耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)

方志龍 陳薛鋼

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)下，壓力容器對(duì)焊接技術(shù)的要求也越來越高。本文主要論述了多種焊接技術(shù)在耐熱鋼壓力容器上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：耐熱鋼；壓力容器；焊接技術(shù)

引言

壓力容器在石油化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、軍工和科研等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都起著重要作用。其中焊接是耐熱鋼壓力容器制造過程中最重要的工藝，因?yàn)樗梢灾苯佑绊懩蜔徜搲毫θ萜鞯馁|(zhì)量、生產(chǎn)率、可靠性、生產(chǎn)成本?，F(xiàn)代壓力容器正在發(fā)展為高壓大型化和多用化，所以焊接技術(shù)、工藝等也要向優(yōu)質(zhì)化和高效化的方向發(fā)展。

1焊接技術(shù)在耐熱鋼壓力容器焊接中的重要性

在壓力容器的制造過程中最關(guān)鍵的工藝就是焊接，并且焊接工作量占據(jù)了全部工作總量的50%以上。因此，焊接接頭的可靠性和質(zhì)量的好壞都會(huì)直接影響到耐熱鋼壓力容器的質(zhì)量、安全性和可靠性等。在耐熱鋼壓力容器的相關(guān)規(guī)定中，檢驗(yàn)材料和焊接是非常重要和嚴(yán)格的，所以，在耐熱鋼壓力容器的制造過程中，應(yīng)該高度重視焊接工藝。

2耐熱鋼壓力容器焊接的特點(diǎn)

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

2.1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。

2.2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(shí)在焊接過程中焊縫區(qū)散發(fā)著高濃度氫和-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，-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(shí)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(xiǎn)是冷裂紋。

2.3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(zhǎng)期運(yùn)行過程中，耐熱鋼壓力容器會(huì)發(fā)生一定的脆變或者軟化，這種獨(dú)特的現(xiàn)象就是耐熱鋼壓力容器焊接的回火脆性。

2.4再熱裂紋

在應(yīng)力裂紋的消除中，焊接接頭會(huì)再次與高溫下環(huán)境接觸，因此會(huì)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(shí)，焊道中心極易產(chǎn)生熱裂紋。

3耐熱鋼壓力容器焊接技術(shù)

3.1 手工電弧焊

手工電弧焊是通過手工操縱焊條來進(jìn)行焊接的電弧焊方法，金屬棒上所熔化的藥皮最終會(huì)形成氣體與熔渣，它們可以避免焊接熔池受到周圍空氣的影響。其設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作，能夠進(jìn)行全方位的焊接，適合多種材料的焊接。但是手工電弧焊的焊縫熔深淺，生產(chǎn)效率十分低下，并且手工電弧焊由于單根焊條長(zhǎng)度的限制只能完成短焊縫的焊接，并且在焊縫焊完后，必須在焊道上來清除熔渣，因此其使用率正在降低。

3.2 埋弧焊

埋弧焊是一種通過燃燒實(shí)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(jī)械化和自動(dòng)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(jī)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(diǎn)是：熔深達(dá)、焊縫中雜質(zhì)少、效率高、質(zhì)量好、勞動(dòng)量小、無弧光輻射。但是，埋弧焊對(duì)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。埋弧焊接主要適用于大批量、厚而長(zhǎng)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。

3.3熔化極氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊可分為氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊以及藥芯二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等。隨著焊接板厚度的增加，鎢極氣體保護(hù)電弧焊已不能滿足要求，為了克服厚板的焊接尤其是導(dǎo)熱性能較強(qiáng)的金屬的焊接，產(chǎn)生了熔化極氣體保護(hù)焊。熔化極氣體保護(hù)焊 是在電極間高溫電弧熱作用和氣體的保護(hù)下，利用焊絲和焊件兩個(gè)不同極性電極之間的電弧熔化連續(xù)送給的焊絲和母材，形成熔池和焊縫的焊接方法。其優(yōu)點(diǎn)為：以焊絲作為電極，焊接過程與焊縫質(zhì)量易于控制；不需焊后清渣，生產(chǎn)效率高；焊接熔深大，熔敷速度快，可焊大厚度板材，且易進(jìn)行全位置焊及實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。其缺點(diǎn)為：采用明弧和大電流密度，光輻射較強(qiáng)；對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格；設(shè)備較復(fù)雜。

3.4電渣焊

電渣焊是將電流通過熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，并熔化填充金屬與母材，凝固后形成金屬原子間牢固連接的焊接技術(shù)，它可以分為其熔嘴電渣焊和非熔嘴電渣焊、絲極電渣焊等。它適合焊接厚板，它有預(yù)熱功能，能夠均勻加熱，冷卻慢，冷裂的傾向小，不容易形成氣孔、裂紋等。并且焊縫成形后的系數(shù)調(diào)節(jié)的范圍非常大，焊劑耗量小。但是，其在進(jìn)行高溫的時(shí)間過長(zhǎng)，出現(xiàn)嚴(yán)重的過熱現(xiàn)象，造成斷裂韌性和粗大金屬顆粒的出現(xiàn)，并且在焊接過程中，需要添加-些特殊材料來細(xì)化晶粒和改善韌性。

3.5等離子弧焊

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過水冷噴嘴時(shí)受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。常用的等離子弧焊基本方法有小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊以及粉末等離子弧焊，在國(guó)外-種采用反極性電極鎖孔技術(shù)等離子弧焊也被發(fā)展起來。其優(yōu)點(diǎn)是：焊接能量密度大，弧柱溫度高，穿透力強(qiáng)；10-12mm 厚度鋼材無需開坡口，焊接速度快，生產(chǎn)效率高；熱影響區(qū)窄，應(yīng)力變形??；能較好實(shí)現(xiàn)單面焊雙面自由成形。其缺點(diǎn)是：電源及電氣控制設(shè)備較復(fù)雜，氣體耗量大，焊接設(shè)備成本高，焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配較復(fù)雜，噴嘴使用壽命短，且只適合室內(nèi)焊接。

3.6激光焊

激光焊是利用經(jīng)聚焦的高功率密度的激光束為熱源的特種焊接方法。目前，該方法主要應(yīng)用于航空、汽車以及電子、精密儀器等高科技領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)為：具有極高的能量密度，焊接熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所致的變形很??；可焊材質(zhì)種類范圍大；易于自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接；不受磁場(chǎng)影響，焊接位置精確。其缺點(diǎn)為：價(jià)格昂貴，設(shè)備笨重；對(duì)焊件位置要求高；能量轉(zhuǎn)換效率低；焊道凝固快，有出現(xiàn)氣孔及脆化的風(fēng)險(xiǎn)；受激光器功率的限制，目前在厚壁焊接方面應(yīng)用有限。自1963年窄間隙焊接技術(shù)在美國(guó)巴特萊研究所提出以來，這種采用厚板對(duì)接接頭，焊前不開坡口或只開小角度坡口，并留有窄而深的間隙，氣體保護(hù)焊或埋弧焊的多層焊完成整條焊縫的高效率焊接方法，由于其坡口形狀簡(jiǎn)單，截面積小，母材、焊絲和能源消耗少，經(jīng)濟(jì)效益良好；熔化的金屬體積較小、熱輸人較低和 接熱影響區(qū) 較小，所以焊后工件的殘余應(yīng)力和變形較小，易于裝配；前道焊道對(duì)后道焊道起預(yù)熱作用，后道焊道對(duì)前道焊道有回火作用，改善了焊接接頭的機(jī)械性能，特別是斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度特性；具有全位置焊接的可能性，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化等特點(diǎn)，這種技術(shù)在各種焊接領(lǐng)域中的運(yùn)用越來越多，越來越廣。

結(jié)語

總之，目前我國(guó)的耐熱鋼壓力容器的焊接技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平，所以，為了加快我國(guó)大型高壓壓力容器的生產(chǎn)建設(shè)，一定要增強(qiáng)耐熱鋼壓力容器的焊接技術(shù)。

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