壓力容器異種鋼焊接的缺陷與應(yīng)對措施

王爐 ，尹華偉 ，程歡，崔政，王文濤

（1.三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.重慶三峽學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，重慶 404000）

焊接在壓力容器的生產(chǎn)制造中，扮演著非常重要的角色，是壓力容器成形制造過程中一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)工藝。為了讓壓力容器擁有某些特定的性能，在一些部位會采用異種鋼材制造。與同種鋼相比，異種鋼焊接接頭由于母材化學(xué)成分存在差異，更容易產(chǎn)生焊接缺陷。因此，異種鋼的焊接難度大于同種鋼，在壓力容器成形加工時(shí)，需要遵循相關(guān)規(guī)定，綜合考慮焊接技術(shù)、工藝以及焊材等因素，以減少焊接不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷，從而提升焊接的質(zhì)量。

1 壓力容器異種鋼焊接接頭的特點(diǎn)

異種鋼焊接接頭按照兩側(cè)鋼材種類是否相同，可分為同類異種鋼接頭與異類異種鋼接頭，顯而易見的是，母材的化學(xué)成分都是不同的。其主要焊接特點(diǎn)如下：第一，化學(xué)成分的不均勻性。兩端母材和填充材料的金屬元素含量與焊接工藝的不同，致使焊接接頭各區(qū)域的化學(xué)成分發(fā)生改變。第二，組織的不均勻性。除母材和填充材料的化學(xué)成分是重要的影響因素外，組織的不均勻性還取決于焊接方法、焊接工藝等相關(guān)因素。第三，性能的不均勻性。由于接頭的化學(xué)成分分布不均，各區(qū)域的力學(xué)性能與物理化學(xué)性能也存在顯著差異。第四，焊接接頭各區(qū)域性能的差異，會導(dǎo)致殘余應(yīng)力分布不均維護(hù)，因而在異種鋼焊接時(shí)存在更多的不確定性因素。

上述異種鋼焊接接頭的不均勻性，導(dǎo)致焊接時(shí)易產(chǎn)生焊接缺陷，對壓力容器的后續(xù)使用留下了巨大的安全隱患。因此，分析各種缺陷產(chǎn)生的原因并采取合理的處理措施，對解決異種金屬焊接問題，保證壓力容器良好的使用質(zhì)量是相當(dāng)重要的。

2 常見焊接缺陷及產(chǎn)生原因

2.1 外觀缺陷

外觀缺陷通常指可肉眼觀測的缺陷。常見的有咬邊、焊接變形、燒穿、焊瘤等。咬邊的產(chǎn)生，主要是由于焊接參數(shù)選擇不合理與操作方法運(yùn)用不當(dāng)造成的。另外，當(dāng)焊絲與焊接中心偏離時(shí)，熔池停留時(shí)間過長，也會導(dǎo)致咬邊現(xiàn)象。對于焊接變形，通常是指被焊工件在焊接過程中由于熱量吸收不均勻，造成局部收縮或者舒張而產(chǎn)生的形狀尺寸變化。母材和焊縫金屬的材料性能、焊接接頭的設(shè)計(jì)以及制造工藝是主要影響因素。燒穿是指焊接時(shí)熔化深度超過母材自身厚度，被融化的金屬混合液從焊縫流出，并形成貫穿孔。焊接電流太大，或是運(yùn)弧速度太慢，都將導(dǎo)致燒穿。焊瘤則是運(yùn)條速度不均勻，造成局部熔池溫度較高，在重力的影響下金屬液體下滑導(dǎo)致缺陷形成。外觀缺陷的危害主要分為兩方面：一是增大母材在焊接時(shí)的無效截面積，導(dǎo)致設(shè)備的承載性能下降，同時(shí)，也容易在接頭附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，這是裂紋產(chǎn)生的重要原因之一；二是影響了設(shè)備或工件的美觀度。

2.2 內(nèi)部缺陷

內(nèi)部缺陷在壓力容器焊接時(shí)只能用無損探傷的方式檢測出來，可以分為氣孔、夾渣、未熔合、未焊透以及內(nèi)部裂紋等。氣孔缺陷是由于焊接時(shí)母材表面不干凈，或者外表存在少量的油污所致。此外，當(dāng)外界環(huán)境的濕度較大、焊接作業(yè)操作不標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也會導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。夾渣常在坡口邊緣等不平滑的位置出現(xiàn)，主要是由于運(yùn)條速度過快、電流過小以及運(yùn)行軌道不平穩(wěn)所致。未熔合或未焊透缺陷則是由于焊接電流過小、坡口設(shè)計(jì)不合理等原因，造成母材兩端不能完全融合在一起，從而產(chǎn)生一定的間隙而形成的，這兩種缺陷會顯著影響壓力容器的密封性。裂紋是焊接應(yīng)力以及其他致脆因素的共同作用破壞了部分金屬原子間的相互作用力，而產(chǎn)生縫隙并形成的兩個(gè)新界面。裂紋的產(chǎn)生，意味著承載面積顯著減少，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，會直接增大金屬材料發(fā)生斷裂的可能性，所以裂紋在壓力容器焊接中是最不容忽視的缺陷。

因此，為保證焊接質(zhì)量，在完成焊接或執(zhí)行相應(yīng)工序后，需要及時(shí)對焊件進(jìn)行檢測，排除內(nèi)部缺陷。

3 壓力容器異種鋼焊接缺陷的應(yīng)對措施

3.1 合理選擇焊接材料

為減少焊接缺陷的產(chǎn)生，防止焊件力學(xué)性能下降，合理選用焊接材料極為重要。選擇焊接材料時(shí)，可以根據(jù)母材的原始成分、設(shè)備性能以及焊接工藝參數(shù)選定。當(dāng)兩種異種鋼的金相組織相似時(shí)，焊接材料一般依據(jù) 低強(qiáng)度 原則選用，即焊接材料的選擇按照焊接性能較差的母材一方來確定。但是，在某些特殊情況下，為保證焊接質(zhì)量，會按照 高強(qiáng)度原則進(jìn)行選擇。當(dāng)兩端母材的金相組織相差較大時(shí)，需考慮填充材料在焊接時(shí)被母材稀釋后，焊接接頭性能能否得到保障，以此來選擇焊接材料。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果接頭的工作環(huán)境相對惡劣，優(yōu)先采用鎳基合金焊條，以減少碳遷移現(xiàn)象，改善接頭的力學(xué)性能。同時(shí)，焊材在選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù) 焊材管理規(guī)定 進(jìn)行篩選。焊接材料應(yīng)由相關(guān)部門分型號、類別進(jìn)行保管，確保焊材放置環(huán)境適宜，避免潮濕。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對焊材驗(yàn)收，對買回的焊材及時(shí)抽樣送檢，確保焊材合格。

3.2 合理選用焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)通常指焊接速度、電流、電壓等物理量，一般情況下，其大小可依據(jù)熔合比而擬定。對于異種鋼來說，熔合比不宜過大，在焊接時(shí)，通常使用的焊接電流較小，同時(shí)需要較快的焊接速度，還可以采用多層及多道焊的焊接形式。此外，如果母材的焊接性能較差時(shí)，需采用焊前預(yù)熱避免在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋，并將焊前預(yù)熱的相關(guān)參數(shù)，作為焊件的整體預(yù)熱工藝參數(shù)。總之，焊接工藝參數(shù)的選擇是否合理會直接影響焊接接頭的質(zhì)量，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，合理選擇。

3.3 適當(dāng)選用新型焊接技術(shù)

新型焊接技術(shù)由傳統(tǒng)焊接方法（熔焊、壓焊、釬焊）發(fā)展而來，有時(shí)也會賦以自動化技術(shù)來提升其工藝水平，如窄間隙埋弧焊、激光-電弧焊等。就傳統(tǒng)埋弧焊而言，它的焊接坡口相對較大，造成縫隙金屬填充量較多，也需要較大的焊接能量。窄間隙埋弧焊新技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)埋弧焊存在的焊接問題，也特別適用于壁厚較大的壓力容器焊接。對于電弧焊存在的強(qiáng)度低、效率低等問題，激光-電弧焊接技術(shù)巧妙地將激光焊與電弧焊相結(jié)合，從而復(fù)合形成了一種新的焊接方法。該方法不僅繼承了激光焊與電弧焊的優(yōu)點(diǎn)，而且還彌補(bǔ)了各自的不足，提高了焊接質(zhì)量與效率。當(dāng)然，不可否認(rèn)的是，新技術(shù)的應(yīng)用同樣也存在一些缺點(diǎn)，如窄間隙埋弧焊接后不易返修，激光-電弧焊易產(chǎn)生咬邊。因此，我們在選擇焊接技術(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮壓力容器的實(shí)際運(yùn)行狀況，選用適當(dāng)?shù)男滦秃附蛹夹g(shù)以提高焊接質(zhì)量。

3.4 嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程

焊接工藝規(guī)程是針對焊接作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)文件，也是展開焊接作業(yè)的重要基礎(chǔ)。焊接工藝規(guī)程是由經(jīng)驗(yàn)成熟的焊工結(jié)合生產(chǎn)條件、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制而成，確定了焊縫形式、坡口形式、焊接電流大小等方面內(nèi)容。焊接人員需針對焊縫的特點(diǎn)、產(chǎn)品的特有性能以及相應(yīng)的質(zhì)量要求，科學(xué)合理地制定焊接工藝規(guī)程，才能保障壓力容器的焊接質(zhì)量。

3.5 嚴(yán)格選用焊接人員

焊接操作人員的技能不熟練、經(jīng)驗(yàn)不足、操作不規(guī)范，將直接造成焊接缺陷的產(chǎn)生。為盡可能減少人為因素的焊接缺陷，對操作人員的選用可參考以下三點(diǎn)：（1）聘用具有國家承認(rèn)的相關(guān)證件的技術(shù)人員，持證上崗。（2）對聘用的焊接技術(shù)人員定期考核，不合格者應(yīng)再次學(xué)習(xí)直至合格才可開展焊接工作。（3）新老員工 一對一 上崗作業(yè)，讓新技術(shù)人員盡早掌握技術(shù)要領(lǐng)，同時(shí)，老員工對其做好素質(zhì)評價(jià)工作，不合格者給予解雇。

3.6 加強(qiáng)維護(hù)焊接設(shè)備

焊接設(shè)備是開展焊接作業(yè)的前提與基礎(chǔ)，如果焊接設(shè)備維護(hù)不當(dāng)，焊接工作將會直接受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的下降。以氣體保護(hù)焊為例，它的焊接設(shè)備主要由焊槍、電源、送氣裝置以及送絲機(jī)構(gòu)四部分組合而成。在實(shí)際工作中，若設(shè)備一直處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或者長期不保養(yǎng)，易出現(xiàn)如送絲機(jī)構(gòu)堵塞、焊絲導(dǎo)嘴堵塞等問題。此外，還應(yīng)注意氣瓶與管道連接是否牢固、泄壓閥工作是否正常等情況，謹(jǐn)防安全事故的發(fā)生。所以，為保護(hù)人員安全，保障焊接質(zhì)量，焊接設(shè)備需要由專人保管，定期維護(hù)，才能保證設(shè)備的良好性能。

3.7 確保完成非焊接工作

焊接前，應(yīng)檢查壓力容器的基本裝配情況，杜絕或盡量減少焊前裝配缺陷，若已存在外部形狀、尺寸缺陷，需及時(shí)調(diào)整。消除裝配缺陷后，應(yīng)清理接頭周圍的雜質(zhì)，并按照工藝設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)熱處理，防止焊接時(shí)，裂紋以及淬硬組織的形成。待焊接工作完成后，為排除內(nèi)部缺陷，應(yīng)對壓力容器開展無損探傷，檢查焊接接頭質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)語

異種鋼焊接具有較高的難度，加上自身成分的特殊性，更容易產(chǎn)生焊接缺陷從而造成質(zhì)量隱患。分析缺陷產(chǎn)生原因，通過合理選材，恰當(dāng)選用焊接參數(shù)，使用新型焊接技術(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，并且確保焊接人員操作熟練、焊接設(shè)備運(yùn)行良好等方面抑制異種鋼焊接缺陷的產(chǎn)生，確保焊接質(zhì)量。