壓力容器焊接方法及其性能指標對比分析

張 霞 曹彬彬

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展，壓力容器的應用范圍越來越廣泛。在壓力容器制造過程中，焊接是影響其質(zhì)量的關鍵因素，焊接質(zhì)量直接決定了壓力容器的質(zhì)量等級和使用年限[1]。根據(jù)材料不同，焊接可分為碳素鋼焊接、低合金鋼焊接及不銹鋼焊接；根據(jù)焊接方法不同，又可分為焊條電弧焊、鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、埋弧焊、電渣焊、等離子弧焊及摩擦焊。目前壓力容器制造過程中使用的焊接方法主要有焊條電弧焊、鎢極氣體保護焊和埋弧焊，但新型的等離子弧焊正在壓力容器生產(chǎn)中嶄露頭角，因其成型好，生產(chǎn)效率高等特點正被越來越廣泛地應用。

等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎上發(fā)展起來的，是將自由鎢弧強化壓縮之后獲得電離度更高的電弧的焊接方法。等離子弧的能量密度較其他焊接方法高幾倍，采用等離子弧進行焊接，從而獲得高性能的焊接接頭。等離子弧焊具有能量密度高、加熱集中、熔透能力強、焊接速度高、熱影響區(qū)窄及焊接變形小等優(yōu)點。等離子弧電弧穩(wěn)定、擴散角小、挺直度好，容易獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，特別適用制造于鍋爐、壓力容器等對焊接接頭要求比較高的機械產(chǎn)品。但是由于等離子弧焊設備比較復雜，價格高[2]，目前應用仍不廣泛。采用試驗分析等離子弧焊、焊條電弧焊及埋弧焊焊接試件的抗拉強度、抗彎能力、生產(chǎn)效率等的差別，來獲得更加優(yōu)良的壓力容器焊接方法。

1 焊接設備及試驗材料

埋弧焊采用MZ-1000型焊機，焊條電弧焊采用ZX7-400型焊機，等離子弧焊采用PLA-WEL 501D和PT-501CP型焊機。試板規(guī)格為500 mm×260 mm×8 mm，試板材料為S30408，供貨狀態(tài)為固溶酸洗。其化學成分為：C為0.043%，Cr為18.09%，Ni為8.07%。其抗拉強度為692 MPa（GB/T 24511—2017《承壓設備》中規(guī)定抗拉強度不小于520 MPa）。焊接設備的試驗參數(shù)為：埋弧焊采用直流反接，焊接電流為550～600 A,焊接電壓為34～36 V，焊條焊接速度為50 cm/min，焊接線能量為28 kJ/cm；焊條電弧焊采用直流反接，焊接電流為110～160 A，焊接電壓為24～26 V，焊條焊接速度為15 cm/min，焊接線能量為25 kJ/cm；等離子弧焊采用直流反接，焊接電流為220～320 A，焊接電壓為16～25 V，焊條焊接速度為35 cm/min，焊接線能量為13 kJ/cm。力學性能試驗采用WAW-1000D微機控制電液伺服萬能試驗機，射線探傷機型號為XXH-3005。

2 試件性能試驗及分析

2.1 焊縫外觀檢查

焊縫外觀質(zhì)量的檢查項目為焊縫的余高，錯邊量，咬邊。在壓力容器使用過程中，焊縫承受交變載荷，因此余高趨向于零為宜，且應避免錯邊及咬邊的產(chǎn)生。經(jīng)過試驗得到焊條電弧焊的余高較大，實測值為2.8 mm；埋弧焊次之，實測值為1.5 mm，等離子弧焊焊縫余高最小，為0.5 mm。各焊接方法均未產(chǎn)生咬邊、錯邊及其他表面焊接缺陷。觀察焊縫的外觀后可知，等離子弧焊的焊縫整齊、美觀，焊縫的外觀質(zhì)量最優(yōu)。

2.2 焊縫無損檢測

無損檢測是壓力容器最重要的檢測方法，其不會破壞設備的完整性；各焊接方法均采用射線探傷和滲透探傷。射線探傷選用XXH-3005型探傷機，采用單壁單影法進行探傷檢測，焦距為700 mm，電壓為180 kV，電流為3 mA，曝光時間為3 min。滲透探傷采用Ⅱc-d型探傷劑，滲透時間及顯像時間均為10 min，采用目視檢測。經(jīng)過滲透檢測，三種焊接方法均未發(fā)現(xiàn)表面缺陷；進行射線探傷后，發(fā)現(xiàn)焊條電弧焊存在1 mm的氣孔，經(jīng)評定該試板可以滿足標準中的Ⅰ級合格要求，埋弧焊和等離子弧焊射線檢測均未發(fā)現(xiàn)缺陷，達到標準規(guī)定的Ⅰ級合格要求[3]。焊條電弧焊屬于手工焊的范圍，手工焊焊接受焊工的能力影響程度較大，重復性較低，因此焊條電弧焊焊接過程中易出現(xiàn)缺陷，而埋弧焊與等離子弧焊為機動焊，焊接過程中將設備參數(shù)調(diào)整到位后即可正常進行，重復性好，裝配精度高，受焊工水平影響小，可保證焊接質(zhì)量，因此未產(chǎn)生焊接缺陷。

2.3 焊縫拉伸試驗

拉伸試驗是表征焊接接頭力學性能的重要指標，所選S30408不銹鋼滿足GB/T 24511—2017規(guī)定，其抗拉強度Rm≥520 MPa。拉伸試樣的制備及力學性能評價執(zhí)行NB/T 47014—2011標準的要求。試樣制備過程如下：將余高去除，使之與母材齊平；試樣的厚度等于或接近試件母材厚度（8 mm），試樣寬度為20 mm，橫截面積為160 mm2。利用WAW-1000D微機控制電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗。

根據(jù)拉伸試驗結果可知，采用焊條電弧焊進行焊接的試樣，塑性斷裂位于焊縫處，其斷裂載荷為94.88 kN，抗拉強度為593 MPa；該強度滿足NB/T 47014—2011標準要求的母材為同一金屬材料代號時，抗拉強度應不低于標準規(guī)定的母材抗拉強度最低值[4]，即抗拉強度的下限值（520 MPa）。采用埋弧焊進行焊接的試樣，塑性斷裂于焊縫處，其斷裂載荷為85.28 kN，抗拉強度為533 MPa；該強度滿足NB/T 47014—2011標準要求的母材為同一金屬材料代號時，抗拉強度應不低于標準規(guī)定的母材抗拉強度最低值，即抗拉強度的下限值（520 MPa）。采用等離子弧焊進行焊接的試樣，塑性斷裂于母材處，其斷裂載荷為105 kN，抗拉強度為656 MPa；該強度滿足NB/T 47014—2011要求的母材為同一金屬材料代號時，抗拉強度應不低于標準規(guī)定的母材抗拉強度最低值即抗拉強度的下限值（520 MPa）。

通過三種焊接方法焊接得到的試件抗拉強度均能滿足標準要求的下限值，但通過試驗結果可以得到試件不同的抗拉強度，等離子弧焊的抗拉強度值最高（656 MPa），焊條電弧焊的抗拉強度值次之（593 MPa），埋弧焊的抗拉強度值最?。?33 MPa）。焊接接頭的力學性能主要與焊接接頭的組織形態(tài)有關，而焊接接頭的組織形態(tài)又與焊接過程的熱力學過程有關，焊接過程中的熱輸入情況決定了焊接過程的熱力學與動力學。焊接接頭可分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)，在不同的熱輸入條件下，各區(qū)得到不同的晶粒大小和晶粒度。隨著熱輸入的增加，晶粒尺寸逐漸增大，在焊接過程中晶粒粗化是影響力學性能的主要因素，組織形態(tài)對材料的材料力學性能也有一定程度的影響[5]。晶粒粗化是粗晶區(qū)發(fā)生脆化與軟化的主要原因；通過分析可知，隨著熱輸入增大，焊接接頭相同位置處的峰值溫度逐漸升高，并且在高溫停留的時間延長會促使晶粒長大、粗化[6]。

試件焊接的熱輸入情況為：埋弧焊為28 kJ/cm，焊條電弧焊為25 kJ/cm，等離子弧焊為13 kJ/cm。埋弧焊熱輸入高，形成的焊縫晶粒粗大，力學性能差；焊條電弧焊次之，等離子弧焊雖然熱輸入較小，但其線能量集中，電弧束集中，所以熱影響區(qū)較小，晶粒細，組織性能好，力學性能優(yōu)良。

2.4 焊縫彎曲試驗

彎曲試驗是表征焊接接頭塑性的參數(shù)，彎曲試樣的制備及評價應參照NB/T 47014—2011標準的要求。各種焊接方法的試樣分別取2個背彎和2個面彎，一共4個彎曲試樣，試樣厚度為8 mm，試樣寬度為38 mm，彎心直徑為32 mm。根據(jù)標準規(guī)定將彎曲試樣彎曲至180°，試驗后其拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)，沿任何方向均無單條長度大于3 mm的開口缺陷[4]。試驗結果表明，3種焊接方法焊接完成后材料的塑性均比較優(yōu)良。

3 結語

本文主要研究了壓力容器制造時常用的三種焊接方法：焊條電弧焊、埋弧焊及等離子弧焊。通過試驗分析了各種焊接方法成型焊縫的外觀質(zhì)量、無損探傷質(zhì)量及力學性能。等離子弧焊的焊縫外觀整齊、美觀。焊條電弧焊重復性差，受焊工技能影響嚴重，無法保證高強度作業(yè)的質(zhì)量，其他兩種焊接方法重復性好，焊接效率高，經(jīng)射線探傷后確認焊縫無缺陷、質(zhì)量優(yōu)良。埋弧焊熱輸入高，形成的焊縫晶粒粗大，力學性能差；焊條電弧焊次之；等離子弧焊雖然熱輸入較小，但其線能量集中，電弧束集中，則其熱影響區(qū)較小，晶粒細，組織性能好，力學性能優(yōu)良。通過對比分析焊條電弧焊、埋弧焊及等離子弧焊焊縫的各種性能后可知，等離子弧焊在各方面表現(xiàn)優(yōu)良，具有廣闊的應用前景。