压力容器焊接技术的研究及应用

王剑

摘要：压力容器在实际生产中不可或缺，是装备生产制造水平的重要量度。本文不仅总结了埋弧焊、手工电弧焊等一些传统焊接方法，而且介绍了等离子弧焊和激光复合焊接技术等新技术，并比较其优缺点，指出适用范围。

关键词：压力容器；焊接技术；激光复合焊

引言

压力容器在现代生产生活中扮演着重要角色，在石油化工工业、军工科研、能源工业等领域的作用都不容小觑。而压力容器制造的关键工艺师焊接，它决定着产品的质量、生产率、可靠性和生产成本。当前，压力容器逐渐向多用化高压化和大型化发展，这要求焊接技术和工艺也要向优质高效发展。另外，我国是钢产量大国，也是焊接大国，焊接主要应用领域是压力容器。所以，提高压力容器的焊接质量，提高焊接自动化程度，寻找焊接新技术，降低焊接成本迫在眉睫。本文描述了压力容器上的各种焊接方法，并对新技术进行了介绍。

1.压力容器焊接面临问题

压力容器的类型从低压到高压，再到超高压，工作环境从低温到高温，从强腐蚀到无腐蚀，从强辐射到无辐射，要求所用材料和板材类型和厚度不尽相同，对焊接工艺和技术的要求也多种多样，这使得压力容器的焊接具有如下问题：

1.1低合金高强钢含有C、Mn、Nb、V等元素，这些元素容易使强化后的钢材在焊接过程中发生淬硬，并且在刚性较大或者应力较高时产生冷裂纹，而且这种冷裂纹具有延迟性，危害很大。另外，HAZ附近的C、Cr、Nb等碳化物在焊接高温环境下固溶在奥氏体之中，等冷却之后不能及时析出，在PWHT阶段弥散析出，强化了晶粒，使得材料在应力减小时的蠕变变形集中在晶界区域，引发焊接接头在粗晶区沿晶体开裂。同时，HAZ在焊接线能量过小时出现马氏体引发裂纹，在线能量过大时，晶粒粗大导致接头脆化。最后，焊接热作用使得接头HAZ软化，若处理不当亦会影响压力容器的使用和其使用寿命。

1.2压力容器逐渐高压大型化，这使得容器壁厚也大幅度增加，厚壁容器的焊接带来很多问题，诸如预热焊件、跟踪控制焊缝、控制金相组织，这大大提高了现代压力容器的焊接技术，使其向智能化、自动化和机械化方向发展。

2.压力容器焊接技术

2.1 手工电弧焊

手工电弧焊即人工操纵焊条，在1888年由俄罗斯人发明。在焊条和工件之间形成焊接熔池，这时，焊接熔池受到金属棒上的熔化药皮生成的熔渣和气体的保护，不受周围空气影响。由于焊条长度有限，手工电弧焊只能焊接短焊缝，并且完成焊接后必须清除熔渣。手工电弧焊，操作简单灵活，适合多种材料，但是其焊缝质量不好控制，生产效率低下，这项技术正在渐渐减少。

2.2 埋弧焊

埋弧焊指的是电弧在焊剂层下燃烧并进行焊接的一种方法。埋弧焊在上世纪40年代开始发展起来，在锅炉、造船、桥梁、化工等设备中的应用最为广泛。在压力容器中的焊接，埋弧焊主要用在拼板焊缝和筒节焊缝以及筒节间环缝焊缝等。优点是：生产效率高，对焊接熔池保护好，焊缝金属杂质少，容易获得高质量焊缝；劳动强度低，没有弧光辐射；适用于大批量操作，较长较厚的直线或者大直径的环缝都适宜采用埋弧焊方法。缺点是：没有手工焊灵活；使用范围窄，一般只在水平位置或者低倾斜度的焊缝上；准备工件时间长，浪费工时；看不到焊缝和熔池形成的过程。

2.3 钨极气体保护电弧焊

钨极气体保护电弧焊开始于上世纪的30年代，产生于铝钛等活波金属的焊接，是最早的使用气体的的电弧焊方法。工作原理是利用高熔点的钨或其氧化物电极和工件间的电弧熔化金属形成焊缝。焊接时，钨极起电极作用，不熔化，电焊柜的从喷嘴喷出惰性气体来隔绝空气，从而来保护电弧和熔池，除此之外，还需要选择性添加金属。钨极气体保护电弧焊主要用在对焊缝的密封性和力学性能要求较高的压力容器上。优点是：容易调节热输入，焊接过程较为稳定，接头容易保护好，焊接之后不需要清理残渣，容易实现自动化全方位焊接。缺点是：前处理玛法，对接头的清洁度要求较高，钨极不能承载过大电流，不适合厚板焊接，惰性气体陈本高，有可能有放射性危害。

2.4 熔化极气体保护焊

熔化极气体保护焊可以分为氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和药芯二氧化碳气体保护焊等类型。上世纪40年代，钨极气体保护焊不能满足厚板的要求，尤其是导热性较强的金属厚板，熔化极气体保护焊应运而生。其原理是利用焊件和焊丝不同极性的电极之间的电弧来熔化焊丝和母材，从而形成熔池和焊缝。优点是：焊缝质量容易控制；不需要清理焊渣，生产效率高；可以焊接较厚的板材。缺点为：光辐射强；设备复杂；对环境的要求较高。

2.5 电渣焊

电渣焊利用熔渣流通电流时产生电阻热当作热源，熔化填充的母材和金屬，在凝固牢固连接金属原子。优点是：可用于厚壁压力容器焊接；加热均匀，工艺缺陷少；焊剂的消耗少。缺点是：如果要改善金属韧性或者细化晶粒，焊后需要热处理或者在焊接过程中添加特殊金属元素。

2.6 等离子弧焊

等离子弧焊的原理是利用等离子弧作为热源，电弧加热离解产生气体，高速通过水冷喷嘴的时候受到压缩，能量密度和理解度增大，形成等离子弧。优点是：穿透力强，可用于厚壁压力容器的焊接，焊接速度快，生产效率很高，应变小。缺点是：设备复杂，耗能大，成本高。

2.7 激光复合焊

激光焊的原理是激光束经过聚焦作为高功率密度的热源来进行焊接。优点是：焊前不需要开坡口，或者只开小角度的坡口，母材和焊丝的消耗少，金属熔化的体积小，经济高效；热输入低，HAZ小，焊后工件的残余应力和变形小，容易装配；前后焊道互相影响，提高了接头的断裂韧性等机械性能；容易实现生产自动化。

3.总结

目前我国虽然是焊接大国，但是并非焊接强国，焊接技术在大型高压压力容器的应用还处于研发阶段。要满足我国社会生产生活的迅速发展，就必须增大对压力容器焊接新技术研究的投入，提高技术水平，提升焊接行业在国际的竞争力。

参考文献：

[1]上海化工学院.压力容器国外技术进展（下册）[M].北京：通用机械研究所出版，1974.

[2]林尚扬，于丹，于静伟.压力容器焊接新技术及其应用[J].压力容器，2009，26（11）：1-6.