壓力容器焊接方法及其性能指標(biāo)對(duì)比分析

張 霞 曹彬彬

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展，壓力容器的應(yīng)用范圍越來越廣泛。在壓力容器制造過程中，焊接是影響其質(zhì)量的關(guān)鍵因素，焊接質(zhì)量直接決定了壓力容器的質(zhì)量等級(jí)和使用年限[1]。根據(jù)材料不同，焊接可分為碳素鋼焊接、低合金鋼焊接及不銹鋼焊接；根據(jù)焊接方法不同，又可分為焊條電弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊、電渣焊、等離子弧焊及摩擦焊。目前壓力容器制造過程中使用的焊接方法主要有焊條電弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊和埋弧焊，但新型的等離子弧焊正在壓力容器生產(chǎn)中嶄露頭角，因其成型好，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)正被越來越廣泛地應(yīng)用。

等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將自由鎢弧強(qiáng)化壓縮之后獲得電離度更高的電弧的焊接方法。等離子弧的能量密度較其他焊接方法高幾倍，采用等離子弧進(jìn)行焊接，從而獲得高性能的焊接接頭。等離子弧焊具有能量密度高、加熱集中、熔透能力強(qiáng)、焊接速度高、熱影響區(qū)窄及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。等離子弧電弧穩(wěn)定、擴(kuò)散角小、挺直度好，容易獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，特別適用制造于鍋爐、壓力容器等對(duì)焊接接頭要求比較高的機(jī)械產(chǎn)品。但是由于等離子弧焊設(shè)備比較復(fù)雜，價(jià)格高[2]，目前應(yīng)用仍不廣泛。采用試驗(yàn)分析等離子弧焊、焊條電弧焊及埋弧焊焊接試件的抗拉強(qiáng)度、抗彎能力、生產(chǎn)效率等的差別，來獲得更加優(yōu)良的壓力容器焊接方法。

1 焊接設(shè)備及試驗(yàn)材料

埋弧焊采用MZ-1000型焊機(jī)，焊條電弧焊采用ZX7-400型焊機(jī)，等離子弧焊采用PLA-WEL 501D和PT-501CP型焊機(jī)。試板規(guī)格為500 mm×260 mm×8 mm，試板材料為S30408，供貨狀態(tài)為固溶酸洗。其化學(xué)成分為：C為0.043%，Cr為18.09%，Ni為8.07%。其抗拉強(qiáng)度為692 MPa（GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備》中規(guī)定抗拉強(qiáng)度不小于520 MPa）。焊接設(shè)備的試驗(yàn)參數(shù)為：埋弧焊采用直流反接，焊接電流為550～600 A,焊接電壓為34～36 V，焊條焊接速度為50 cm/min，焊接線能量為28 kJ/cm；焊條電弧焊采用直流反接，焊接電流為110～160 A，焊接電壓為24～26 V，焊條焊接速度為15 cm/min，焊接線能量為25 kJ/cm；等離子弧焊采用直流反接，焊接電流為220～320 A，焊接電壓為16～25 V，焊條焊接速度為35 cm/min，焊接線能量為13 kJ/cm。力學(xué)性能試驗(yàn)采用WAW-1000D微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，射線探傷機(jī)型號(hào)為XXH-3005。

2 試件性能試驗(yàn)及分析

2.1 焊縫外觀檢查

焊縫外觀質(zhì)量的檢查項(xiàng)目為焊縫的余高，錯(cuò)邊量，咬邊。在壓力容器使用過程中，焊縫承受交變載荷，因此余高趨向于零為宜，且應(yīng)避免錯(cuò)邊及咬邊的產(chǎn)生。經(jīng)過試驗(yàn)得到焊條電弧焊的余高較大，實(shí)測(cè)值為2.8 mm；埋弧焊次之，實(shí)測(cè)值為1.5 mm，等離子弧焊焊縫余高最小，為0.5 mm。各焊接方法均未產(chǎn)生咬邊、錯(cuò)邊及其他表面焊接缺陷。觀察焊縫的外觀后可知，等離子弧焊的焊縫整齊、美觀，焊縫的外觀質(zhì)量最優(yōu)。

2.2 焊縫無損檢測(cè)

無損檢測(cè)是壓力容器最重要的檢測(cè)方法，其不會(huì)破壞設(shè)備的完整性；各焊接方法均采用射線探傷和滲透探傷。射線探傷選用XXH-3005型探傷機(jī)，采用單壁單影法進(jìn)行探傷檢測(cè)，焦距為700 mm，電壓為180 kV，電流為3 mA，曝光時(shí)間為3 min。滲透探傷采用Ⅱc-d型探傷劑，滲透時(shí)間及顯像時(shí)間均為10 min，采用目視檢測(cè)。經(jīng)過滲透檢測(cè)，三種焊接方法均未發(fā)現(xiàn)表面缺陷；進(jìn)行射線探傷后，發(fā)現(xiàn)焊條電弧焊存在1 mm的氣孔，經(jīng)評(píng)定該試板可以滿足標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ級(jí)合格要求，埋弧焊和等離子弧焊射線檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)缺陷，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅰ級(jí)合格要求[3]。焊條電弧焊屬于手工焊的范圍，手工焊焊接受焊工的能力影響程度較大，重復(fù)性較低，因此焊條電弧焊焊接過程中易出現(xiàn)缺陷，而埋弧焊與等離子弧焊為機(jī)動(dòng)焊，焊接過程中將設(shè)備參數(shù)調(diào)整到位后即可正常進(jìn)行，重復(fù)性好，裝配精度高，受焊工水平影響小，可保證焊接質(zhì)量，因此未產(chǎn)生焊接缺陷。

2.3 焊縫拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)是表征焊接接頭力學(xué)性能的重要指標(biāo)，所選S30408不銹鋼滿足GB/T 24511—2017規(guī)定，其抗拉強(qiáng)度Rm≥520 MPa。拉伸試樣的制備及力學(xué)性能評(píng)價(jià)執(zhí)行NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。試樣制備過程如下：將余高去除，使之與母材齊平；試樣的厚度等于或接近試件母材厚度（8 mm），試樣寬度為20 mm，橫截面積為160 mm2。利用WAW-1000D微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接的試樣，塑性斷裂位于焊縫處，其斷裂載荷為94.88 kN，抗拉強(qiáng)度為593 MPa；該強(qiáng)度滿足NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求的母材為同一金屬材料代號(hào)時(shí)，抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材抗拉強(qiáng)度最低值[4]，即抗拉強(qiáng)度的下限值（520 MPa）。采用埋弧焊進(jìn)行焊接的試樣，塑性斷裂于焊縫處，其斷裂載荷為85.28 kN，抗拉強(qiáng)度為533 MPa；該強(qiáng)度滿足NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求的母材為同一金屬材料代號(hào)時(shí)，抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材抗拉強(qiáng)度最低值，即抗拉強(qiáng)度的下限值（520 MPa）。采用等離子弧焊進(jìn)行焊接的試樣，塑性斷裂于母材處，其斷裂載荷為105 kN，抗拉強(qiáng)度為656 MPa；該強(qiáng)度滿足NB/T 47014—2011要求的母材為同一金屬材料代號(hào)時(shí)，抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材抗拉強(qiáng)度最低值即抗拉強(qiáng)度的下限值（520 MPa）。

通過三種焊接方法焊接得到的試件抗拉強(qiáng)度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，但通過試驗(yàn)結(jié)果可以得到試件不同的抗拉強(qiáng)度，等離子弧焊的抗拉強(qiáng)度值最高（656 MPa），焊條電弧焊的抗拉強(qiáng)度值次之（593 MPa），埋弧焊的抗拉強(qiáng)度值最小（533 MPa）。焊接接頭的力學(xué)性能主要與焊接接頭的組織形態(tài)有關(guān)，而焊接接頭的組織形態(tài)又與焊接過程的熱力學(xué)過程有關(guān)，焊接過程中的熱輸入情況決定了焊接過程的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)。焊接接頭可分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)，在不同的熱輸入條件下，各區(qū)得到不同的晶粒大小和晶粒度。隨著熱輸入的增加，晶粒尺寸逐漸增大，在焊接過程中晶粒粗化是影響力學(xué)性能的主要因素，組織形態(tài)對(duì)材料的材料力學(xué)性能也有一定程度的影響[5]。晶粒粗化是粗晶區(qū)發(fā)生脆化與軟化的主要原因；通過分析可知，隨著熱輸入增大，焊接接頭相同位置處的峰值溫度逐漸升高，并且在高溫停留的時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)促使晶粒長(zhǎng)大、粗化[6]。

試件焊接的熱輸入情況為：埋弧焊為28 kJ/cm，焊條電弧焊為25 kJ/cm，等離子弧焊為13 kJ/cm。埋弧焊熱輸入高，形成的焊縫晶粒粗大，力學(xué)性能差；焊條電弧焊次之，等離子弧焊雖然熱輸入較小，但其線能量集中，電弧束集中，所以熱影響區(qū)較小，晶粒細(xì)，組織性能好，力學(xué)性能優(yōu)良。

2.4 焊縫彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)是表征焊接接頭塑性的參數(shù)，彎曲試樣的制備及評(píng)價(jià)應(yīng)參照NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。各種焊接方法的試樣分別取2個(gè)背彎和2個(gè)面彎，一共4個(gè)彎曲試樣，試樣厚度為8 mm，試樣寬度為38 mm，彎心直徑為32 mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將彎曲試樣彎曲至180°，試驗(yàn)后其拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)，沿任何方向均無單條長(zhǎng)度大于3 mm的開口缺陷[4]。試驗(yàn)結(jié)果表明，3種焊接方法焊接完成后材料的塑性均比較優(yōu)良。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了壓力容器制造時(shí)常用的三種焊接方法：焊條電弧焊、埋弧焊及等離子弧焊。通過試驗(yàn)分析了各種焊接方法成型焊縫的外觀質(zhì)量、無損探傷質(zhì)量及力學(xué)性能。等離子弧焊的焊縫外觀整齊、美觀。焊條電弧焊重復(fù)性差，受焊工技能影響嚴(yán)重，無法保證高強(qiáng)度作業(yè)的質(zhì)量，其他兩種焊接方法重復(fù)性好，焊接效率高，經(jīng)射線探傷后確認(rèn)焊縫無缺陷、質(zhì)量?jī)?yōu)良。埋弧焊熱輸入高，形成的焊縫晶粒粗大，力學(xué)性能差；焊條電弧焊次之；等離子弧焊雖然熱輸入較小，但其線能量集中，電弧束集中，則其熱影響區(qū)較小，晶粒細(xì)，組織性能好，力學(xué)性能優(yōu)良。通過對(duì)比分析焊條電弧焊、埋弧焊及等離子弧焊焊縫的各種性能后可知，等離子弧焊在各方面表現(xiàn)優(yōu)良，具有廣闊的應(yīng)用前景。