金属粉芯气体保护焊在LNG陆地终端模块上的应用实践

王强，陈峰，孙玉敬，王振华，刘家富

海洋石油工程（青岛）有限公司 山东青岛 266520

1 序言

LNG陆地终端模块的主结构存在大量圆管型节点、半圆管型节点和组合型节点（见图1），这些节点焊缝数量多，空间受限，多数焊缝只能设计为单面坡口，打底焊道需要背面成形光滑无缺陷，且力学性能良好，施工工期长，对整个模块的施工进度影响较大。同时，这些节点也是模块结构的主要受力点，其施工质量对整个模块的质量起到决定性作用，而打底焊道又是节点每条焊缝的重中之重。目前，广泛应用焊条电弧焊工艺进行打底焊道焊接，但其施工效率低、劳动强度大，因此应用更加高质高效的打底焊接技术势在必行。

图1 陆地LNG终端模块各类节点

金属粉芯型药芯焊丝因其具有焊接质量高、工艺性能好、熔敷效率高及综合成本等特点逐渐为大家所关注[1]。使用金属粉芯焊丝气体保护焊代替焊条电弧焊作为打底工艺，可大幅提高施工效率，降低劳动强度，且力学性能优良。本文对金属粉芯焊丝气体保护焊工艺进行了简单介绍，同时根据多年的节点施工经验，总结了金属粉芯焊丝气体保护焊工艺在LNG陆地终端模块节点上的施工要点，最后总结了LNG陆地终端模块节点焊接变形控制要点。

2 金属粉芯焊丝气体保护焊介绍

金属粉芯型药芯焊丝气体保护焊接简称金属粉芯焊丝气体保护焊，是一种半自动气体保护焊，其焊丝由薄钢带包裹金属粉制成，电流主要从钢带通过，其电流密度大、熔化速度快、填充物的熔点低，使得熔化药粉的能量降低，从而比实芯焊丝和熔渣型药芯焊丝具有更高的熔敷速度；焊芯中的铁粉都转化成了焊缝金属，熔敷效率最高可达到97%；焊接热输入低、焊接飞溅小、烟尘量少，具有良好的背面成形效果（见图2）；焊缝表面渣量很少，不但能够减少脱渣的时间，提高劳动效率，而且能够避免夹渣等缺陷[2]。金属粉芯焊丝气体保护焊可通过金属粉芯灵活调整操作性、成形、力学性能等特殊要求。基于上述特点，金属粉芯焊丝气体保护焊可实现单面焊双面成形，且性能优良，是优良的打底焊接工艺。

图2 金属粉芯焊丝气体保护焊现场施焊背面成形效果

同时，金属粉芯焊丝气体保护焊也存在一些缺点，工艺参数范围较窄，由于电弧能量同时熔化焊丝钢带和包裹的金属粉，两者形态及熔点不同，容易造成电弧不稳定；金属粉会导致熔池流动性变化，不易控制熔池，焊接过程中气孔敏感性较大；焊接热输入过大时，容易造成合金元素的过度烧损，降低焊缝的力学性能。因此需在施工过程中，制定相应的施工措施。

3 金属粉芯焊丝气体保护焊施工工艺

为了获得性能合格的焊缝，焊接过程中还需要注意以下几个方面。

3.1 焊前准备

在钢板内外两侧同时进行焊接的前提下，焊接前应检查坡口表面，保证坡口良好无缺陷，同时清除坡口表面及两侧母材表面至少25mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其他有害物质，并尽快焊接或采取措施防止清理过的坡口被再次污染。

（1）坡口准备及组对 金属粉芯焊丝气体保护焊工艺的熔深较浅，钝边不宜过大，容易造成熔合不良，钝边取1～2mm。金属粉芯焊接材料对间隙的大小较为敏感，当间隙为1mm时，打底焊道容易起沟槽，不利于下一道焊接，当间隙为2～4mm时大大好转。根据现场施工经验，间隙4mm时背面成形尚可，但根部间隙达到6mm以上则较难控制，因此应将根部间隙严格控制在2～4mm（见图3）。

图3 坡口设计

（2）防风防雨 金属粉芯焊丝气体保护焊对防风要求高，应将焊接区域的风速或空气流动速度降低到8km/h以下，最好采用防风防雨棚，以降低气孔和冷裂纹缺陷出现的概率。

（3）设备材料准备 焊前需检验调试设备工机具，保证运转良好。按焊接工艺和控制程序的规定准备及领取焊材。金属粉芯焊丝要注意防潮，超过12h或夜间直接暴露在潮湿环境中的焊丝禁止使用。进行焊接操作时，焊丝送丝机要盖好遮盖板，以防雨天焊丝被雨水淋湿。

待焊母材为工程材料，一般为欧标E N10225 S355 G8，该材料具有良好的焊接性和延展性，具体化学成分见表1。

表1 EN 10225 S355 G8化学成分与特性 （%）

焊接材料的选择需要与母材保持尽量匹配，其自身的性能和成分也会对接头的最终性能以及工艺的稳定性造成重要影响[3]。通过比选，选择焊接材料型号为AWS A5.18 ER70C-6M，该种焊接材料的成分和性能与母材相近，且具有良好的抗气孔性能以及低温韧性。

（4）人员准备 由于金属粉芯焊丝气体保护焊需要电弧能量同时熔化焊丝钢带和包裹的金属粉，两者形态及熔点不同，容易造成电弧不稳定，并需要施焊人员手法稳定，适应金属粉芯焊丝操作性特点，因此最好制作试板试焊，以提高熟练度。

3.2 焊接过程控制

（1）起弧与熄弧 金属粉芯焊丝气体保护焊自动送丝可实现长焊缝不息弧焊接，因此起弧后无特殊情况尽量不要熄弧，如果焊工调整姿势造成中断，重新起弧前，要将接头打磨至平滑过渡。

（2）合适的焊接参数 焊接电流、电弧电压、焊接速度以及送丝速度构成了主要的焊接参数。通过参数的匹配试验，获得稳定的参数区间，实现稳定的焊接过程。最终的工艺参数见表2 。

表2 金属粉芯气体保护焊焊接参数

由于金属粉芯焊丝气体保护焊焊接参数范围较窄，因此应严格按照焊接工艺规程的要求调整好焊接电流、电弧电压、气体流速等焊接参数。在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应在WPS允许的范围内选用小的焊接电流、电弧电压和热输入，尤其是热输入，为防止金属粉合金元素的过度烧损，焊缝每层厚度不应超过4mm，焊接过程中特别注意根据所焊接位置适量调整焊接电流、电弧电压，及时调整焊枪角度，尽量保证每道焊接参数变化波动小。

（3）缺陷预防 LNG陆地终端模块节点的单边V形坡口打底焊接时容易引起直边处的未熔合，尤其是仰焊时，由于焊枪角度太斜，焊丝干伸长过大，导致熔池下流，形成沟槽。这时如果不做任何处理就进行下一道焊接时，会在上部的直边位置出现连续的未熔合，并且长度较长。因此在焊接时要注意焊枪角度的控制，不能过大也不能过小，且不能让干伸长太长，预制阶段能够翻转的节点尽量将仰焊调整为平焊。焊接过程中时刻观察侧边熔合和根部背透，出现熔合不良时应及时停止并进行修正。根部焊道完成后，要仔细观察焊道的熔合情况，用砂轮机将熔合处的尖角、沟槽等打磨平缓。

4 LNG陆地终端模块节点焊接变形控制要点

焊接过程是一个不均匀加热的过程，焊件受热越多，金属受热的体积越大，焊接变形的趋势就越严重，结构焊缝越多，变形规律越复杂。而LNG陆地终端模块节点不仅壁厚较好，而且焊缝数量多，也就造成了节点易变形且变形不规律。因此，必须制定相应措施，严格控制LNG陆地终端模块节点焊接变形，其要点如下。

（1）采用小热输入焊接 打底焊道作为第一道焊缝对结构变形的影响是最大的，金属粉芯焊丝气体保护焊热输入小，性能佳，采用金属粉芯焊丝气体保护焊打底工艺代替焊条电弧焊可很好地控制焊接变形。在实际施工中，搭配热输入小的药芯焊丝气体保护焊进行填充焊接，非常有利于控制节点变形。

（2）减少焊接材料填充量 坡口角度可选取设计文件允许的最小值45°，根部间隙选取2～3mm，以减少焊接材料填充量，从而达到减少焊接变形的效果。

（3）刚性固定 LNG陆地终端模块节点具有结构截面对称、焊缝分布对称的特点，可先装配成整体，在节点两侧分别用加强筋进行固定，加强筋板对称均布，根据焊缝长度适当增加或减少加强筋板（见图4）。组对时的辅助工装应避免对施焊产生影响，在焊接冷却后及时将其去掉。加强筋刚性固定与自由状态相比，可大幅降低焊接变形。

图4 加强筋刚性固定示意

LNG陆地终端模块节点结构截面对称、焊缝分布对称，非常适合对称焊接，这也有利于减小结构焊接变形。圆管型节点可将两个节点对称刚性固定，然后两边对称施焊（见图5），通过节点1和节点2焊缝的同时施工，这样可以利用对侧节点的约束来减少自身翼缘板焊接时的翘曲变形。

图5 圆管型两节点对称刚性固定示意

半圆管型节点焊接时，先焊接管轴向焊缝，然后再焊接管周向焊缝，同类的焊缝要对称焊接，例如腹板两侧的半圆管要对称焊接，半圆管上下两侧焊缝对称焊接。复合型节点形式多样，需根据具体结构形式确定焊接顺序，但总体原则是尽量对称施焊（见图6）。

图6 半圆管型节点焊接顺序示意

5 结束语

综上所述，经现场应用分析，通过合理安排焊接顺序，现场采用自动焊，焊接所产生的热输入和热变形可控制在合理范围之内，LNG陆地终端模块的主结构存在大量节点结构，焊缝数量多，空间受限，且为主要受力结构，对整个模块的施工进度和质量影响极大。金属粉芯焊丝气体保护焊应用于LNG陆地终端模块，可实现节点的高质高效焊接，尤其是通过本文总结的金属粉芯焊丝气体保护焊施工要点，可充分发挥金属粉芯焊丝气体保护焊的优点，同时减少金属粉芯焊丝气体保护焊缺点的影响，保障LNG陆地终端模块项目的顺利推进。

金属粉芯焊丝气体保护焊对于LNG陆地终端模块节点的焊接变形控制也十分有利，同时配合采用小的焊接热输入、减少焊接材料填充量、刚性固定和选取合理的焊接顺序等一系列的措施，使节点的焊接变形得到了有效控制，达到了项目的尺寸精度要求。一系列问题的解决，不仅提升了施工水平，也为公司承担类似项目奠定了坚实的基础。