耐热钢压力容器焊接技术研究

徐佳豪（沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳 100159）

耐热钢压力容器焊接技术研究

徐佳豪
（沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳 100159）

随着科学技术的不断进步，压力容器的工作参数也在大幅度的提升，使得压力容器的应用领域越来越广阔，在市场经济的竞争下，压力容器对焊接技术的要求也越来越高，近年来，我国的压力容器焊接技术已经逐渐迈向成熟，取得了显著的成绩。我国的压力容器在焊接技术方面采用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺以及焊接所使用的设备都具有高质量、高效率、低耗能、低污染的优点。其中耐热钢压力容器就是压力容器技术的一个先进代表，它的各方面应用技术都体现了压力容器的特点，具有很高的应用价值。

压力容器；焊接；技术

压力容器已经在石油化工、军事作业、能源工程、科研制造等领域广泛的应用，带动了这些领域的快速发展，焊接工艺是耐热钢压力容器制造过程中一项最重要的工艺，它对耐热钢压力容器的质量、生产成本、生产效率都有着直接的影响[1]。在现代化工业中，一些大型的工业基地使用的压力容器都趋于巨型化和多功能化，这对耐热钢压力容器的焊接技术要求越来越高。本文将对耐热钢压力容器的特点和焊接工艺进行具体的研究，使耐热钢压力容器的焊接技术能够发挥其最大的应用价值。

1 耐热钢压力容器的焊接性能

在普通的压力容器中一般使用普通的碳钢，这种碳钢压力容器焊接性能比较差，焊接的接头处容易被氧化，而且缺乏持久的强度。耐热钢压力容器是在普通的碳钢中加入一定含量的合金元素，这样就会使普通的碳钢的高温强度和持久强度增强，形成了合金耐热钢，压力容器中采用耐热钢材料，在不断地进行研究实验，为了改善耐热钢压力容器的焊接性能，在耐热钢压力容器的制造中一般将碳的含量控制在0.2%以内。

1.1 耐热钢压力容器焊接接头的要求

耐热钢压力容器的焊接工艺一般在高温、高压的条件下进行，所以对焊接接头有严格的要求，这样才能保证焊接工艺的安全有效运行，保证耐热钢压力容器环节的质量。耐热钢压力容器焊接接头性能应满足下列几点要求：

（1）焊接接头的等强性。耐热钢压力容器焊接接头既要具有和耐热钢压力容器自身材料基本相符的室温和高温短时强度，还要具备和耐热钢压力容器自身材料相接近的高温持久强度，这样才能保证焊接接头能在同一环境中稳固的焊接，保证焊接的质量；

（2）焊接接头的抗氢性和抗氧化性。耐热钢压力容器焊接接头应该具备与耐热钢压力容器自身材料基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。这样才能保证焊接接头的合金成分与耐热钢压力容器的合金成分一致，达到高强度的抗氧化性和抗氢性，保证了焊接接头处不被氧化；

（3）焊接接头的组织稳定性。耐热钢压力容器焊接接头在制造过程中，焊接接头要经受长时间进行热处理，并且在焊接接头的应用过程中将长期受高温高压的环境的刺激，使得焊接接头各个部分产生明显的组织变化，这将引起焊接接头的脆变或软化，从而使得焊接接头的强度变小，因此，在耐热钢压力容器焊接接头的制造中，一定要保证焊接接头组织的稳定性，这样才能在后期的焊接工艺中保证焊接的质量；

（4）接头的抗脆断性。耐热钢压力容器焊接工作虽然一直都在高温、高压的环境中进行，但是在耐热钢压力容器真正的投入使用中时，应用的环境却是常温常压，这就需要耐热钢压力容器在制造完工以后进行睡得冷处理，这样冷热刺激能够有效的增强耐热钢压力容器的抗脆断性，从而使得耐热钢压力容器能够更好地适应不同的工作环境。

1.2 耐热钢压力容器焊接的特点

耐热钢压力容器所使用的耐热钢中含有一定含量的合金元素，同时有含有一定量的微量元素，因此，耐热钢压力容器的焊接具有自身独特的焊接特点：

（1）耐热钢压力容器焊接的淬硬性。由于低合金耐热钢的主要合金元素是Cr 和Mo等，这些元素在氧化过程中都能提高钢的淬硬性。而且Mo元素的提高淬硬性的作用比Cr元素大近50 倍，这些元素能够有限的抑制钢在受热后冷却过程中的变质，提高了钢在过冷环境中的稳定性；

（2）耐热钢压力容器焊接的冷裂纹。由于Cr-Mo合金元素钢极易产生淬硬性，同时在焊接过程中焊缝区散发着高浓度氢和一定的焊接残余应力，这些因素的在共同作用下，耐热钢压力容器的焊接接头易产生氢，导致接头处出现裂纹，这种裂纹在高温、高压环境中极易发生，一般在热影响区以表面裂纹为主，在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的横向裂纹，同时也极有可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。但是在Cr-Mo合金元素钢焊接过程中存在的主要危险是冷裂纹；

（3）消除应力裂纹。在盈利裂纹的消除中，焊接接头会再次与高温下环境接触，因此会在高温下形成裂纹，这种裂纹叫做再热裂纹，Cr-Mo合金元素钢是再热裂纹敏感性钢种，一般敏感的温度范围在600℃左右。再热裂纹在耐热钢压力容器焊接过程中不被人们所重视，人们通常注重冷裂纹的防治。在耐热钢压力容器焊接过程中，当焊道的成形系数（熔宽与熔深比）小于1.2～1.3时，焊道中心极易产生热裂纹。这是由于窄而深的焊道在低熔点聚集在焊道中心时，由于焊接应力强烈作用，导致焊道中心产生热裂纹。因此，所有能够影响焊道成形系数的因素都会导致热裂纹的发生；

（4）耐热钢压力容器焊接的回火脆性。Cr-Mo合金元素钢及其焊接接头处在高温、高压的环境下，长期运行过程中，耐热钢压力容器会发生一定的脆变或者软化，这种独特的现象就是耐热钢压力容器焊接的回火脆性。

2 耐热钢压力容器焊接技术

耐热钢压力容器广泛使用于工业生产的多个领域。目前，耐热钢压力容器焊接技术也比较成熟。本文简要介绍以下几种焊接技术。

2.1 手工电弧焊技术

手工电弧焊的主要特点是必须通过手动操作来完成焊条的焊接。它的最明显的优点是焊接焊条上所融化的药皮会随空气氧化形成气体和熔渣。这样就有效地避免了周围空气对焊接熔池的不利影响，手工电弧焊的设备非常简单，便于携带与操作，手工电弧焊的使用范围也非常广，多种材料都可以由它单独焊接完成，焊接的方位也非常全面，在工业生产中很受欢迎。但是，手工电弧焊也有其自身无法克服的缺点。手工电弧焊的焊缝熔深非常浅，生产效率比其他焊接技术低下得多，手工电弧焊只能适用于短焊缝的焊接，主要是由于手工电弧焊主要适用于单根焊条焊接，而且对焊条的长度有严格的限制。在焊接完成后，必须采取人工手动的方式来清除熔渣，所以手工电弧焊的使用价值和效率都在降低。

2.2 埋弧焊技术

埋弧焊是一种通过燃烧实现焊接的技术。它主要是在焊剂层的下面。埋弧焊接相比于手工电弧焊机械化和自动化程度很高。在焊接过程中，送丝、引燃、焊接方位、收尾等工作都由机械操作完成。在耐热刚压力容器的焊接技术中主要适用于筒节焊缝、拼版等焊接材料中。埋弧焊的优点是：熔深达、焊缝中杂质少、效率高、质量好、劳动量小、无弧光辐射。但是，埋弧焊对水平位置、加工物件的边缘、装配质量和倾斜度都有严格的要求，灵活程度差[2]。埋弧焊接主要适用于大批量、厚而长的材料焊接。在焊接操作中，熔池和焊缝的形成都处于不明状态，焊接的质量主要靠规范的操作来保证。

2.3 熔化极气体保护焊技术

熔化极气体保护焊主要是利用电极间气体和高温电弧热作用的原理把焊丝和焊件的电弧融化供应给母材和焊丝。在持续不断地电弧融化中形成熔池和焊缝。熔化极气体保护焊主要分为氩弧焊和二氧化碳气体保护焊两种。它的优点是以焊丝作为电极，焊接的质量和过程都比较易于控制；熔深大；生产效率很高，对板材的厚度和部位没有特殊的要求，自动化的程度也比较高。但是，在焊接的过程中，电弧和电流的密度都比较大，光辐射比较严重，熔化极气体保护焊对环境的要求比较高，设备复杂程度高。熔化极气体保护焊主要适用于耐热合金、不锈钢、铜与铜合金等中厚板材中，在现实中主要适用于锅炉、桥梁、重型机械、核电站等工业生产中。

2.4 电渣焊技术

电渣焊是以电流熔渣作为热源的焊接技术。它的工作原理是在电流的作用下将熔渣融化来填充母材和金属，待熔渣冷却后将金属原子进行焊接。电渣焊主要适用于厚板材的焊接，而且它具有很强的预热与加热功能，在焊接过程中，焊接密度好，不会形成气孔和裂纹。但是电渣焊在高温下工作，容易出现过热现象。在操作的过程中，需要添加特殊材料来弥补其韧性差的特点。

3 耐热钢压力容器焊接新技术

耐热钢压力容器焊接技术已经在多个领域中发挥着重要的作用，例如在石油工业、军工、科研、航空航天等多个领域中广泛应用，因此，耐热钢压力容器焊接技术被越来越多的人所关注，人们对焊接技术的要求也逐渐提高，在多种因素的影响下，新的耐热钢压力容器焊接技术已经诞生了，现在介绍几种耐热钢压力容器焊接新技术。

3.1 双TIG 焊技术和双脉冲MIG焊技术

双TIG 焊技术和双脉冲MIG 焊技术是由传统焊接技术通过不断改进和创新得来的，它传承了传统焊接技术的优势，并改进了传统焊接技术中的缺陷[3]。双TIG 焊技术是将常规的TIG 焊枪进行电流连接的改进，使焊枪的电流就能够互相传输，在工件和两把焊枪之间建立独立的电弧，这样与传统的焊接技术相比，耐热钢压力容器焊接新技术能够使焊接熔深变大，变形量减小，焊接的成本大大减少，提高了耐热钢压力容器的焊接质量。而双脉冲MIG 焊技术是用低频率的脉冲来调制单位脉冲的峰值与脉冲时间，从而将单位脉冲的强度的大小在低频率咋脉冲中期内相互切换，最终形成周期性变化的强弱脉冲群，这样的脉冲群能够将焊接接头间的间隙变宽，使焊缝的晶粒平整细化，从而避免气孔的和裂纹的发生[4]。提高了耐热钢压力容器焊接的质量。

3.2 激光-电弧复合热源焊技术

激光-电弧复合热源焊技术是采用纯氩气作为保护气体，大功率激光的照射可以使电弧熔池中的小孔中充满金属蒸汽，而且将电弧的部分保护气体发生电离产生等离子体[5]。激光-电弧复合热源焊技术能够解决常规的MIG焊技术不能运用纯氩气来作为保护气而产生焊接效率低下的不足，同时在纯氩气作为保护气时，提高了电弧的稳定性和刚性，使电弧得到了有效的控制。

4 结束语

目前，我国的耐热钢压力容器的焊接技术还处在研究阶段，耐热钢压力容器所采用的设备和材料都在不断地完善，但与国外先进的耐热钢压力容器焊接技术相比，相差甚远。因此，为了加快我国大型耐热钢压力容器的生产建设能够在国内广泛应用，一定要加强耐热钢压力容器焊接技术的研究和使用，不断地学习国外先进的焊接技术，加强与国外焊接相关技术人员的沟通，提高焊接工人的理论知识和实际操作水平，使我国的耐热钢压力容器焊接技术逐渐区域完善，形成完善的耐热钢压力容器焊接技术理论，并在不断地实际操作中总结经验，从而降低我国对国外耐热钢压力容器焊接技术的依赖性，提高我国耐热钢压力容器焊接技术的竞争力量，将我国的焊接技术广泛的应用到各个领域。

[1]袁炳立,赵辉.压力容器焊接技术研究[J].中国新技术新产品,2014(04).

[2]耿海斌.复合钢板压力容器焊接技术研究现状的分析[J].科技传播,2013(20).

[3]王鑫,姜峰,索忠源,刘春鹏,邸鹰.浅谈我国钢制压力容器焊接新技术[J].金属功能材料,2014(05).

[4]杨雨.压力容器焊接接头低温韧性的改善技术[J].黑龙江科技信息,2014(33).

[5]何俊,张永和,张涛.电子束焊接技术在我国星船容器研制中的应用[J].航天制造技术,2010(04).

[6]雷毅,袁晓波,孙晓娜.面向压力容器焊接自动化技术的应用现状与展望[J].压力容器,2011(10).