壓力容器焊接技術(shù)的研究及應(yīng)用

王劍

摘要：壓力容器在實(shí)際生產(chǎn)中不可或缺，是裝備生產(chǎn)制造水平的重要量度。本文不僅總結(jié)了埋弧焊、手工電弧焊等一些傳統(tǒng)焊接方法，而且介紹了等離子弧焊和激光復(fù)合焊接技術(shù)等新技術(shù)，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，指出適用范圍。

關(guān)鍵詞：壓力容器；焊接技術(shù)；激光復(fù)合焊

引言

壓力容器在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中扮演著重要角色，在石油化工工業(yè)、軍工科研、能源工業(yè)等領(lǐng)域的作用都不容小覷。而壓力容器制造的關(guān)鍵工藝師焊接，它決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、可靠性和生產(chǎn)成本。當(dāng)前，壓力容器逐漸向多用化高壓化和大型化發(fā)展，這要求焊接技術(shù)和工藝也要向優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展。另外，我國(guó)是鋼產(chǎn)量大國(guó)，也是焊接大國(guó)，焊接主要應(yīng)用領(lǐng)域是壓力容器。所以，提高壓力容器的焊接質(zhì)量，提高焊接自動(dòng)化程度，尋找焊接新技術(shù)，降低焊接成本迫在眉睫。本文描述了壓力容器上的各種焊接方法，并對(duì)新技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1.壓力容器焊接面臨問(wèn)題

壓力容器的類型從低壓到高壓，再到超高壓，工作環(huán)境從低溫到高溫，從強(qiáng)腐蝕到無(wú)腐蝕，從強(qiáng)輻射到無(wú)輻射，要求所用材料和板材類型和厚度不盡相同，對(duì)焊接工藝和技術(shù)的要求也多種多樣，這使得壓力容器的焊接具有如下問(wèn)題：

1.1低合金高強(qiáng)鋼含有C、Mn、Nb、V等元素，這些元素容易使強(qiáng)化后的鋼材在焊接過(guò)程中發(fā)生淬硬，并且在剛性較大或者應(yīng)力較高時(shí)產(chǎn)生冷裂紋，而且這種冷裂紋具有延遲性，危害很大。另外，HAZ附近的C、Cr、Nb等碳化物在焊接高溫環(huán)境下固溶在奧氏體之中，等冷卻之后不能及時(shí)析出，在PWHT階段彌散析出，強(qiáng)化了晶粒，使得材料在應(yīng)力減小時(shí)的蠕變變形集中在晶界區(qū)域，引發(fā)焊接接頭在粗晶區(qū)沿晶體開(kāi)裂。同時(shí)，HAZ在焊接線能量過(guò)小時(shí)出現(xiàn)馬氏體引發(fā)裂紋，在線能量過(guò)大時(shí)，晶粒粗大導(dǎo)致接頭脆化。最后，焊接熱作用使得接頭HAZ軟化，若處理不當(dāng)亦會(huì)影響壓力容器的使用和其使用壽命。

1.2壓力容器逐漸高壓大型化，這使得容器壁厚也大幅度增加，厚壁容器的焊接帶來(lái)很多問(wèn)題，諸如預(yù)熱焊件、跟蹤控制焊縫、控制金相組織，這大大提高了現(xiàn)代壓力容器的焊接技術(shù)，使其向智能化、自動(dòng)化和機(jī)械化方向發(fā)展。

2.壓力容器焊接技術(shù)

2.1 手工電弧焊

手工電弧焊即人工操縱焊條，在1888年由俄羅斯人發(fā)明。在焊條和工件之間形成焊接熔池，這時(shí)，焊接熔池受到金屬棒上的熔化藥皮生成的熔渣和氣體的保護(hù)，不受周?chē)諝庥绊憽Ｓ捎诤笚l長(zhǎng)度有限，手工電弧焊只能焊接短焊縫，并且完成焊接后必須清除熔渣。手工電弧焊，操作簡(jiǎn)單靈活，適合多種材料，但是其焊縫質(zhì)量不好控制，生產(chǎn)效率低下，這項(xiàng)技術(shù)正在漸漸減少。

2.2 埋弧焊

埋弧焊指的是電弧在焊劑層下燃燒并進(jìn)行焊接的一種方法。埋弧焊在上世紀(jì)40年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，在鍋爐、造船、橋梁、化工等設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛。在壓力容器中的焊接，埋弧焊主要用在拼板焊縫和筒節(jié)焊縫以及筒節(jié)間環(huán)縫焊縫等。優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)效率高，對(duì)焊接熔池保護(hù)好，焊縫金屬雜質(zhì)少，容易獲得高質(zhì)量焊縫；勞動(dòng)強(qiáng)度低，沒(méi)有弧光輻射；適用于大批量操作，較長(zhǎng)較厚的直線或者大直徑的環(huán)縫都適宜采用埋弧焊方法。缺點(diǎn)是：沒(méi)有手工焊靈活；使用范圍窄，一般只在水平位置或者低傾斜度的焊縫上；準(zhǔn)備工件時(shí)間長(zhǎng)，浪費(fèi)工時(shí)；看不到焊縫和熔池形成的過(guò)程。

2.3 鎢極氣體保護(hù)電弧焊

鎢極氣體保護(hù)電弧焊開(kāi)始于上世紀(jì)的30年代，產(chǎn)生于鋁鈦等活波金屬的焊接，是最早的使用氣體的的電弧焊方法。工作原理是利用高熔點(diǎn)的鎢或其氧化物電極和工件間的電弧熔化金屬形成焊縫。焊接時(shí)，鎢極起電極作用，不熔化，電焊柜的從噴嘴噴出惰性氣體來(lái)隔絕空氣，從而來(lái)保護(hù)電弧和熔池，除此之外，還需要選擇性添加金屬。鎢極氣體保護(hù)電弧焊主要用在對(duì)焊縫的密封性和力學(xué)性能要求較高的壓力容器上。優(yōu)點(diǎn)是：容易調(diào)節(jié)熱輸入，焊接過(guò)程較為穩(wěn)定，接頭容易保護(hù)好，焊接之后不需要清理殘?jiān)?，容易?shí)現(xiàn)自動(dòng)化全方位焊接。缺點(diǎn)是：前處理瑪法，對(duì)接頭的清潔度要求較高，鎢極不能承載過(guò)大電流，不適合厚板焊接，惰性氣體陳本高，有可能有放射性危害。

2.4 熔化極氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊可以分為氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和藥芯二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等類型。上世紀(jì)40年代，鎢極氣體保護(hù)焊不能滿足厚板的要求，尤其是導(dǎo)熱性較強(qiáng)的金屬厚板，熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)運(yùn)而生。其原理是利用焊件和焊絲不同極性的電極之間的電弧來(lái)熔化焊絲和母材，從而形成熔池和焊縫。優(yōu)點(diǎn)是：焊縫質(zhì)量容易控制；不需要清理焊渣，生產(chǎn)效率高；可以焊接較厚的板材。缺點(diǎn)為：光輻射強(qiáng)；設(shè)備復(fù)雜；對(duì)環(huán)境的要求較高。

2.5 電渣焊

電渣焊利用熔渣流通電流時(shí)產(chǎn)生電阻熱當(dāng)作熱源，熔化填充的母材和金屬，在凝固牢固連接金屬原子。優(yōu)點(diǎn)是：可用于厚壁壓力容器焊接；加熱均勻，工藝缺陷少；焊劑的消耗少。缺點(diǎn)是：如果要改善金屬韌性或者細(xì)化晶粒，焊后需要熱處理或者在焊接過(guò)程中添加特殊金屬元素。

2.6 等離子弧焊

等離子弧焊的原理是利用等離子弧作為熱源，電弧加熱離解產(chǎn)生氣體，高速通過(guò)水冷噴嘴的時(shí)候受到壓縮，能量密度和理解度增大，形成等離子弧。優(yōu)點(diǎn)是：穿透力強(qiáng)，可用于厚壁壓力容器的焊接，焊接速度快，生產(chǎn)效率很高，應(yīng)變小。缺點(diǎn)是：設(shè)備復(fù)雜，耗能大，成本高。

2.7 激光復(fù)合焊

激光焊的原理是激光束經(jīng)過(guò)聚焦作為高功率密度的熱源來(lái)進(jìn)行焊接。優(yōu)點(diǎn)是：焊前不需要開(kāi)坡口，或者只開(kāi)小角度的坡口，母材和焊絲的消耗少，金屬熔化的體積小，經(jīng)濟(jì)高效；熱輸入低，HAZ小，焊后工件的殘余應(yīng)力和變形小，容易裝配；前后焊道互相影響，提高了接頭的斷裂韌性等機(jī)械性能；容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。

3.總結(jié)

目前我國(guó)雖然是焊接大國(guó)，但是并非焊接強(qiáng)國(guó)，焊接技術(shù)在大型高壓壓力容器的應(yīng)用還處于研發(fā)階段。要滿足我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)生活的迅速發(fā)展，就必須增大對(duì)壓力容器焊接新技術(shù)研究的投入，提高技術(shù)水平，提升焊接行業(yè)在國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]上?；W(xué)院.壓力容器國(guó)外技術(shù)進(jìn)展（下冊(cè)）[M].北京：通用機(jī)械研究所出版，1974.

[2]林尚揚(yáng)，于丹，于靜偉.壓力容器焊接新技術(shù)及其應(yīng)用[J].壓力容器，2009，26（11）：1-6.