速度为360～370mm/min，焊接线能量为11.9～12.5kJ/cm。

全自动埋弧焊填充10～12道，全自动埋弧焊盖面3道。

本实施例采用熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊盖面的焊接工艺，焊接高锰奥氏体钢制造LNG储罐，所形成的焊缝金属为全奥氏体组织，保证了优良的综合的力学性能：室温屈服强度为435～446MPa，室温抗拉强度为687～698MPa，延伸率A为38～43％。所形成的焊接接头也具有优良的综合的力学性能，室温抗拉强度为747～760MPa，焊接接头的各个区域的-196℃时冲击韧性Akv为50～65J，达到LNG储罐在-196℃服役时的技术指标。

实施例3

一种适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺。本实施例所述高锰奥氏体钢的的化学组分如表1所示。高锰奥氏体钢的厚度为22mm，高锰奥氏体钢的坡口为X型；单侧坡口角度为30°。

本实施例所述的全自动焊接工艺，是采用高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊填充和全自动埋弧焊盖面。

所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底，采用熔化极惰性气体保护焊焊丝，所述熔化极惰性气体保护焊焊丝的成分体系如表2所示。所述熔化极惰性气体保护焊的焊丝干伸长为10～13mm。

高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底的焊接工艺参数为：焊接电流为145～148A，电弧电压为18.5～19V，焊接速度为450～480mm/min；保护气体流量为17～18mL/min。所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底焊接4道。

所述全自动埋弧焊填充和全自动埋弧盖面，是采用高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝和配套的焊剂，高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的成分体系如表3所示。全自动埋弧焊填充的焊接工艺参数为：焊接电流为430～450A，电弧电压为31～32V，焊接速度为490～520mm/min，焊接线能量为18.5～20.2kJ/cm。

全自动埋弧焊盖面的焊接工艺参数为：焊接电流为380～390A：电弧电压为26.5～27V，焊接速度为380～390mm/min，焊接线能量为13.8～15.8kJ/cm。

全自动埋弧焊填充20～22道，全自动埋弧焊盖面4道。

本实施例为X型坡口，熔化极惰性气体保护焊打底4道，完成上坡口的打底；然后翻面，熔化极惰性气体保护焊打底2～4道完成下坡口的打底。之后翻面对称焊接，进行上坡口的全自动埋弧焊填充和下坡口的全自动埋弧焊填充。最后再依次完成盖面。

本实施例采用熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊盖面的焊接工艺，焊接高锰奥氏体钢制造LNG储罐，所形成的焊缝金属为全奥氏体组织，保证了优良的综合的力学性能：室温屈服强度为428～440MPa，室温抗拉强度为683～695MPa，延伸率A为39～43％。所形成的焊接接头也具有优良的综合的力学性能，室温抗拉强度为742～755MPa，焊接接头的各个区域的-196℃时冲击韧性Akv为57～73J，达到LNG储罐在-196℃服役时的技术指标。

实施例4

一种适用于LNG储罐的高锰奥氏体钢的全自动焊接工艺。本实施例所述高锰奥氏体钢的的化学组分如表1所示。高锰奥氏体钢的厚度为30mm，高锰奥氏体钢的坡口为X型；单侧坡口角度为30°。

本实施例所述的全自动焊接工艺，是采用高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊填充和全自动埋弧焊盖面。

所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底，采用熔化极惰性气体保护焊焊丝，所述熔化极惰性气体保护焊焊丝的成分体系如表2所示。所述熔化极惰性气体保护焊的焊丝干伸长为8～10mm。

高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底的焊接工艺参数为：焊接电流为148～150A，电弧电压为18.5～19V，焊接速度为480～600mm/min；保护气体流量为18～20mL/min。所述高锰奥氏体钢熔化极惰性气体保护焊打底焊接4道。

所述全自动埋弧焊填充和全自动埋弧盖面，是采用高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝和配套的焊剂，高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的成分体系如表3所示。全自动埋弧焊填充的焊接工艺参数为：焊接电流为450～460A，电弧电压为32～33V，焊接速度为520～550mm/min，焊接线能量为16.8～18.5kJ/cm。

全自动埋弧焊盖面的焊接工艺参数为：焊接电流为390～400A：电弧电压为27～28V，焊接速度为390～400mm/min，焊接线能量为15.8～18.7kJ/cm。

全自动埋弧焊填充22～30道，全自动埋弧焊盖面4道。

本实施例为X型坡口，熔化极惰性气体保护焊打底4道，完成上坡口的打底；然后翻面，熔化极惰性气体保护焊打底2～4道完成下坡口的打底。之后翻面对称焊接，进行上坡口的全自动埋弧焊填充和下坡口的全自动埋弧焊填充。最后再依次完成盖面。

本实施例采用熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊盖面的焊接工艺，焊接高锰奥氏体钢制造LNG储罐，所形成的焊缝金属为全奥氏体组织，保证了优良的综合的力学性能：室温屈服强度为431～444MPa，室温抗拉强度为675～688MPa，延伸率A为40～45％。所形成的焊接接头也具有优良的综合的力学性能，室温抗拉强度为739～751MPa，焊接接头的各个区域的-196℃时冲击韧性Akv为61～76J，达到LNG储罐在-196℃服役时的技术指标。

表1高锰奥氏体钢的化学组分(wt％)

表2熔化极惰性气体保护焊焊丝的成分体系

表3高锰奥氏体钢全自动埋弧焊焊丝的成分体系

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果

本具体实施方式采用熔化极惰性气体保护焊打底和100％的氩气保护，不会生成焊渣，彻底解决了高锰奥氏体钢根部脱渣难的问题。100％的氩气会将熔池与空气隔开，保护效果优良，使得焊缝背面成型良好，不会出现焊缝余高超高的问题，保证了焊接质量，实现了单面焊双面成型的良好效果。

本具体实施方式采用熔化极惰性气体保护焊打底，不需要再进行碳弧气刨的工艺，简化了LNG储罐的焊接工艺，不再需要对碳弧气刨后进行背面补焊，减少了焊工的工作量，提高了焊接工作效率，有效地减少了焊接材料和时间成本。

本具体实施方式采用埋弧焊可实现全自动焊接，熔化极惰性气体保护焊也可实现全自动焊接，熔化极惰性气体保护焊打底后，采用全自动埋弧焊填充和盖面，整个工艺可实现全自动焊接，仍然保持了全自动高效焊接。

本具体实施方式采用熔化极惰性气体保护焊焊丝及埋弧焊焊丝和配套的焊剂，两种焊接材料均为高锰奥氏体钢匹配的同成分体系的焊接材料，保证了焊缝金属在两种焊接方法交接区域仍是全奥氏体组织，没有产生不同的相，也不会产生力学性能的变化和波动，焊接接头的力学性能仍能达到LNG储罐的服役技术要求。

本具体实施方式采用熔化极惰性气体保护焊打底、全自动埋弧焊盖面的焊接工艺，焊接高锰奥氏体钢制造LNG储罐，所形成的焊缝金属为全奥氏体组织，保证了优良的综合的力学性能：室温屈服强度为425～446MPa，室温抗拉强度为675～698MPa，延伸率A为38～45％。所形成的焊接接头也具有优良的综合的力学性能，室温抗拉强度为735～760MPa，焊接接头的各个区域的-196℃时冲击韧性Akv为50～75J，达到LNG储罐在-196℃服役时的技术指标。

因此，本具体实施方式具有工艺简单、焊接材料用量少、建造工时短和自动高效焊接的特点，采用该焊接工艺能焊接平焊位置的长直缝、综合力学性能能满足高锰奥氏体钢制LNG储罐的技术要求、焊接LNG罐的根部不需要脱渣、焊缝背面成型良好和焊缝背面的焊接质量优异。