壓力容器制造中的焊接工藝與質(zhì)量控制研究

徐 波，王瑞敏

（山東魯潤熱能科技有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

0 引言

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備，其制造質(zhì)量直接關(guān)系到生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。焊接工藝與質(zhì)量控制是壓力容器制造過程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和需求的增加，對于焊接工藝和質(zhì)量控制的要求也日益提高[1]。在焊接工藝方面，合適的焊接材料選擇、焊接參數(shù)的確定以及焊接過程的控制都是影響焊接質(zhì)量的重要因素。通過研究不同焊接材料的性能及焊接參數(shù)的優(yōu)化，可以提高焊接接頭的強(qiáng)度和耐久性。在焊接過程中引入先進(jìn)的焊接監(jiān)測技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)，確保焊接過程的穩(wěn)定性和可控性[2]。

焊接工藝的優(yōu)劣直接決定了壓力容器的質(zhì)量和性能。從焊接材料的選取、焊接參數(shù)的確定和焊接過程的控制等方面，系統(tǒng)地研究了各項(xiàng)要求和關(guān)鍵技術(shù)[3]。同時(shí)，針對焊接過程中可能出現(xiàn)的各種焊接缺陷，如焊接熔合不良、焊縫裂紋和氣孔等問題，提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制方法和措施，以確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和可控性?；诖耍岢隽艘环N先進(jìn)的焊接工藝方案。該方案采用了先進(jìn)的焊接設(shè)備和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。同時(shí)，還引入了先進(jìn)的焊接監(jiān)測技術(shù)，在焊接過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)，以進(jìn)一步確保焊接過程的穩(wěn)定性和可控性。為驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，進(jìn)行了多組焊接實(shí)驗(yàn)，并對焊接接頭進(jìn)行了嚴(yán)格的非破壞性檢測和力學(xué)性能測試。結(jié)果表明，采用改進(jìn)方案焊接的接頭具有良好的焊接質(zhì)量和力學(xué)性能，完全滿足了壓力容器制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。對于提高壓力容器制造的焊接工藝和質(zhì)量控制水平具有一定的理論和實(shí)際意義。

1 焊接工藝的要求和影響因素

1.1 焊接工藝的重要性與影響因素

焊接工藝參數(shù)是指在焊接過程中選擇的各項(xiàng)工藝參數(shù)，包括焊接電流、電壓、焊接速度、焊接溫度、焊接時(shí)間、預(yù)熱溫度、熱輸入等方面的參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)置和控制直接影響到焊縫質(zhì)量和性能[4]。

焊接電流和電壓是決定焊縫形貌和焊接質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。焊接速度是指焊接頭在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離，對于保證焊縫尺寸和幾何形狀的一致性非常重要。焊接溫度和時(shí)間是決定焊接熱輸入和熔池深度的關(guān)鍵因素，對于保證焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能具有重要作用。熱輸入是指焊接過程中輸入到焊接部位的熱量，與焊接電流、電壓、焊接速度和焊接時(shí)間等參數(shù)有關(guān)，可以通過控制這些參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.2 焊接熱處理工藝

通過實(shí)際測得的化學(xué)成分由JMatPro 軟件算出鐵素體相向奧氏體相的轉(zhuǎn)變溫度如圖1 所示，然后以50 ℃為間隔設(shè)置4 種不同的熱處理溫度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程”以及實(shí)際工作情況，確定了保溫時(shí)間為2 h 下的720 ℃、770 ℃、820 ℃和870 ℃四種不同的熱處理溫度，具體的熱處理流程及參數(shù)如圖1 所示[5]。

圖1 不同熱處理溫度下的熱處理流程

1.3 焊接過程的溫度場與應(yīng)力場

焊接過程是金屬在高溫作用下不斷熔化的過程，焊接熱源隨焊絲位置的變化而改變，焊接接頭分為焊縫區(qū)（WZ）、熔合區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材區(qū)（BM），不同區(qū)域的金相組織與力學(xué)性能因受到不同溫度熱作用的影響而表現(xiàn)出不同的特征。焊接時(shí)距離熔池中心越遠(yuǎn)的點(diǎn)溫度越低，用式（1）表示單位焊縫長度上所受的能量及線能量qv：

式中：q為電弧熱功率，J/s；v為焊接速度，cm/s；U為電弧電壓，V；I為焊接電流，A；η為焊接熱效率，取0.85。

焊接過程中焊縫區(qū)先加熱到最高溫度，然后停留一段時(shí)間后開始冷卻，直至冷卻到室溫。從圖中可以看出焊接熱循環(huán)過程中的主要參數(shù)為：（1）焊接升溫速度；（2）熔池的最高溫度；（3）高溫停留時(shí)間；（4）冷卻速度。

焊接過程中熱輸入加熱不均勻會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)域的溫度分布不均勻，從而引起焊接接頭在冷卻過程中的不均勻變形和殘余應(yīng)力。當(dāng)焊縫區(qū)的溫度升高到母材熔點(diǎn)以上時(shí)，高溫會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)及其周圍區(qū)域急劇膨脹，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域則受高溫的影響較小，其溫度較低，從而對焊縫及近焊縫區(qū)域起到約束作用，使其處于壓縮狀態(tài)。這種不均勻的熱膨脹和壓縮狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致焊接試板在冷卻到室溫后發(fā)生不均勻的塑性變形，并產(chǎn)生不同大小的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。為了驗(yàn)證ABAQUS 模擬焊接接頭殘余應(yīng)力場分布的準(zhǔn)確性，在焊后未做熱處理前的焊接試板中隨機(jī)挑選一組，用盲孔法測量該試板焊縫處、熔合線處、距熔合線20 mm和40 mm 處的殘余應(yīng)力。

2 焊接工藝的選取

2.1 焊接材料的選擇

鐵素體不銹鋼具有焊接性能差、焊接接頭脆化嚴(yán)重和缺口敏感性高等缺點(diǎn)，但因其具有良好的耐腐蝕性、不銹性、良好的冷成型性和塑韌性而廣泛用于焦炭塔、分餾塔和硫磺回收裝置等壓力容器中。

2.2 焊接參數(shù)的確定與控制

在焊接過程中，合理的焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的好壞具有至關(guān)重要的影響。焊接在壓力容器的使用安全性和可靠性方面起著重要作用，優(yōu)化焊接參數(shù)（表1）及選擇合理的焊后熱處理工藝對于提高焊接接頭的力學(xué)性能具有重要意義。鐵素體不銹鋼的焊縫質(zhì)量受焊接熱輸入的影響，尤其是熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的晶粒尺寸受焊接熱輸入的影響十分明顯；焊接接頭的焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域以及晶粒尺寸都會(huì)隨著熱輸入的增大而變大，而過冷度隨之變小，導(dǎo)致柱狀晶粗化嚴(yán)重。

表1 焊接工藝參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

試驗(yàn)板材為冷軋態(tài)的鐵素體不銹鋼鋼板，尺寸為400 mm × 150 mm × 25 mm，十塊試板均從同一塊鋼板上截取，試驗(yàn)采用ZX7-500S 逆變式直流弧焊機(jī)對板材進(jìn)行焊接，焊條為該種材料焊接專用的Φ4 mm的鐵素體不銹鋼焊條，使用前在300 ℃下烘焙兩小時(shí)；焊接接頭示意圖如圖2 所示，正面18 道焊背面2道焊的焊接，板間距為2 mm；焊前未預(yù)熱，焊接時(shí)層間溫度控制在（150±5）℃，以相同的焊接工藝焊接五組試板，試板焊接完成后經(jīng)無損檢測均合格。

圖2 焊接接頭示意

3.1 金相試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”，對五組焊接完成后的試板采用TQY-06A 慢走絲線切割機(jī)從焊縫中心線開始沿垂直于焊縫方向截取，包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的金相試樣。金相試樣制作步驟如下：

（1）試樣的打磨及拋光：將試樣用環(huán)氧樹脂鑲嵌并晾干后，依次選用400、600、800、1000、1200、1500和2000 目的金相砂紙采用十字垂直交叉法對五組試樣的橫切面打磨；待試樣表面無明顯劃痕后采用MP-2 雙盤雙速磨拋機(jī)對五組試樣進(jìn)行拋光。拋光盤直徑200 mm，轉(zhuǎn)速500 r/min，同時(shí)配合紅絲拋光布并依次選用W2.5、W1.5、W0.5 的金剛石拋光膏。

（2）腐蝕：金相試樣的腐蝕溶液用FeCl3、HCl 和水溶液按3g∶10mL∶80mL 的比例配備而成，在室溫20 ℃下用棉花蘸取腐蝕劑輕輕擦拭6～7 次，直至表面亮度變暗后馬上用清水沖掉腐蝕液，再用無水酒精清洗表面，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干。

（3）觀測：將腐蝕好的試樣水平的放置在顯微鏡觀測臺上，使用4XC-MS 倒置光學(xué)顯微鏡，配合金相觀測軟件觀察五組試樣的焊縫區(qū)、粗晶區(qū)和母材區(qū)的顯微組織。光學(xué)顯微鏡目鏡倍數(shù)為X10，物鏡倍數(shù)為X5、X10、X20、X40、X100；選用的放大倍數(shù)為200 倍。

3.2 拉伸和彎曲試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)要求”，用TQY-06A 慢走絲切割機(jī)對五組試板按照尺寸制取拉伸和彎曲試樣，彎曲試驗(yàn)尺寸參數(shù)見表2，在WAW-1000B 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，拉伸速度為3.0 mm/min。

3.3 焊接應(yīng)力場試驗(yàn)

焊接過程中由于經(jīng)歷二次結(jié)晶、熱脹冷縮等現(xiàn)象產(chǎn)生較大的應(yīng)力場。如圖3 所示，盲孔法是一種常用的測量焊接應(yīng)力場的方法之一，原理是通過在焊接件上鉆一個(gè)孔，并在孔內(nèi)安裝一個(gè)應(yīng)變計(jì)或者應(yīng)變片，測量孔內(nèi)的應(yīng)變變化，從而推算出周圍的應(yīng)力場分布情況。

圖3 焊接過程信息采集

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用分析

鋼是一種常用于-70 ℃級低溫壓力容器，液化氣體儲罐、液氧儲罐、液氮儲罐等。在制造壓力容器時(shí)，常常需要將不同的構(gòu)件焊接在一起，以形成完整的容器。為了確保焊接接頭的質(zhì)量和安全性符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該研究焊接工藝和熱處理對焊接接頭性能的影響，以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。通過在試板上鉆孔，釋放該區(qū)域的應(yīng)力，打破原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)并釋放相應(yīng)的應(yīng)變。盲孔法試驗(yàn)的原理，假設(shè)焊接試板表面的材料性能為各向同性，并且應(yīng)力場表示。釋放應(yīng)變的數(shù)值大小與材料本身的彈性模量以及材料所受到的剛性約束有關(guān)。通過利用0°、45°和90°三個(gè)方向的應(yīng)變計(jì)算盲孔3 個(gè)方向的釋放應(yīng)變。

4 結(jié)語

以壓力容器制造為研究對象，探討了焊接工藝與質(zhì)量控制的相關(guān)問題。首先，介紹了壓力容器的制造背景和重要性，指出了焊接工藝在制造過程中的關(guān)鍵地位。接著，從焊接材料的選取、焊接參數(shù)的確定和焊接過程的控制等方面，詳細(xì)闡述了焊接工藝的要求和影響因素。為驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，進(jìn)行了多組焊接實(shí)驗(yàn)，并對焊接接頭進(jìn)行了嚴(yán)格的非破壞性檢測和力學(xué)性能測試。結(jié)果表明，采用改進(jìn)方案焊接的接頭具有良好的焊接質(zhì)量和力學(xué)性能，滿足了壓力容器制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。對于提高壓力容器制造的焊接工藝和質(zhì)量控制水平具有一定的理論和實(shí)際意義，對于相關(guān)行業(yè)的工程師和研究人員具有一定的參考價(jià)值。