袁炳立 趙 輝

（1.中國(guó)石化河南油田分公司第二采油廠，河南 南陽(yáng) 473400；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部上?；?，上海 200120）

壓力容器焊接技術(shù)研究

袁炳立1趙 輝2

（1.中國(guó)石化河南油田分公司第二采油廠，河南 南陽(yáng) 473400；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部上?；?，上海 200120）

針對(duì)壓力容器焊接的特點(diǎn)及存在的問題，介紹了手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊、電渣焊、激光焊、激光-電弧復(fù)合焊等焊接方法，并對(duì)壓力容器焊接技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

壓力容器；焊接技術(shù)；研究現(xiàn)狀；展望

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。焊接是壓力容器制造的關(guān)鍵工藝，它直接影響壓力容器的質(zhì)量、可靠性、生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本。隨著壓力容器向著高壓大型化、多用化的進(jìn)展，也促使焊接技術(shù)和工藝向優(yōu)質(zhì)化、高效化的發(fā)展。另一方面，如何提高焊接熔敷率，提高焊接機(jī)械化、自動(dòng)化程度以縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本也是壓力容器焊接亟待解決的問題。本文綜述了各種焊接方法在壓力容器焊接上的運(yùn)用，對(duì)國(guó)內(nèi)外壓力容器焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

1 壓力容器的焊接特點(diǎn)

從常規(guī)的低壓儲(chǔ)罐到高壓、超高壓的化工設(shè)備加氫反應(yīng)器、合成塔，大型核電站反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器，火電站鍋爐集箱和汽包等，壓力容器的服役條件從低溫到高溫、從負(fù)壓到超高壓、從強(qiáng)腐蝕強(qiáng)輻射到無腐蝕無輻射，其對(duì)使用材料及板材厚度的要求不盡相同。從而壓力容器焊接具有不同的焊接特點(diǎn)，具體表現(xiàn)如下：

（1）低合金高強(qiáng)鋼由于含有一定量的使鋼材強(qiáng)化的C、Mn、V、Nb等元素在焊接時(shí)易淬硬，在剛性較大或拘束應(yīng)力高的情況下，很容易產(chǎn)生冷裂紋，這種裂紋還具有一定的延遲性，危害極大。再者，由于焊接高溫使HAZ附近的C、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奧氏體中，焊后冷卻時(shí)來不及析出，而在PWHT時(shí)呈彌散析出，從而強(qiáng)化了晶內(nèi)，使應(yīng)力松弛時(shí)的蠕變變形集中于晶界，從而使焊接接頭在靠近熔合線粗晶區(qū)產(chǎn)生沿晶開裂。另外，焊接時(shí)線能量過小，HAZ會(huì)出現(xiàn)馬氏體引起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會(huì)造成接頭脆化。同時(shí)，焊接接頭HAZ由于焊接熱作用而導(dǎo)致的軟化如果處理不當(dāng)也會(huì)嚴(yán)重影響壓力容器的使用安全性及壽命。

（2）壓力容器的高壓大型化使得其壁厚大幅增加，焊接厚壁容器所帶來的焊件預(yù)熱、金相組織控制、焊縫跟蹤控制等，使現(xiàn)代壓力容器焊接技術(shù)對(duì)焊接機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的要求愈加的迫切。

2 壓力容器焊接技術(shù)

（1） 手 工 電 弧 焊（SMAW）。SMAW于1888年由俄羅斯人發(fā)明，是利用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。形成于焊條和工件之間的電弧熔化金屬棒和工件的表面，形成焊接熔池。同時(shí)，金屬棒上熔化的藥皮形成氣體和熔渣，保護(hù)焊接熔池不受周圍空氣的影響。受到單根焊條長(zhǎng)度的限制，手工電弧焊過程只能完成短焊縫的焊接，并且在焊縫焊完或在熔敷下個(gè)焊道前必須從焊道上清除熔渣。手工電弧焊設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活方便，能進(jìn)行全位置焊接適合焊接多種材料，但其焊縫熔深淺，生產(chǎn)效率低勞動(dòng)強(qiáng)度大，熔敷質(zhì)量取決于焊工的技術(shù)，因而其運(yùn)用在逐漸減少。

（2）埋弧焊（SAW）。SAW是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法，可分為單絲埋弧焊、多絲埋弧焊、帶極埋弧焊、冷絲及熱絲埋弧焊、添加合金粉末埋弧焊以及埋弧堆焊等。埋弧焊接時(shí)引燃電弧、送絲、電弧沿焊接方向的移動(dòng)及焊接收尾過程都由機(jī)械完成，使焊接過程的自動(dòng)化和機(jī)械化成為現(xiàn)實(shí)。埋弧焊開始發(fā)展于20世紀(jì)40年代后期，埋弧焊在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機(jī)械、核電設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，壓力容器焊接中主要用于拼板焊縫、筒節(jié)焊縫、筒節(jié)間相連接的環(huán)縫焊接等。其優(yōu)點(diǎn)為：熔深大生產(chǎn)效率高；焊縫金屬中雜質(zhì)較少，焊縫質(zhì)量高對(duì)焊接熔池保護(hù)較完善，較易獲得穩(wěn)定高質(zhì)量的焊縫；勞動(dòng)條件好，除了減輕手工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度外，電弧弧光埋在焊劑層下，沒有弧光輻射；適于大批量，較厚較長(zhǎng)的直線及較大直徑的環(huán)形焊縫的焊接。其缺點(diǎn)是：不及手工焊靈活，一般只適合于水平位置或傾斜度不大的焊縫；工件邊緣準(zhǔn)備和裝配質(zhì)量要求較高、費(fèi)工時(shí)；由于是埋弧操作，看不到熔池和焊縫形成過程，因此必須嚴(yán)格控制焊接規(guī)范。

（3）鎢極氣體保護(hù)電弧焊（TIG）。TIG 始于上世紀(jì) 30 年代， 是最早的氣體保護(hù)電弧焊方法，它是為了適應(yīng)活潑金屬（鋁、錳、鈦等）的焊接而產(chǎn)生的。TIG屬于非熔化極氣體保護(hù)焊，是利用高熔點(diǎn)的純鎢（或含有鎢的氧化物金屬）電極與工件之間的電弧使金屬融化而形成焊縫。焊接時(shí)鎢極不熔化，只起電極作用，電焊柜的噴嘴送進(jìn)惰性氣體（氬、氦或氬氦混合氣體）以隔絕空氣來保護(hù)電弧、 熔池及母材熱影響區(qū)，另外還可根據(jù)需要添加填充金屬。TIG主要用于焊縫密封性能和力學(xué)性能要求高的壓力容器焊接。其優(yōu)點(diǎn)是：熱輸入容易調(diào)節(jié)，焊接過程穩(wěn)定，焊接接頭保護(hù)效果好，焊后無需清渣，容易實(shí)現(xiàn)全方位和自動(dòng)焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的理想方法。其缺點(diǎn)是：焊前處理較麻煩，焊接接頭表面污物及氧化膜清除要求較高；熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)效率低；鎢極承載電流能力較差，過大的電流可能造成夾鎢污染，適宜薄板焊接；惰性氣體較貴，生產(chǎn)成本高；可能有放射性危害。

（4）熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）。GMAW可分為氬弧焊（MIG）、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（MAG）以及藥芯二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（FCAW）等。上世紀(jì)40年代，隨著焊接板厚度的增加，TIG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GMAW。GMAW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。

（5）等離子弧焊（PAW）。PAW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)外一種采用反極性電極鎖孔技術(shù)等離子弧焊（VPPAW）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)力變形小；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。

（6）電渣焊（ESW）。ESW是利用電流通過熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，凝固后形成金屬原子間牢固連接的焊接技術(shù)。其主要有熔嘴電渣焊、非熔嘴電渣焊、絲極電渣焊和板極電渣焊等。其優(yōu)點(diǎn)是：適合厚板焊接；焊縫成形系數(shù)調(diào)節(jié)范圍大；加熱均勻，冷卻速度慢，有預(yù)熱作用，冷裂傾向小，不易造成氣孔、夾渣、裂紋等工藝缺陷；焊劑耗量小。其缺點(diǎn)是：HAZ在高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，過熱現(xiàn)象較嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生粗大的焊接金屬顆粒以及差的斷裂韌性出現(xiàn)；焊后需熱處理或焊接過程中需添加特殊的金屬元素，才能改善韌性、細(xì)化晶粒。

（7）激光焊（LBW）。LBW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，HAZ金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所致的變形很?。豢珊覆馁|(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)（NGW）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HAZ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。這其中就包括：窄間隙焊條電弧焊（NG-SMAW）、窄間隙埋弧焊（NG-SAW）、窄間隙鎢極氬弧焊（NG-TIG）、 窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊（NG-GMAW）、窄間隙電渣焊（NG-ESW）、窄間隙激光焊（NG-LBW）等。

3 壓力容器焊接新技術(shù)

隨著壓力容器在石油化工、核能源、航空航天、軍工等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其功能要求越來越嚴(yán)苛，這就需要新的焊接技術(shù)也不斷推陳出新。

雙TIG焊、雙脈沖MIG焊是對(duì)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的改進(jìn)及創(chuàng)新。雙 TIG焊是在電源正負(fù)極上分別接上兩把常規(guī)TIG焊槍，電流從一把焊槍穿過工件流向另一把焊槍，然后在工件與兩把焊槍之間各分別建立一個(gè)電弧。雙TIG焊比傳統(tǒng)TIG焊電弧更加集中，熔深更大，厚板焊接的層數(shù)也更少，而且其HAZ更窄，焊后變形更小，不易產(chǎn)生裂紋。因此在保證焊接質(zhì)量的情況下也降低了成產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)率。雙脈沖MIG焊，用0.5-50Hz的低頻脈沖對(duì)單位脈沖的峰值和時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，使單位脈沖的強(qiáng)度在強(qiáng)和弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強(qiáng)弱脈沖群。雙脈沖MIG焊具有焊縫表面美觀，可焊接頭間隙范圍寬，降低氣孔發(fā)生率，細(xì)化焊縫晶粒，降低裂紋敏感性等優(yōu)點(diǎn)。

大功率激光器的出現(xiàn)，使得激光焊技術(shù)在厚壁壓力容器的焊接方面得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。相比于常用的CO2激光器，YAG激光器的功率得到了較大的提高。國(guó)外，法國(guó)F.Coste等人通過將2-3個(gè)YAG激光束耦合來提高光斑功率的辦法，采用多道焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了60mm厚不銹鋼的焊接；日本的X.D .Zhang等人采用6 kW的激光功率，在焊接速度0.4 m/min和送絲速度為5.5m/min時(shí)，共用8道焊道（純激光焊接和激光填絲焊）實(shí)現(xiàn)了50mm、316L鋼板的雙面對(duì)接焊接，均取得了性能良好的焊縫質(zhì)量。國(guó)內(nèi)由鞏水利等人率先將“雙光束激光焊接”技術(shù)引入到飛機(jī)制造中，在突破輕質(zhì)合金激光焊接填絲精度控制等關(guān)鍵技術(shù)后，于2013年10月獲得焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎(jiǎng)-布魯克獎(jiǎng)。

為了解決常規(guī)MIG焊不能采用純氬氣作為保護(hù)氣而效率低的問題，近年來激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)隨之而出現(xiàn)。這種焊接技術(shù)采用純氬氣作為保護(hù)氣體，在大功率激光使電弧熔池形成的小孔中充滿金屬蒸汽；另外激光使電弧的部分保護(hù)氣體電離而產(chǎn)生等離子體，這都將起到吸引電弧和引導(dǎo)電弧的作用，從而解決了電弧在純氬保護(hù)氣中極不穩(wěn)定、剛性差、難以控制的缺點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型高壓壓力容器的焊接技術(shù)、焊接設(shè)備與焊接材料都還處于研發(fā)階段，與世界先進(jìn)水平還有很大的差距。因此，要滿足我國(guó)大型高壓壓力容器生產(chǎn)建設(shè)的快速發(fā)展需求，就必須加大壓力容器焊接技術(shù)的投入，使焊接工作者具有較高的理論水平，操作技藝；加強(qiáng)同國(guó)外具有高焊接技術(shù)的國(guó)家與公司合作與交流，積極吸收他們的先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)再消化再發(fā)展；加快本土具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)焊接技術(shù)、智能焊接系統(tǒng)以及高性能焊接材料的研發(fā)，快速提升我國(guó)焊接行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，減輕對(duì)國(guó)外焊接技術(shù)的依賴。

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.100