非標壓力容器脈沖熔化極氣體保護焊工藝開發及應用

奚修彬，張金深，武愛兵

中國石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315207

1 序言

國內非標壓力容器制造采用的焊接方法仍然以埋弧焊（SAW）和焊條電弧焊（SMAW）為主。近年來，隨著非標壓力容器產品規格的不斷增大，許多大型工件需要立式組焊和全位置焊，SAW因此受到位置限制而無法使用，只能采用SMAW進行施工，生產進度緩慢。

雖然熔化極氣體保護焊作為一種更為高效的焊接工藝在多個行業得到應用，但傳統GMAW存在飛濺多、成形差和焊縫低溫沖擊韌度不佳等問題，在非標壓力容器制造行業內的應用還比較少。在GMAW中，脈沖熔化極氣體保護焊（GMAW-P）是一種更為先進的焊接方法，它能在降低熱輸入的前提下實現穩定焊接。我公司通過進行GMAW-P工藝試驗，開發出用于Q345R鋼和09MnNiDR鋼的焊接工藝，并成功應用于實際生產中，不僅大幅縮短了工期，而且焊接質量穩定，降低了生產成本，具有較好的應用前景。

2 焊接工藝研究

GMAW-P在富氬混合氣保護、峰值電流大于轉變電流的前提下，熔滴過渡形態為脈沖噴射過渡（Pulsed Spray，見圖1），脈沖噴射相比其他噴射形態（如射滴噴射、射流噴射、旋轉噴射）具有熱輸入可控，焊接過程無飛濺，含氫量低，熔池可控，成形美觀，以及適用于全位置焊等優點[1]，且熱輸入范圍適合非標壓力容器常用鋼種的焊接。圖2所示為GMAW-P向上立焊外觀成形（母材Q345R鋼）。

圖1 脈沖噴射過渡形態

圖2 GMAW-P向上立焊外觀成形

雖然GMAW-P有很多優點，但應用也非一蹴而就。在前期投入一定資源的前提下，還要進行一系列試驗以保障順利應用。在應用中需要關注以下幾個方面的控制：首先是脈沖弧焊電源的選擇，其輸出控制技術應該是可靠的，即在不同氣體配比、不同焊絲化學成分、不同焊絲干伸長等條件下仍能以較低的平均電流實現脈沖噴射過渡；其次是氣體的選擇，配比精度應盡可能高，以方便焊工在焊機上直接調用儲存好的工藝，實現“一鍵焊接”。最后是焊工專項培訓，對焊工技能應進行專項考試，合格后持證上崗。

2.1 保護氣體的選擇

GMAW-P可采用的保護氣體種類較多，就碳素鋼和低合金鋼而言，一般保護氣體采用體積比≥75%的Ar和≤25%的CO2的混合氣。氣體成分對臨界轉變電流和接頭性能有一定影響，考慮非標壓力容器受壓焊縫對性能和無損檢測要求較高，我公司選用的保護氣體是80%Ar+20%CO2的混合氣（純度≥99.95%），該比例下Ar氣體能降低一定的噴射過渡所需的臨界電流，提高電弧燃燒的穩定性，使熔滴過渡保持穩定的軸向性[2]，同時也能保證較高的合金元素過渡系數。CO2氣體使熔池及電弧具有一定的氧化氣氛，降低對油銹的敏感性，同時降低熔池的表面張力[3]，促進熔池鋪展。

2.2 焊接設備的選擇

傳統GMAW采用的是直流弧焊電源，其達到無飛濺噴射過渡狀態時的臨界轉變電流值較高，經試驗，采用低合金鋼焊絲和80%Ar+20%CO2混合氣保護時轉變電流約為280A，該狀態下熱輸入大且熔池難以控制，不宜用于非標壓力容器承壓焊縫的制造。

GMAW-P采用的是脈沖弧焊電源，可以輸出周期性變化的脈沖電流，脈沖電流的波形及基本參數可在較寬范圍內調節。即使在遠低于臨界電流值的條件下也可實現脈沖噴射過渡[4]，更適合對熱輸入敏感材料的焊接。圖3所示為脈沖電流的波形及熔滴過渡過程，圖中脈沖電流Ip的作用是超過臨界轉變電流使熔滴達到噴射過渡，基值電流Ib為維弧電流，其作用是在脈沖電流停歇期間維持焊絲與熔池之間的電離狀態，保證電弧燃燒穩定，同時對母材和焊絲有預熔作用，為下個熔滴過渡做準備。

圖3 脈沖電流波形

我公司引進的焊機是松下全數字控制脈沖焊機YD-500GL3，該機采用IGBT逆變控制，通過雙CPU、高速CPLD控制及數字送絲裝置相融合的方式實現了全數字控制。其中送絲機速度通過編碼器反饋控制、四輪雙驅送絲方式，實現了與脈沖輸出同步的高精度送絲。另外，該機的焊接專家系統采用了自適應脈沖技術，熔滴可達到“一脈一滴”的過渡狀態，以實現無飛濺焊接。

2.3 焊接材料的選擇

針對非標壓力容器常用材料Q345R鋼和09MnNiDR鋼，我公司選用了哈爾濱焊接研究所實芯焊絲HTW-50（ER70S-6）和奧鋼聯伯樂低溫鋼焊絲Tunion GM Ni2（ER80S-Ni2），焊絲直徑均為1.2mm，該兩種焊絲的碳含量較低，Mn、Si含量中等，在降低氣孔、夾渣缺欠的同時還能保證較高的韌性，適用于富氬氣保護電弧焊。用于特殊工況下的焊絲還可以進一步規定各種元素的含量范圍，以滿足技術要求。

3 焊接工藝試驗

3.1 工藝試驗

參考原有SMAW焊接工藝評定數據，初步擬定工藝試驗焊接參數，經試驗后確定焊接參數見表1。

表1 焊接參數

采用上述工藝并按圖4所示的坡口形式進行了4件工藝試板的焊接，焊接位置均為向上立焊。試板性能檢測結果見表2。圖5所示為30mm厚試件的橫向側彎試樣，焊縫和熔合區未見裂紋和開口缺欠。

表2 檢測結果

圖4 試件坡口形式

圖5 橫向側彎試樣

上述各項性能相對穩定，沖擊吸收能量較標準要求還留有一定裕量，滿足壓力容器制造相關標準要求。

3.2 焊接工藝評定

在上述試驗的基礎上，針對Q345R及09MnNiDR材質，按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求進行了多項焊接工藝評定，結果全部合格。焊接工藝評定應以普通焊工作業為參考，避免刻意降低熱輸入，以保證所需性能在實際施工中具有穩定的再現性。

3.3 對比試驗

為比較GMAW-P和SMAW的生產效率，選取同一筒節的兩條縱縫分別采用SMAW和GMAW-P以正常強度施焊。從焊接過程中可以發現，GMAW-P具有可持續焊接、接頭較少，以及層間幾乎不需打磨的優勢，而SMAW則在這些輔助環節上耗時較多，且存在需烘烤、飛濺大，以及焊接材料利用率低的缺點。最終對比結果顯示，GMAW-P相比SMAW工效提高了2～3倍，見表3。

表3 工效對比

4 焊接工藝應用

4.1 焊工培訓

GMAW-P屬熔化極氣體保護焊，根據TSG Z6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》要求，噴射弧、熔滴弧和脈沖弧為同一因素代號，公司原有熔化極氣體保護焊焊工資質仍可使用，但實際操作上兩者還有所區別，因此需對焊工進行有針對性的培訓，考試合格后持證上崗，具體要點如下。

1）做好焊前準備工作，包括脈沖焊機參數設置、氣體檢查等，風速超標時還應備好防風罩。

2）向上立焊時焊道較厚，蓋面前的填充層應比兩側母材低1.5～2mm，以控制焊縫余高，建議采用反月牙法運弧。

3）初期焊接試件存在冷彎后熔合區開裂的現像，這與間歇性脈沖電流下熔滴的熱傳導較低有關，熔池底部寬度不足時易導致熔合不良，因此焊接熔合區時應略做停留。

4.2 實際產品的焊接

1）我公司承制的某對二甲苯裝置二甲苯塔，材質為Q345R鋼，直徑9.5m，高101m，最大壁厚94mm，重1800t，合同工期11個月。從硬件、質量和安全方面考慮，將其分為十大段分別進行立式制作，大段整體熱處理后再進行臥式合攏。由此存在巨大的手工焊作業量，若仍采用SMAW施工，則工期得不到保證。而將GMAW-P用于該塔器的焊接，僅用時5個月即完成了焊接生產任務，不僅滿足了工期要求，且焊接質量穩定，經TOFD檢測（Ⅱ級），焊接一次合格率達99%以上。產品焊接試件性能見表4（Q345R鋼）。

2）我公司承制的某POX裝置H2S濃縮塔，材質為09MnNiDR鋼，設計溫度－70℃。采用GMAW-P在部分受壓焊縫和E類焊縫中進行了應用，其中GMAW-P焊縫拍片658張，返修6處，焊接一次合格率99.09%。產品焊接試件性能見表4（09MnNiDR鋼）。

表4 產品焊接試件性能

5 結束語

1）通過選擇合適的焊接器材，采用正確的操作過程，GMAW-P焊接接頭具有良好的綜合力學性能，焊接一次合格率高，滿足非標壓力容器受壓焊縫質量要求。

2）GMAW-P用于非標壓力容器的生產時，有效地提高了生產效率，具有推廣價值。