电子束焊接技术在承压设备制造中的应用分析①

徐 进

(南京市锅炉压力容器检验研究院)

随着经济的快速发展，承压设备的制造规模也在不断向着大型化发展。例如在炼化行业中加氢反应器单个设备净重已突破千吨级[1]；丁二醇BDO装置中核心设备的内径已超过6 000mm[2]。近些年一些稀有金属如锆、钽等，以其优异的耐腐蚀性不断被引入作为承压设备的主体材料[3]。我国目前在承压设备制造领域的主要问题是高端制造能力不足和低端产能过剩，新型高效焊接技术的引进更是缺乏。电子束焊接具有高能量密度、高熔透性、焊接变形量小、适用于焊接各类金属材料等优点[4～8]，在日本、德国等国家被广泛应用[9，10]。笔者结合国内外的研究现状，深入探讨了电子束焊接技术应用于承压设备领域的可行性。

1 电子束焊接技术

1.1 焊接原理

电子束焊接的原理主要依据电子束所产生的“匙孔效应”，即当高速电子束撞击工件金属表面时，电子的动能转化为热能，使焊接位置的金属表面达到极高的温度，从而导致金属汽化形成金属蒸气，由于蒸气的作用导致融化的金属向四周排挤，电子束继续撞击更深处的金属。随着焊接工件的移动，融化后的金属冷却后形成了完整焊缝结构。电子束焊接原理如图1所示。

图1 电子束焊接原理示意图

1.2 技术特点

电子束焊接过程是电子束通过聚焦在工件表面形成直径小于1mm的焦点，使得电子束的功率密度达到104～109W/cm2。高功率密度可以提高电子束焊接的焊接速度(100～180mm/s)、深宽比达到50∶1，最大允许焊接材料厚度可达300mm。电子束焊接过程采用激光定位，通过调节电场和磁场可以在焊接过程中随时准确定位焊接方位并调整熔池位置，实现焊接过程的精确可控。

电子束焊接厚壁材料时可以不用加工焊缝坡口；焊接过程不需要额外增加填充金属；焊接过程一次性完成。因此相比于需要填充金属的传统焊接方法，如手工焊、埋弧自动焊及钨极气体保护焊等具有无填充材料污染、焊接效率高和焊材成本低的技术优势。

由于电子束焊接是在真空环境中操作的，因而可以最大程度地避免焊缝熔池冷却过程中形成气泡和空气中的H、O、N元素对金属的危害。这些特点适用于焊接有色金属、活泼金属等特殊材料。

2 国内外技术应用现状

电子束焊接技术的出现最早应用于核工业、航空航天及军事等高科技领域，后逐步拓展至汽车、电子及能源等领域。20世纪60年代美国和德国率先将电子束焊接技术应用于工业领域，并生产了原型机。随后法国和日本也陆续将电子束焊接推广到化工、能源等领域。法国最先将电子束焊接应用于核设备中锰钢锅炉的纵缝焊接和热交换器的管子管板焊接。德国也开始研制直线型的电子束焊接设备，并陆续开发了焊缝焊接自动跟踪和电子束功率密度分布测试系统。日本的电子束焊接起步相对较晚，但对该技术高度重视，在压力容器制造领域大力推广。日立、川崎重工、东芝电气及三菱重工等公司均有将电子束焊接应用于压力容器的技术实例[11]。国内也于20世纪90年代开始将电子束焊接引入航空航天领域[12]，主要应用于焊接航空航天组件中发动机燃烧室、金属波纹管、燃料储箱及高压气瓶等部件[13]。目前尚未见到应用于承压设备部件制造或整体制造的应用实例。

3 电子束焊接在承压设备制造的应用分析

随着技术革新和产能提高，承压设备也在不断往精密化和重型化发展[14]。笔者主要针对在炼油、煤化工工艺中核心承压设备(如加氢反应器、气化炉以及有色金属制备的压力容器)来探讨电子束焊接的应用。

3.1 炼油承压设备应用分析

炼油工艺中加氢反应器是核心设备。反应器采用高强度、耐热性好的铬钼钢(12Cr1MoR、15CrMoR、14Cr1MoR等)作为主体材料，内部采用堆焊双层奥氏体不锈钢的形式。由于铬钼钢焊接性能较差，焊接过程需要对预热温度、焊接过程参数和焊后热处理过程严格控制。目前国内大型承压设备制造企业为保证焊接质量和经济性，多采用窄间隙埋弧自动焊的方法，焊接节点如图2所示。但是在实际制造过程中仍然存在由于焊接过程的控制不严格等问题造成的焊接缺陷，进而导致焊缝返修或在役过程中产生危害性缺陷导致的安全事故与经济损失。

图2 加氢反应器焊接节点示意图

根据电子束焊接技术的特点，将电子束焊接引入加氢反应器核心部件的制造将极大地降低制造成本，同时提高焊接质量。以下从3个方面进行分析：

a. 安全性，电子束焊接环境为真空环境，可以有效避免H、O、N等空气中杂质元素对焊缝质量的影响；同时由于无需焊材等填充金属，避免了S、P等有害元素融入所造成的焊缝强度降低和焊接缺陷形成。

b. 经济性，电子束焊接速度是传统焊接方法的几十倍，极大缩短产品的制造周期；同时无需焊材等填充金属，降低制造企业对高端焊材的依赖；此外，由于电子束焊接不需要制备相应特殊的焊接坡口，可有效提高材料的利用率并缩短材料预制的加工周期。

c. 操作性，由于加氢反应器结构尺寸偏大，可以考虑采用局部真空电子束焊接方法[15～17](图3)。采用局部真空处理，电子枪旋转定位焊接的技术。而诸如封头组对锻环等部件焊接工序，可采用全真空电子束焊接方法。此外因为电子束焊接工艺经评定合格后，实际生产为全自动焊接，可有效避免人工操作所引发的焊接质量问题。

图3 局部真空电子束焊接示意图

3.2 煤化工承压设备应用分析

荷兰壳牌粉煤加压气化SCGP工艺中的核心设备气化炉由于材料的特殊性和部件制造工艺复杂，使得该设备初期大量依赖于进口。其中气化炉外壳体中制造难度最大的是气体返回室的Y形结构(图4)的焊接制造。目前，国内制造企业多采用全手工电弧焊或自主研发的埋伏自动焊焊接方法。由于焊缝坡口形式不规整，使得焊接质量控制存在较高难度。如果出现焊缝缺陷需要二次返修，将大幅提高制造成本。

图4 壳牌气化炉返回室示意图

针对此处的焊接过程采用真空电子束焊接将会有效解决目前制造过程中的难题。气体返回室焊接坡口端面心形结构，可以通过激光定位保证焊接过程中焊缝成形位置。同时考虑到焊接过程焊缝需要持续预热和焊后热处理的问题，可以采用文献 [18～20]中所提出的利用电子束分时控制的技术(图5)，即利用电子束在磁场内发生偏转的特性，通过改变偏转线圈的励磁电流使磁场发生变化，实现束流的分时控制完成预热、焊接与后热处理的工艺过程，有效解决预热和后热处理的问题。

图5 电子束分时控制示意图

3.3 其他领域的应用分析

在醋酸、PTA和多晶硅行业中，承压设备主体材料多采用有色金属或有色金属与碳钢的复合材料，如：钛、镍、锆、钛复合板等。制造过程中存在大量有色金属焊接和异种钢焊接的情况。目前，制造企业多采用TIG或激光焊等先进焊接手段，但是焊接质量并未得到有效改善。电子束焊接在航空航天领域就被大量应用于有色金属和异种钢焊接工艺中[21，22]，其技术特点可以有效地保证有色金属焊后的强度和耐腐蚀性以及异种金属焊接过程熔池融合的问题。

4 存在的问题

电子束焊接技术特点突出，在部分领域的应用有技术优势。但是，目前电子束焊接也存在以下几个方面的问题有待解决：

a. 成本偏高。由于国产电子束焊接设备化技术尚不成熟，造成电子束焊接设备购置和运行维护成本高。同时焊接过程需要高素质专业人员进行操作，一定程度上提高了企业的用工成本。

b. 尺寸受限。电子束焊接工件需要放置在密闭真空环境中，受限于设备结构和大尺寸真空区域的制造成本，使得电子束焊接方法目前无法适用于压力容器全位置焊接。局部真空电子束焊接技术尚处于试验阶段，广泛应用于设备制造中还不成熟。

c. 安全防护。电子束焊接会产生X射线，对人体有严重伤害。承压设备制造过程劳动用工相对密集。因此需要对作业人员进行严格的健康防护。

d. 法规受限。电子束焊属于高能束焊接方法的一种，但此焊接方法未纳入NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》[23]。因此在国内使用电子束焊焊接承压设备，例如应用于固定式压力容器需要依据TSG 21-2016《固定式压力容器安全监察规程》[24]1.9条的规定报送国家质检总局进行技术评审，评审结果批准后方可应用于压力容器承压焊缝的焊接。

5 结束语

电子束焊接作为一种新型、高效的焊接方法在航空和军事领域被广泛应用。笔者通过分析电子束焊接方法的技术特点，并结合承压设备制造过程中尚难有效解决的问题，探讨了将电子束焊接方法引入承压设备制造的可行性。随着电子束焊接技术以及局部真空焊接技术的进一步发展，电子束焊接在承压设备制造中的应用必将得到进一步完善。

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