耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)研究

徐佳豪（沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 100159）

耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)研究

徐佳豪
（沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 100159）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，壓力容器的工作參數(shù)也在大幅度的提升，使得壓力容器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，在市場經(jīng)濟的競爭下，壓力容器對焊接技術(shù)的要求也越來越高，近年來，我國的壓力容器焊接技術(shù)已經(jīng)逐漸邁向成熟，取得了顯著的成績。我國的壓力容器在焊接技術(shù)方面采用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝以及焊接所使用的設(shè)備都具有高質(zhì)量、高效率、低耗能、低污染的優(yōu)點。其中耐熱鋼壓力容器就是壓力容器技術(shù)的一個先進代表，它的各方面應(yīng)用技術(shù)都體現(xiàn)了壓力容器的特點，具有很高的應(yīng)用價值。

壓力容器；焊接；技術(shù)

壓力容器已經(jīng)在石油化工、軍事作業(yè)、能源工程、科研制造等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，帶動了這些領(lǐng)域的快速發(fā)展，焊接工藝是耐熱鋼壓力容器制造過程中一項最重要的工藝，它對耐熱鋼壓力容器的質(zhì)量、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率都有著直接的影響[1]。在現(xiàn)代化工業(yè)中，一些大型的工業(yè)基地使用的壓力容器都趨于巨型化和多功能化，這對耐熱鋼壓力容器的焊接技術(shù)要求越來越高。本文將對耐熱鋼壓力容器的特點和焊接工藝進行具體的研究，使耐熱鋼壓力容器的焊接技術(shù)能夠發(fā)揮其最大的應(yīng)用價值。

1 耐熱鋼壓力容器的焊接性能

在普通的壓力容器中一般使用普通的碳鋼，這種碳鋼壓力容器焊接性能比較差，焊接的接頭處容易被氧化，而且缺乏持久的強度。耐熱鋼壓力容器是在普通的碳鋼中加入一定含量的合金元素，這樣就會使普通的碳鋼的高溫強度和持久強度增強，形成了合金耐熱鋼，壓力容器中采用耐熱鋼材料，在不斷地進行研究實驗，為了改善耐熱鋼壓力容器的焊接性能，在耐熱鋼壓力容器的制造中一般將碳的含量控制在0.2%以內(nèi)。

1.1 耐熱鋼壓力容器焊接接頭的要求

耐熱鋼壓力容器的焊接工藝一般在高溫、高壓的條件下進行，所以對焊接接頭有嚴(yán)格的要求，這樣才能保證焊接工藝的安全有效運行，保證耐熱鋼壓力容器環(huán)節(jié)的質(zhì)量。耐熱鋼壓力容器焊接接頭性能應(yīng)滿足下列幾點要求：

（1）焊接接頭的等強性。耐熱鋼壓力容器焊接接頭既要具有和耐熱鋼壓力容器自身材料基本相符的室溫和高溫短時強度，還要具備和耐熱鋼壓力容器自身材料相接近的高溫持久強度，這樣才能保證焊接接頭能在同一環(huán)境中穩(wěn)固的焊接，保證焊接的質(zhì)量；

（2）焊接接頭的抗氫性和抗氧化性。耐熱鋼壓力容器焊接接頭應(yīng)該具備與耐熱鋼壓力容器自身材料基本相同的抗氫性和高溫抗氧化性。這樣才能保證焊接接頭的合金成分與耐熱鋼壓力容器的合金成分一致，達到高強度的抗氧化性和抗氫性，保證了焊接接頭處不被氧化；

（3）焊接接頭的組織穩(wěn)定性。耐熱鋼壓力容器焊接接頭在制造過程中，焊接接頭要經(jīng)受長時間進行熱處理，并且在焊接接頭的應(yīng)用過程中將長期受高溫高壓的環(huán)境的刺激，使得焊接接頭各個部分產(chǎn)生明顯的組織變化，這將引起焊接接頭的脆變或軟化，從而使得焊接接頭的強度變小，因此，在耐熱鋼壓力容器焊接接頭的制造中，一定要保證焊接接頭組織的穩(wěn)定性，這樣才能在后期的焊接工藝中保證焊接的質(zhì)量；

（4）接頭的抗脆斷性。耐熱鋼壓力容器焊接工作雖然一直都在高溫、高壓的環(huán)境中進行，但是在耐熱鋼壓力容器真正的投入使用中時，應(yīng)用的環(huán)境卻是常溫常壓，這就需要耐熱鋼壓力容器在制造完工以后進行睡得冷處理，這樣冷熱刺激能夠有效的增強耐熱鋼壓力容器的抗脆斷性，從而使得耐熱鋼壓力容器能夠更好地適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

1.2 耐熱鋼壓力容器焊接的特點

耐熱鋼壓力容器所使用的耐熱鋼中含有一定含量的合金元素，同時有含有一定量的微量元素，因此，耐熱鋼壓力容器的焊接具有自身獨特的焊接特點：

（1）耐熱鋼壓力容器焊接的淬硬性。由于低合金耐熱鋼的主要合金元素是Cr 和Mo等，這些元素在氧化過程中都能提高鋼的淬硬性。而且Mo元素的提高淬硬性的作用比Cr元素大近50 倍，這些元素能夠有限的抑制鋼在受熱后冷卻過程中的變質(zhì)，提高了鋼在過冷環(huán)境中的穩(wěn)定性；

（2）耐熱鋼壓力容器焊接的冷裂紋。由于Cr-Mo合金元素鋼極易產(chǎn)生淬硬性，同時在焊接過程中焊縫區(qū)散發(fā)著高濃度氫和一定的焊接殘余應(yīng)力，這些因素的在共同作用下，耐熱鋼壓力容器的焊接接頭易產(chǎn)生氫，導(dǎo)致接頭處出現(xiàn)裂紋，這種裂紋在高溫、高壓環(huán)境中極易發(fā)生，一般在熱影響區(qū)以表面裂紋為主，在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的橫向裂紋，同時也極有可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。但是在Cr-Mo合金元素鋼焊接過程中存在的主要危險是冷裂紋；

（3）消除應(yīng)力裂紋。在盈利裂紋的消除中，焊接接頭會再次與高溫下環(huán)境接觸，因此會在高溫下形成裂紋，這種裂紋叫做再熱裂紋，Cr-Mo合金元素鋼是再熱裂紋敏感性鋼種，一般敏感的溫度范圍在600℃左右。再熱裂紋在耐熱鋼壓力容器焊接過程中不被人們所重視，人們通常注重冷裂紋的防治。在耐熱鋼壓力容器焊接過程中，當(dāng)焊道的成形系數(shù)（熔寬與熔深比）小于1.2～1.3時，焊道中心極易產(chǎn)生熱裂紋。這是由于窄而深的焊道在低熔點聚集在焊道中心時，由于焊接應(yīng)力強烈作用，導(dǎo)致焊道中心產(chǎn)生熱裂紋。因此，所有能夠影響焊道成形系數(shù)的因素都會導(dǎo)致熱裂紋的發(fā)生；

（4）耐熱鋼壓力容器焊接的回火脆性。Cr-Mo合金元素鋼及其焊接接頭處在高溫、高壓的環(huán)境下，長期運行過程中，耐熱鋼壓力容器會發(fā)生一定的脆變或者軟化，這種獨特的現(xiàn)象就是耐熱鋼壓力容器焊接的回火脆性。

2 耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)

耐熱鋼壓力容器廣泛使用于工業(yè)生產(chǎn)的多個領(lǐng)域。目前，耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)也比較成熟。本文簡要介紹以下幾種焊接技術(shù)。

2.1 手工電弧焊技術(shù)

手工電弧焊的主要特點是必須通過手動操作來完成焊條的焊接。它的最明顯的優(yōu)點是焊接焊條上所融化的藥皮會隨空氣氧化形成氣體和熔渣。這樣就有效地避免了周圍空氣對焊接熔池的不利影響，手工電弧焊的設(shè)備非常簡單，便于攜帶與操作，手工電弧焊的使用范圍也非常廣，多種材料都可以由它單獨焊接完成，焊接的方位也非常全面，在工業(yè)生產(chǎn)中很受歡迎。但是，手工電弧焊也有其自身無法克服的缺點。手工電弧焊的焊縫熔深非常淺，生產(chǎn)效率比其他焊接技術(shù)低下得多，手工電弧焊只能適用于短焊縫的焊接，主要是由于手工電弧焊主要適用于單根焊條焊接，而且對焊條的長度有嚴(yán)格的限制。在焊接完成后，必須采取人工手動的方式來清除熔渣，所以手工電弧焊的使用價值和效率都在降低。

2.2 埋弧焊技術(shù)

埋弧焊是一種通過燃燒實現(xiàn)焊接的技術(shù)。它主要是在焊劑層的下面。埋弧焊接相比于手工電弧焊機械化和自動化程度很高。在焊接過程中，送絲、引燃、焊接方位、收尾等工作都由機械操作完成。在耐熱剛壓力容器的焊接技術(shù)中主要適用于筒節(jié)焊縫、拼版等焊接材料中。埋弧焊的優(yōu)點是：熔深達、焊縫中雜質(zhì)少、效率高、質(zhì)量好、勞動量小、無弧光輻射。但是，埋弧焊對水平位置、加工物件的邊緣、裝配質(zhì)量和傾斜度都有嚴(yán)格的要求，靈活程度差[2]。埋弧焊接主要適用于大批量、厚而長的材料焊接。在焊接操作中，熔池和焊縫的形成都處于不明狀態(tài)，焊接的質(zhì)量主要靠規(guī)范的操作來保證。

2.3 熔化極氣體保護焊技術(shù)

熔化極氣體保護焊主要是利用電極間氣體和高溫電弧熱作用的原理把焊絲和焊件的電弧融化供應(yīng)給母材和焊絲。在持續(xù)不斷地電弧融化中形成熔池和焊縫。熔化極氣體保護焊主要分為氬弧焊和二氧化碳氣體保護焊兩種。它的優(yōu)點是以焊絲作為電極，焊接的質(zhì)量和過程都比較易于控制；熔深大；生產(chǎn)效率很高，對板材的厚度和部位沒有特殊的要求，自動化的程度也比較高。但是，在焊接的過程中，電弧和電流的密度都比較大，光輻射比較嚴(yán)重，熔化極氣體保護焊對環(huán)境的要求比較高，設(shè)備復(fù)雜程度高。熔化極氣體保護焊主要適用于耐熱合金、不銹鋼、銅與銅合金等中厚板材中，在現(xiàn)實中主要適用于鍋爐、橋梁、重型機械、核電站等工業(yè)生產(chǎn)中。

2.4 電渣焊技術(shù)

電渣焊是以電流熔渣作為熱源的焊接技術(shù)。它的工作原理是在電流的作用下將熔渣融化來填充母材和金屬，待熔渣冷卻后將金屬原子進行焊接。電渣焊主要適用于厚板材的焊接，而且它具有很強的預(yù)熱與加熱功能，在焊接過程中，焊接密度好，不會形成氣孔和裂紋。但是電渣焊在高溫下工作，容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在操作的過程中，需要添加特殊材料來彌補其韌性差的特點。

3 耐熱鋼壓力容器焊接新技術(shù)

耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)已經(jīng)在多個領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，例如在石油工業(yè)、軍工、科研、航空航天等多個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，因此，耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)被越來越多的人所關(guān)注，人們對焊接技術(shù)的要求也逐漸提高，在多種因素的影響下，新的耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)已經(jīng)誕生了，現(xiàn)在介紹幾種耐熱鋼壓力容器焊接新技術(shù)。

3.1 雙TIG 焊技術(shù)和雙脈沖MIG焊技術(shù)

雙TIG 焊技術(shù)和雙脈沖MIG 焊技術(shù)是由傳統(tǒng)焊接技術(shù)通過不斷改進和創(chuàng)新得來的，它傳承了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的優(yōu)勢，并改進了傳統(tǒng)焊接技術(shù)中的缺陷[3]。雙TIG 焊技術(shù)是將常規(guī)的TIG 焊槍進行電流連接的改進，使焊槍的電流就能夠互相傳輸，在工件和兩把焊槍之間建立獨立的電弧，這樣與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，耐熱鋼壓力容器焊接新技術(shù)能夠使焊接熔深變大，變形量減小，焊接的成本大大減少，提高了耐熱鋼壓力容器的焊接質(zhì)量。而雙脈沖MIG 焊技術(shù)是用低頻率的脈沖來調(diào)制單位脈沖的峰值與脈沖時間，從而將單位脈沖的強度的大小在低頻率咋脈沖中期內(nèi)相互切換，最終形成周期性變化的強弱脈沖群，這樣的脈沖群能夠?qū)⒑附咏宇^間的間隙變寬，使焊縫的晶粒平整細化，從而避免氣孔的和裂紋的發(fā)生[4]。提高了耐熱鋼壓力容器焊接的質(zhì)量。

3.2 激光-電弧復(fù)合熱源焊技術(shù)

激光-電弧復(fù)合熱源焊技術(shù)是采用純氬氣作為保護氣體，大功率激光的照射可以使電弧熔池中的小孔中充滿金屬蒸汽，而且將電弧的部分保護氣體發(fā)生電離產(chǎn)生等離子體[5]。激光-電弧復(fù)合熱源焊技術(shù)能夠解決常規(guī)的MIG焊技術(shù)不能運用純氬氣來作為保護氣而產(chǎn)生焊接效率低下的不足，同時在純氬氣作為保護氣時，提高了電弧的穩(wěn)定性和剛性，使電弧得到了有效的控制。

4 結(jié)束語

目前，我國的耐熱鋼壓力容器的焊接技術(shù)還處在研究階段，耐熱鋼壓力容器所采用的設(shè)備和材料都在不斷地完善，但與國外先進的耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)相比，相差甚遠。因此，為了加快我國大型耐熱鋼壓力容器的生產(chǎn)建設(shè)能夠在國內(nèi)廣泛應(yīng)用，一定要加強耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)的研究和使用，不斷地學(xué)習(xí)國外先進的焊接技術(shù)，加強與國外焊接相關(guān)技術(shù)人員的溝通，提高焊接工人的理論知識和實際操作水平，使我國的耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)逐漸區(qū)域完善，形成完善的耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)理論，并在不斷地實際操作中總結(jié)經(jīng)驗，從而降低我國對國外耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)的依賴性，提高我國耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)的競爭力量，將我國的焊接技術(shù)廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

[1]袁炳立,趙輝.壓力容器焊接技術(shù)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2014(04).

[2]耿海斌.復(fù)合鋼板壓力容器焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析[J].科技傳播,2013(20).

[3]王鑫,姜峰,索忠源,劉春鵬,邸鷹.淺談我國鋼制壓力容器焊接新技術(shù)[J].金屬功能材料,2014(05).

[4]楊雨.壓力容器焊接接頭低溫韌性的改善技術(shù)[J].黑龍江科技信息,2014(33).

[5]何俊,張永和,張濤.電子束焊接技術(shù)在我國星船容器研制中的應(yīng)用[J].航天制造技術(shù),2010(04).

[6]雷毅,袁曉波,孫曉娜.面向壓力容器焊接自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].壓力容器,2011(10).