压力容器焊接方法及其性能指标对比分析

张 霞 曹彬彬

（泰安市特种设备检验研究院）

0 引言

随着现代工业不断发展，压力容器的应用范围越来越广泛。在压力容器制造过程中，焊接是影响其质量的关键因素，焊接质量直接决定了压力容器的质量等级和使用年限[1]。根据材料不同，焊接可分为碳素钢焊接、低合金钢焊接及不锈钢焊接；根据焊接方法不同，又可分为焊条电弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊、电渣焊、等离子弧焊及摩擦焊。目前压力容器制造过程中使用的焊接方法主要有焊条电弧焊、钨极气体保护焊和埋弧焊，但新型的等离子弧焊正在压力容器生产中崭露头角，因其成型好，生产效率高等特点正被越来越广泛地应用。

等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的，是将自由钨弧强化压缩之后获得电离度更高的电弧的焊接方法。等离子弧的能量密度较其他焊接方法高几倍，采用等离子弧进行焊接，从而获得高性能的焊接接头。等离子弧焊具有能量密度高、加热集中、熔透能力强、焊接速度高、热影响区窄及焊接变形小等优点。等离子弧电弧稳定、扩散角小、挺直度好，容易获得优质的焊接接头，特别适用制造于锅炉、压力容器等对焊接接头要求比较高的机械产品。但是由于等离子弧焊设备比较复杂，价格高[2]，目前应用仍不广泛。采用试验分析等离子弧焊、焊条电弧焊及埋弧焊焊接试件的抗拉强度、抗弯能力、生产效率等的差别，来获得更加优良的压力容器焊接方法。

1 焊接设备及试验材料

埋弧焊采用MZ-1000型焊机，焊条电弧焊采用ZX7-400型焊机，等离子弧焊采用PLA-WEL 501D和PT-501CP型焊机。试板规格为500 mm×260 mm×8 mm，试板材料为S30408，供货状态为固溶酸洗。其化学成分为：C为0.043%，Cr为18.09%，Ni为8.07%。其抗拉强度为692 MPa（GB/T 24511—2017《承压设备》中规定抗拉强度不小于520 MPa）。焊接设备的试验参数为：埋弧焊采用直流反接，焊接电流为550～600 A,焊接电压为34～36 V，焊条焊接速度为50 cm/min，焊接线能量为28 kJ/cm；焊条电弧焊采用直流反接，焊接电流为110～160 A，焊接电压为24～26 V，焊条焊接速度为15 cm/min，焊接线能量为25 kJ/cm；等离子弧焊采用直流反接，焊接电流为220～320 A，焊接电压为16～25 V，焊条焊接速度为35 cm/min，焊接线能量为13 kJ/cm。力学性能试验采用WAW-1000D微机控制电液伺服万能试验机，射线探伤机型号为XXH-3005。

2 试件性能试验及分析

2.1 焊缝外观检查

焊缝外观质量的检查项目为焊缝的余高，错边量，咬边。在压力容器使用过程中，焊缝承受交变载荷，因此余高趋向于零为宜，且应避免错边及咬边的产生。经过试验得到焊条电弧焊的余高较大，实测值为2.8 mm；埋弧焊次之，实测值为1.5 mm，等离子弧焊焊缝余高最小，为0.5 mm。各焊接方法均未产生咬边、错边及其他表面焊接缺陷。观察焊缝的外观后可知，等离子弧焊的焊缝整齐、美观，焊缝的外观质量最优。

2.2 焊缝无损检测

无损检测是压力容器最重要的检测方法，其不会破坏设备的完整性；各焊接方法均采用射线探伤和渗透探伤。射线探伤选用XXH-3005型探伤机，采用单壁单影法进行探伤检测，焦距为700 mm，电压为180 kV，电流为3 mA，曝光时间为3 min。渗透探伤采用Ⅱc-d型探伤剂，渗透时间及显像时间均为10 min，采用目视检测。经过渗透检测，三种焊接方法均未发现表面缺陷；进行射线探伤后，发现焊条电弧焊存在1 mm的气孔，经评定该试板可以满足标准中的Ⅰ级合格要求，埋弧焊和等离子弧焊射线检测均未发现缺陷，达到标准规定的Ⅰ级合格要求[3]。焊条电弧焊属于手工焊的范围，手工焊焊接受焊工的能力影响程度较大，重复性较低，因此焊条电弧焊焊接过程中易出现缺陷，而埋弧焊与等离子弧焊为机动焊，焊接过程中将设备参数调整到位后即可正常进行，重复性好，装配精度高，受焊工水平影响小，可保证焊接质量，因此未产生焊接缺陷。

2.3 焊缝拉伸试验

拉伸试验是表征焊接接头力学性能的重要指标，所选S30408不锈钢满足GB/T 24511—2017规定，其抗拉强度Rm≥520 MPa。拉伸试样的制备及力学性能评价执行NB/T 47014—2011标准的要求。试样制备过程如下：将余高去除，使之与母材齐平；试样的厚度等于或接近试件母材厚度（8 mm），试样宽度为20 mm，横截面积为160 mm2。利用WAW-1000D微机控制电液伺服万能试验机进行拉伸试验。

根据拉伸试验结果可知，采用焊条电弧焊进行焊接的试样，塑性断裂位于焊缝处，其断裂载荷为94.88 kN，抗拉强度为593 MPa；该强度满足NB/T 47014—2011标准要求的母材为同一金属材料代号时，抗拉强度应不低于标准规定的母材抗拉强度最低值[4]，即抗拉强度的下限值（520 MPa）。采用埋弧焊进行焊接的试样，塑性断裂于焊缝处，其断裂载荷为85.28 kN，抗拉强度为533 MPa；该强度满足NB/T 47014—2011标准要求的母材为同一金属材料代号时，抗拉强度应不低于标准规定的母材抗拉强度最低值，即抗拉强度的下限值（520 MPa）。采用等离子弧焊进行焊接的试样，塑性断裂于母材处，其断裂载荷为105 kN，抗拉强度为656 MPa；该强度满足NB/T 47014—2011要求的母材为同一金属材料代号时，抗拉强度应不低于标准规定的母材抗拉强度最低值即抗拉强度的下限值（520 MPa）。

通过三种焊接方法焊接得到的试件抗拉强度均能满足标准要求的下限值，但通过试验结果可以得到试件不同的抗拉强度，等离子弧焊的抗拉强度值最高（656 MPa），焊条电弧焊的抗拉强度值次之（593 MPa），埋弧焊的抗拉强度值最小（533 MPa）。焊接接头的力学性能主要与焊接接头的组织形态有关，而焊接接头的组织形态又与焊接过程的热力学过程有关，焊接过程中的热输入情况决定了焊接过程的热力学与动力学。焊接接头可分为焊缝区、熔合区及热影响区，在不同的热输入条件下，各区得到不同的晶粒大小和晶粒度。随着热输入的增加，晶粒尺寸逐渐增大，在焊接过程中晶粒粗化是影响力学性能的主要因素，组织形态对材料的材料力学性能也有一定程度的影响[5]。晶粒粗化是粗晶区发生脆化与软化的主要原因；通过分析可知，随着热输入增大，焊接接头相同位置处的峰值温度逐渐升高，并且在高温停留的时间延长会促使晶粒长大、粗化[6]。

试件焊接的热输入情况为：埋弧焊为28 kJ/cm，焊条电弧焊为25 kJ/cm，等离子弧焊为13 kJ/cm。埋弧焊热输入高，形成的焊缝晶粒粗大，力学性能差；焊条电弧焊次之，等离子弧焊虽然热输入较小，但其线能量集中，电弧束集中，所以热影响区较小，晶粒细，组织性能好，力学性能优良。

2.4 焊缝弯曲试验

弯曲试验是表征焊接接头塑性的参数，弯曲试样的制备及评价应参照NB/T 47014—2011标准的要求。各种焊接方法的试样分别取2个背弯和2个面弯，一共4个弯曲试样，试样厚度为8 mm，试样宽度为38 mm，弯心直径为32 mm。根据标准规定将弯曲试样弯曲至180°，试验后其拉伸面上的焊缝和热影响区内，沿任何方向均无单条长度大于3 mm的开口缺陷[4]。试验结果表明，3种焊接方法焊接完成后材料的塑性均比较优良。

3 结语

本文主要研究了压力容器制造时常用的三种焊接方法：焊条电弧焊、埋弧焊及等离子弧焊。通过试验分析了各种焊接方法成型焊缝的外观质量、无损探伤质量及力学性能。等离子弧焊的焊缝外观整齐、美观。焊条电弧焊重复性差，受焊工技能影响严重，无法保证高强度作业的质量，其他两种焊接方法重复性好，焊接效率高，经射线探伤后确认焊缝无缺陷、质量优良。埋弧焊热输入高，形成的焊缝晶粒粗大，力学性能差；焊条电弧焊次之；等离子弧焊虽然热输入较小，但其线能量集中，电弧束集中，则其热影响区较小，晶粒细，组织性能好，力学性能优良。通过对比分析焊条电弧焊、埋弧焊及等离子弧焊焊缝的各种性能后可知，等离子弧焊在各方面表现优良，具有广阔的应用前景。