窄間隙MAG焊在壓力容器中的應(yīng)用

王慶暉，田波清

（1.西安交通大學(xué)管理學(xué)院，陜西西安710049；2.中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南洛陽(yáng)471023）

窄間隙MAG焊在壓力容器中的應(yīng)用

王慶暉1，田波清2

（1.西安交通大學(xué)管理學(xué)院，陜西西安710049；2.中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南洛陽(yáng)471023）

介紹窄間隙MAG焊接方法的優(yōu)點(diǎn)和國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前形勢(shì)闡述窄間隙MAG焊接技術(shù)在板厚30 mm以上壓力容器現(xiàn)場(chǎng)組焊中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和研究的必要性；從理論上分析影響窄間隙MAG焊推廣應(yīng)用的因素，提出相應(yīng)的工藝對(duì)策及合理化建議；進(jìn)行多組焊接試驗(yàn)、混合氣體配比試驗(yàn)及焊接接頭工藝性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所選工藝及措施的正確性，為窄間隙MAG焊技術(shù)在常用厚壁壓力容器現(xiàn)場(chǎng)組焊中的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

窄間隙；MAG；壓力容器；現(xiàn)場(chǎng)組焊

0 前言

窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊具有適焊板厚大、焊接質(zhì)量好、效率高、不需要層間清渣的特點(diǎn)，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)窄間隙焊接方法。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊用于壓力容器采取不支持、不反對(duì)狀態(tài)，焊接材料缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)支持，窄間隙MAG焊焊接技術(shù)處于技術(shù)研究狀態(tài)，缺乏工程實(shí)例支持；NB/T47018.3-2011的實(shí)施為窄間隙MAG焊在壓力容器組焊中的應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)支持。

近年來(lái)全球天然氣開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，天然氣處理正在成為世界油氣工業(yè)和能源的新熱點(diǎn)，大需求量促使天然氣處理向大規(guī)模發(fā)展，隨著壓力和產(chǎn)量的提升，壓力容器制造向大規(guī)格、大壁厚發(fā)展將成為必然，焊接效率不足成為影響施工進(jìn)度及施工質(zhì)量的根本因素。窄間隙MAG焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)為板厚30 mm以上壓力容器現(xiàn)場(chǎng)快速組焊創(chuàng)造了前提條件，如何確保該技術(shù)完美應(yīng)用于板厚30 mm以上壓力容器現(xiàn)場(chǎng)快速組焊是研究的關(guān)鍵。

1 影響窄間隙MAG焊應(yīng)用的因素

1.1 窄間隙MAG焊應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)

（1）與普通MAG焊一樣，窄間隙MAG焊同樣存在容易產(chǎn)生飛濺的問(wèn)題，需要制定合理的焊接工藝和氣體配比。

（2）MAG焊接電弧張角較小，電弧集中作用在坡口底部，在較低的熱輸入下容易產(chǎn)生側(cè)壁熔合不良。

（3）難以消除缺陷。

1.2 影響因素分析及工藝對(duì)策

1.2.1 坡口及組對(duì)尺寸

坡口設(shè)計(jì)是窄間隙MAG焊應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。窄間隙MAG焊采用多層焊接，焊縫成形系數(shù)[熔焊時(shí)，在單道焊縫橫截面上焊縫寬度（B）與焊縫計(jì)算厚度（H）的比值，φ=B/H]直接影響焊接接頭質(zhì)量和熱裂紋敏感性。當(dāng)焊縫成形系數(shù)小于1.3時(shí)，易形成窄而深的焊縫，在焊縫中心由于區(qū)域偏析會(huì)聚集較多的雜質(zhì)，抗熱裂紋性能差，因此在兼顧保護(hù)氣噴嘴的同時(shí)，窄間隙MAG焊接坡口角度不能夠太小，而坡口角度太大又容易導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良，甚至無(wú)法焊接。已有研究證明，適用于窄間隙MAG的坡口為組對(duì)后坡口最大間隙10～18 mm，坡口根部間隙超過(guò)8 mm時(shí)，根部焊道不容易產(chǎn)生熱裂紋，從裝備精度、焊接效率角度考慮，窄間隙MAG焊的根部間隙一般在8～10 mm為宜，而不是越小越好。

1.2.2 焊接電壓

與所有焊接方法一樣，電弧電壓對(duì)焊縫表面成形影響顯著，電弧電壓與電弧長(zhǎng)度成正比，增大電弧電壓可以增大側(cè)壁熔深，減小焊縫熔深，有利于降低焊縫熱裂紋敏感性，但是電弧電壓的增加伴隨著電弧保護(hù)效果的降低，同時(shí)，過(guò)大的電弧電壓可能導(dǎo)致電弧張角過(guò)大，側(cè)壁較高位置會(huì)熔化較多的側(cè)壁金屬，凝固時(shí)產(chǎn)生下溢現(xiàn)象，造成咬邊和側(cè)壁較低位置的假熔合現(xiàn)象。

1.2.3 保護(hù)氣體

保護(hù)氣體的選擇對(duì)焊縫成形具有非常重要的影響。熔化極氣體保護(hù)焊采用純Ar保護(hù)進(jìn)行鋼材焊接時(shí)，容易在焊縫中心呈深而窄的“指狀”熔深，在其兩側(cè)熔深較淺，還會(huì)因陰極斑點(diǎn)漂移引起電弧不穩(wěn)和咬邊傾向[1]。采用Ar+CO2混合氣體將提高噴射過(guò)渡臨界電流，電弧既具有氬弧焊的特點(diǎn)（電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺小、噴射過(guò)渡），又具有CO2的氧化性，可克服純Ar保護(hù)時(shí)表面張力大，液體金屬粘稠、易咬邊和斑點(diǎn)漂移問(wèn)題，改善焊縫成形，形成弧形熔深。氬氣中加入少量氧氣可改善純氬氣焊接時(shí)的不良特征，但是加入氧氣會(huì)增加焊接飛濺，使窄間隙焊接條件惡化，氧氣的氧化性引起熔池金屬中硅、錳元素的燒損。采用Ar+CO2+O2三元混合氣體可獲得好的工藝效果，文獻(xiàn)[2]顯示，Ar+CO2+O2三元混合氣體焊接16Mn鋼時(shí)，焊縫沖擊韌性好，熔池的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性好，熔滴細(xì)化，可提高焊接生產(chǎn)率。我國(guó)采用Ar+CO2和Ar+O2二元混合氣體較多，較少使用三元混合氣體。

1.2.4 焊接層間清理

對(duì)于窄間隙焊接，焊件壁厚（板厚）越厚，層間清理越困難，某一層焊接產(chǎn)生缺陷時(shí)，缺陷的清理工具及方法非常關(guān)鍵。目前，窄間隙焊機(jī)制造商的常規(guī)做法是使用扁鏟伸入坡口內(nèi)鏟除缺陷，但是扁鏟是手動(dòng)工具，效率低下，焊接層間清理成為制約窄間隙焊接高效性的一個(gè)重要因素。

2 窄間隙MAG焊接及焊縫接頭工藝性能試驗(yàn)

2.1 坡口加工及焊前組對(duì)

焊接試驗(yàn)選用Q345R鋼板，板厚δ=40 mm，坡口及組對(duì)尺寸如圖1所示。

圖1 坡口及焊前組對(duì)

2.2 焊接工藝參數(shù)

選擇橫焊位作為試驗(yàn)位置，保護(hù)氣體為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，焊絲為大西洋CHW-50C6R，直徑φ1.2 mm，單絲旋轉(zhuǎn)，焊接設(shè)備為唐山開(kāi)元日立窄間隙MAG焊機(jī)，具體焊接工藝參數(shù)及焊接過(guò)程數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3 混合氣體配比試驗(yàn)

采用多組Ar+CO2配比對(duì)38mm厚Q345R板采用窄間隙MAG進(jìn)行焊接試驗(yàn)，從電弧穩(wěn)定性、熔池形狀控制難易度、飛濺大小等方面綜合評(píng)價(jià)，試驗(yàn)表明，混合氣體為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％用于較厚板焊接能夠有效提高噴射過(guò)渡臨界電流。混合氣體配合比例試驗(yàn)及結(jié)果如表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)及過(guò)程數(shù)據(jù)

表2 38 mm板混合氣體配合比例試驗(yàn)

2.4 窄間隙坡口焊接層間清理

當(dāng)板厚達(dá)30 mm以上時(shí)，窄間隙焊接的生產(chǎn)率明顯高于普通焊接方法[3]。板厚30 mm以上的窄間隙坡口具有窄而深的特點(diǎn)，手動(dòng)角磨機(jī)無(wú)法滿足層間清理要求。通過(guò)研究，采用無(wú)齒鋸改裝一套可用于深坡口清理的工具，目前該裝置已申報(bào)專(zhuān)利。

2.5 焊接接頭工藝性能試驗(yàn)

對(duì)焊接完畢的試件采用射線檢測(cè)保證焊縫質(zhì)量，然后按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊后熱處理。根據(jù)NB/T 47014的要求，在40 mm試件上取樣進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊和宏觀金相等試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，宏觀金相形貌見(jiàn)圖2。由表3可知，采用上述工藝焊接的試樣力學(xué)性能符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求，具有相當(dāng)高的沖擊韌性，其沖擊韌性遠(yuǎn)高于常規(guī)的焊接方法。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2 窄間隙MAG焊接試樣宏觀金相形貌

圖2選取了2個(gè)金相試樣，從斷面形貌觀察均未發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷，裂紋、固體夾渣、未熔合及未焊透、形狀和尺寸不良以及其他缺欠，焊接熱影響區(qū)小，焊縫層次均勻，有利于焊縫金屬晶粒細(xì)化，提高焊縫機(jī)械性能。

3 結(jié)論

窄間隙MAG焊接應(yīng)用于板厚30mm以上壓力容器焊接具有明顯優(yōu)勢(shì)。在合適的坡口及組對(duì)尺寸、合理的焊接工藝參數(shù)、混合氣體配比及層間清理?xiàng)l件下，窄間隙MAG焊接接頭機(jī)械性能好，尤其是沖擊韌性遠(yuǎn)高于常規(guī)的焊接方法，焊接層次分明，焊縫組織均勻，焊接熱影響區(qū)小，對(duì)母材的機(jī)械性能影響小，可作為大型厚壁壓力容器焊接的理想焊接方法。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第1卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]楊友民，王清波.熔化極三元混合氣體保護(hù)焊焊接16Mn鋼的研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，16（4）：51-56.

[3]林三寶，范成磊，楊春利.高效焊接方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Narrow gap MAG welding in the application of pressure vessel

WANG Qinghui1，TIAN Boqing2
（1.School of Management，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；2.China Petroleum First Construction Company，Luoyang 471023，China）

This paper described the advantages of narrow gap MAG welding method and domestic research status，combined with the current situation，expounding the advantage and research necessity of narrow gap MAG technology applicating on field welding thickness more than 30 mm pressure vessels;giving theory analysis for the factors which affect the promotion and application of narrow gap MAG welding，put forward the corresponding countermeasures and reasonable suggestions；conducted multi-set of tests about welding，ratio of gas mixture and welding process performance test，by the test results and data，verified the correctness verification of the technological measure，and drawn a reasonable conclusion，providing experience for narrow gap MAG welding technology applying to field-welding of commonly thick-wall pressure vessels.

narrow gap；MAG；pressure vessels；the field assembly welding

TG444+.72

B

1001－2303（2016）12－0101-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.22

獻(xiàn)

王慶暉，田波清.窄間隙MAG焊在壓力容器中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：101-103.

2016-10-27

王慶暉（1965—），男，河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事焊接技術(shù)的研究工作。