淺述壓力容器生產(chǎn)中焊接技術(shù)的應(yīng)用與完善

白栗護(hù)

【摘 要】焊接技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步不僅對壓力容器在各領(lǐng)域的運(yùn)用有著重要影響，而且對環(huán)境保護(hù)及社會(huì)發(fā)展也有重要意義。因此，要不斷開發(fā)與研究新的焊接技術(shù)，逐漸改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)弊端，促使焊接技術(shù)獲得新發(fā)展，使壓力容器、鍋爐與管道得到更廣泛的應(yīng)用。本文對壓力容器生產(chǎn)中的焊接技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，然后又對焊接技術(shù)未來發(fā)展進(jìn)行了展望，旨在進(jìn)一步完善焊接技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；焊接技術(shù)；應(yīng)用與完善

一、厚壁壓力容器焊接技術(shù)

目前，壓力容器的生產(chǎn)制作逐步向大型化發(fā)展，大型壓力容器直徑可達(dá)幾米、甚至十幾米，壁厚超過200mm，對其焊接接頭質(zhì)量要求很高，常規(guī)的焊接方法很難滿足質(zhì)量要求。因過熱會(huì)使組織成分不均勻，晶粒組織粗大、熱影響區(qū)韌性低和堆焊層強(qiáng)度降低；開U型或V型坡口的焊接方法，不僅浪費(fèi)了材料、能源、人力物力和時(shí)間，更重的是難于得到合格的接頭；焊接過程中高空作業(yè)，如大型塔器的空中合攏焊縫組焊、大直徑容器接管與殼體的焊接；密閉空間焊接，如高壓小直徑厚壁容器內(nèi)部焊接、極度危害介質(zhì)容器的內(nèi)部返修，常給焊接作業(yè)者帶來安全隱患，因此急需安全、自動(dòng)化程度高且高效率的焊接技術(shù)。

厚壁壓力容器傳統(tǒng)的焊接技術(shù)為單絲埋弧焊和電渣焊，采用窄間隙焊接技術(shù)，減小坡口橫截面積，從而實(shí)現(xiàn)降低焊接熱輸入。為提高厚壁壓力容器的生產(chǎn)效率，在雙絲埋弧焊的基礎(chǔ)上，近年發(fā)展起來的窄間隙多絲埋弧焊采用新型計(jì)算機(jī)控制的埋弧焊電源可實(shí)現(xiàn)3絲、4絲、5絲或6絲串列電弧高速埋弧焊（如圖1）。多絲埋弧焊分為多電源串列多絲埋弧焊和單電源多絲埋弧焊。前者是每一根焊絲均有一個(gè)獨(dú)立電源供電，可避免電弧相互干擾和產(chǎn)生磁吹偏；后者是用多根較細(xì)的焊絲代替一根較粗的焊絲，以相同的速度通過同一導(dǎo)電嘴向外輸出，在焊劑覆蓋下熔化，熔敷效率高增加焊接速度。提高大壁厚容器的生產(chǎn)效率，由預(yù)熱電源將填充焊絲加熱到接近熔化狀態(tài)后，送入埋弧自動(dòng)焊形成的熔池為熱絲埋弧焊，該方法能量消耗小，焊材損失少等優(yōu)點(diǎn)也具有廣泛的應(yīng)用前景。

近些年隨著大功率激光器的發(fā)展，厚壁激光自動(dòng)焊接技術(shù)正在發(fā)展，但因其設(shè)備成本高，隨后出現(xiàn)了激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)。壓力容器壁厚較大時(shí)，常規(guī)電弧焊接需要設(shè)計(jì)特殊的坡口，進(jìn)行多道焊，在反復(fù)的起弧收弧階段易產(chǎn)生缺陷，激光-電弧復(fù)合焊則充分利用電弧焊的橋接能力和激光焊的熔透性，能一次單道焊接成形，減少焊接缺陷，提高焊接效率。這種新型激光復(fù)合焊接技術(shù)可以取代鎢極填絲氬弧焊，大功率激光能夠在電弧的熔池中形成小孔，而小孔內(nèi)充滿金屬蒸汽，同時(shí)激光使電弧的部分保護(hù)氣體電離產(chǎn)生等離子體，防止氣保護(hù)焊中出現(xiàn)陰極漂移現(xiàn)象，可以引弧和穩(wěn)弧。激光-電弧復(fù)合焊接與全數(shù)字化精確控制的焊接電源配合使用，能對焊接過程精確控制，飛濺極少，焊縫美觀。304不銹鋼的激光-精確控制電弧的復(fù)合熱源焊接方法與常規(guī)TIG進(jìn)行焊接接頭力學(xué)性能對比表明，復(fù)合焊焊接熱輸入小，焊接速度是常規(guī)TIG焊的5.5倍；接頭性能基本相同，且復(fù)合焊強(qiáng)度更高，焊縫性能更穩(wěn)定。

二、承裝腐蝕介質(zhì)的壓力容器焊接技術(shù)

壓力容器服役條件有高溫和低溫，承受內(nèi)壓和外壓，內(nèi)盛入介質(zhì)有強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射，因此對焊接技術(shù)有不同的要求。容器全部采用耐腐蝕材料，會(huì)增加成本，達(dá)不到節(jié)約材料的環(huán)保新要求，因此只需在接觸腐蝕介質(zhì)的一面堆焊一層耐蝕材料。目前新的堆焊方法為帶極電渣堆焊（如圖2），與早期使用的帶極埋弧堆焊（如圖3）相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：熔敷效率高，比埋弧堆焊大約高50%；熔深淺而均勻，稀釋率比埋弧堆焊小，單層堆焊即可滿足性能要求，同時(shí)減少了工作量；堆焊層成形良好，不易有夾渣等缺陷，表面質(zhì)量優(yōu)良，平整度好；焊劑只需在焊接方向前面覆蓋，而埋弧堆焊在整個(gè)焊接區(qū)必須覆蓋焊劑，單側(cè)加入節(jié)省焊劑，且敞開式熔池利于雜質(zhì)和氣體排出，不產(chǎn)生焊接電弧和紫外線。

三、不銹鋼復(fù)合板壓力容器焊接技術(shù)

不銹鋼復(fù)合板是由碳鋼或低合金鋼為基層，不銹鋼為復(fù)層，一般采用爆炸法、冷軋法或爆炸冷軋法制成的雙金屬復(fù)合板，它既有不銹鋼的耐蝕性能，有具有碳鋼和低合金鋼低成本的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煉油、化工等領(lǐng)域的塔和罐設(shè)備材料。

復(fù)合板的焊接不同于單一金屬的焊接，它是將兩種物理性能、化學(xué)成分和組織存在較大差異的材料進(jìn)行焊接。由于兩種金屬的膨脹系數(shù)不同，因此在焊縫附近引起焊接熱應(yīng)力；另外，焊接基層與復(fù)層之間的過渡層，會(huì)發(fā)生碳的遷移，碳由低鉻的基層向富鉻的不銹鋼熔敷金屬遷移，不銹鋼金屬被稀釋，形成高硬度的增碳區(qū)和低硬度的脫碳區(qū)。我國不銹鋼復(fù)合板的基層焊接工藝較簡單，可選用手工電弧焊、埋弧焊、CO2氣保護(hù)焊；焊接難點(diǎn)是過渡層和復(fù)層的焊接，通常選用手工電弧焊、氬弧焊、藥芯焊絲氣保護(hù)焊和帶極埋弧焊。

復(fù)層多為耐蝕性較好的奧氏體不銹鋼，但因其導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，易發(fā)生HAZ敏化區(qū)的晶間腐蝕和焊接變形。晶間腐蝕是由“晶界貧鉻”理論造成的，而鉻的碳化物形成是擴(kuò)散過程，需要一定的時(shí)間，因此應(yīng)減少HAZ敏化區(qū)高溫停留時(shí)間，過渡層采用小電流、快速焊、窄焊道、反極性、多層多道焊接，層間溫度控制60℃以下。

過渡層和復(fù)層焊接以往均采用手工電弧焊，生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量受操作者影響大。不銹鋼藥芯焊絲CO2焊是一種高效率的焊接方法，熱量集中，熔池小，電弧穩(wěn)定，焊接飛濺小，工藝性好，質(zhì)量高，易操作，能實(shí)現(xiàn)全位置焊接，綜合成本小等優(yōu)點(diǎn)，且藥芯焊絲的熔渣有良好的冶金處理作用，可凈化焊縫，提高耐腐蝕性能。通過研究表明，

CO2氣體對藥芯焊絲形成的焊縫沒有明顯的增碳性。我國從美國引進(jìn)了球罐藥芯焊絲全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，焊接熔敷效率高，速度快，改善了焊接條件。TIG焊接技術(shù)多作為打底焊道，主要用于焊縫密封性能和力學(xué)性能要求高的壓力容器。脈沖TIG焊電流調(diào)節(jié)范圍較寬，可調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)，精確控制電弧能量的分布，能精確控制熔深體積和形狀。

四、焊接技術(shù)未來發(fā)展展望

未來一段期間內(nèi)，壓力容器的焊接技術(shù)發(fā)展主要是新鋼種焊接工藝的不斷完善，焊接接頭性能不斷提升，焊接材料向自動(dòng)化的方向發(fā)展，特別是藥芯焊接產(chǎn)品數(shù)量增多。焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的標(biāo)志是焊接裝備和焊接工藝的現(xiàn)代化，焊接技術(shù)現(xiàn)代化也是確保焊接產(chǎn)品具有較高質(zhì)量的重要因素。當(dāng)今時(shí)代是技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，焊接技術(shù)需要不斷引進(jìn)高新技術(shù)，才能快速實(shí)現(xiàn)裝備和工藝的現(xiàn)代化，構(gòu)建焊接專業(yè)系統(tǒng)及焊接數(shù)據(jù)庫，幫助焊接生產(chǎn)盡早實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的管理，有效控制整個(gè)焊接過程，提升焊接技術(shù)水平，提高焊接生產(chǎn)率與質(zhì)量。

對焊接行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域來說，焊接質(zhì)量的提高及焊接成本的降低都需要引起高度重視，企業(yè)必須積極開發(fā)先進(jìn)焊接技術(shù)，對產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理，利用先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)保證產(chǎn)品質(zhì)量。這也是未來壓力容器焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向。

結(jié)語

我國壓力容器焊接技術(shù)有相當(dāng)一部分已經(jīng)與世界接軌，厚壁壓力容器的焊接新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，壓力容器內(nèi)表面帶極電渣堆焊技術(shù)是目前國際上先進(jìn)的堆焊工藝，不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接新技術(shù)與常規(guī)焊接技術(shù)相比，焊縫內(nèi)部探傷一次合格率更高，達(dá)90%以上；同時(shí)，我們應(yīng)深刻認(rèn)識(shí)我國焊接技術(shù)總體水平與發(fā)達(dá)國家仍有一定差距，研究將主要集中在以下幾方面：實(shí)現(xiàn)對更大壁厚的壓力容器一次焊透，且焊接技術(shù)自動(dòng)化水平更高；對于承裝腐蝕介質(zhì)需堆焊的壓力容器，發(fā)展更節(jié)約焊接材料的堆焊技術(shù)，且焊接材料的種類應(yīng)更符合環(huán)保要求，避免在容器內(nèi)部作業(yè)產(chǎn)生大量煙塵；更多新材料被應(yīng)用在壓力容器制造上，應(yīng)發(fā)展相應(yīng)的焊接新技術(shù)，以適應(yīng)工業(yè)化的進(jìn)程。

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