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，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，我國是鋼產(chǎn)量大國，也是焊接大國，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，并對新技術(shù)進行了介紹。

1.壓力容器焊接面臨問題

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，從強腐蝕到無腐蝕，從強輻射到無輻射，要求所用材料和板材類型和厚度不盡相同，對焊接工藝和技術(shù)的要求也多種多樣，這使得壓力容器的焊接具有如下問題：

1.1低合金高強鋼含有C、Mn、Nb、V等元素，這些元素容易使強化后的鋼材在焊接過程中發(fā)生淬硬，并且在剛性較大或者應(yīng)力較高時產(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析出，在PWHT階段彌散析出，強化了晶粒，使得材料在應(yīng)力減小時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)沿晶體開裂。同時，HAZ在焊接線能量過小時出現(xiàn)馬氏體引發(fā)裂紋，在線能量過大時，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很多問題，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、自動化和機械化方向發(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，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，不受周圍空氣影響。由于焊條長度有限，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行焊接的一種方法。埋弧焊在上世紀40年代開始發(fā)展起來，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)點是：生產(chǎn)效率高，對焊接熔池保護好，焊縫金屬雜質(zhì)少，容易獲得高質(zhì)量焊縫；勞動強度低，沒有弧光輻射；適用于大批量操作，較長較厚的直線或者大直徑的環(huán)縫都適宜采用埋弧焊方法。缺點是：沒有手工焊靈活；使用范圍窄，一般只在水平位置或者低傾斜度的焊縫上；準備工件時間長，浪費工時；看不到焊縫和熔池形成的過程。

2.3 鎢極氣體保護電弧焊

鎢極氣體保護電弧焊開始于上世紀的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，鎢極起電極作用，不熔化，電焊柜的從噴嘴噴出惰性氣體來隔絕空氣，從而來保護電弧和熔池，除此之外，還需要選擇性添加金屬。鎢極氣體保護電弧焊主要用在對焊縫的密封性和力學(xué)性能要求較高的壓力容器上。優(yōu)點是：容易調(diào)節(jié)熱輸入，焊接過程較為穩(wěn)定，接頭容易保護好，焊接之后不需要清理殘渣，容易實現(xiàn)自動化全方位焊接。缺點是：前處理瑪法，對接頭的清潔度要求較高，鎢極不能承載過大電流，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 熔化極氣體保護焊

熔化極氣體保護焊可以分為氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊和藥芯二氧化碳氣體保護焊等類型。上世紀40年代，鎢極氣體保護焊不能滿足厚板的要求，尤其是導(dǎo)熱性較強的金屬厚板，熔化極氣體保護焊應(yīng)運而生。其原理是利用焊件和焊絲不同極性的電極之間的電弧來熔化焊絲和母材，從而形成熔池和焊縫。優(yōu)點是：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。缺點為：光輻射強；設(shè)備復(fù)雜；對環(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。缺點是：如果要改善金屬韌性或者細化晶粒，焊后需要熱處理或者在焊接過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，高速通過水冷噴嘴的時候受到壓縮，能量密度和理解度增大，形成等離子弧。優(yōu)點是：穿透力強，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)過聚焦作為高功率密度的熱源來進行焊接。優(yōu)點是：焊前不需要開坡口，或者只開小角度的坡口，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械性能；容易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

3.總結(jié)

目前我國雖然是焊接大國，但是并非焊接強國，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。要滿足我國社會生產(chǎn)生活的迅速發(fā)展，就必須增大對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)在國際的競爭力。

參考文獻：

[1]上海化工學(xué)院.壓力容器國外技術(shù)進展（下冊）[M].北京：通用機械研究所出版，1974.

[2]林尚揚，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.