压力容器异种钢焊接的缺陷与应对措施

王炉 ，尹华伟 ，程欢，崔政，王文涛

（1.三峡库区水环境演变与污染防治重庆市重点实验室；2.重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆 404000）

焊接在压力容器的生产制造中，扮演着非常重要的角色，是压力容器成形制造过程中一个关键的技术工艺。为了让压力容器拥有某些特定的性能，在一些部位会采用异种钢材制造。与同种钢相比，异种钢焊接接头由于母材化学成分存在差异，更容易产生焊接缺陷。因此，异种钢的焊接难度大于同种钢，在压力容器成形加工时，需要遵循相关规定，综合考虑焊接技术、工艺以及焊材等因素，以减少焊接不当产生的缺陷，从而提升焊接的质量。

1 压力容器异种钢焊接接头的特点

异种钢焊接接头按照两侧钢材种类是否相同，可分为同类异种钢接头与异类异种钢接头，显而易见的是，母材的化学成分都是不同的。其主要焊接特点如下：第一，化学成分的不均匀性。两端母材和填充材料的金属元素含量与焊接工艺的不同，致使焊接接头各区域的化学成分发生改变。第二，组织的不均匀性。除母材和填充材料的化学成分是重要的影响因素外，组织的不均匀性还取决于焊接方法、焊接工艺等相关因素。第三，性能的不均匀性。由于接头的化学成分分布不均，各区域的力学性能与物理化学性能也存在显著差异。第四，焊接接头各区域性能的差异，会导致残余应力分布不均维护，因而在异种钢焊接时存在更多的不确定性因素。

上述异种钢焊接接头的不均匀性，导致焊接时易产生焊接缺陷，对压力容器的后续使用留下了巨大的安全隐患。因此，分析各种缺陷产生的原因并采取合理的处理措施，对解决异种金属焊接问题，保证压力容器良好的使用质量是相当重要的。

2 常见焊接缺陷及产生原因

2.1 外观缺陷

外观缺陷通常指可肉眼观测的缺陷。常见的有咬边、焊接变形、烧穿、焊瘤等。咬边的产生，主要是由于焊接参数选择不合理与操作方法运用不当造成的。另外，当焊丝与焊接中心偏离时，熔池停留时间过长，也会导致咬边现象。对于焊接变形，通常是指被焊工件在焊接过程中由于热量吸收不均匀，造成局部收缩或者舒张而产生的形状尺寸变化。母材和焊缝金属的材料性能、焊接接头的设计以及制造工艺是主要影响因素。烧穿是指焊接时熔化深度超过母材自身厚度，被融化的金属混合液从焊缝流出，并形成贯穿孔。焊接电流太大，或是运弧速度太慢，都将导致烧穿。焊瘤则是运条速度不均匀，造成局部熔池温度较高，在重力的影响下金属液体下滑导致缺陷形成。外观缺陷的危害主要分为两方面：一是增大母材在焊接时的无效截面积，导致设备的承载性能下降，同时，也容易在接头附近产生应力集中，这是裂纹产生的重要原因之一；二是影响了设备或工件的美观度。

2.2 内部缺陷

内部缺陷在压力容器焊接时只能用无损探伤的方式检测出来，可以分为气孔、夹渣、未熔合、未焊透以及内部裂纹等。气孔缺陷是由于焊接时母材表面不干净，或者外表存在少量的油污所致。此外，当外界环境的湿度较大、焊接作业操作不标准时，也会导致气孔的产生。夹渣常在坡口边缘等不平滑的位置出现，主要是由于运条速度过快、电流过小以及运行轨道不平稳所致。未熔合或未焊透缺陷则是由于焊接电流过小、坡口设计不合理等原因，造成母材两端不能完全融合在一起，从而产生一定的间隙而形成的，这两种缺陷会显著影响压力容器的密封性。裂纹是焊接应力以及其他致脆因素的共同作用破坏了部分金属原子间的相互作用力，而产生缝隙并形成的两个新界面。裂纹的产生，意味着承载面积显著减少，当裂纹扩展时，会直接增大金属材料发生断裂的可能性，所以裂纹在压力容器焊接中是最不容忽视的缺陷。

因此，为保证焊接质量，在完成焊接或执行相应工序后，需要及时对焊件进行检测，排除内部缺陷。

3 压力容器异种钢焊接缺陷的应对措施

3.1 合理选择焊接材料

为减少焊接缺陷的产生，防止焊件力学性能下降，合理选用焊接材料极为重要。选择焊接材料时，可以根据母材的原始成分、设备性能以及焊接工艺参数选定。当两种异种钢的金相组织相似时，焊接材料一般依据 低强度 原则选用，即焊接材料的选择按照焊接性能较差的母材一方来确定。但是，在某些特殊情况下，为保证焊接质量，会按照 高强度原则进行选择。当两端母材的金相组织相差较大时，需考虑填充材料在焊接时被母材稀释后，焊接接头性能能否得到保障，以此来选择焊接材料。需要强调的是，如果接头的工作环境相对恶劣，优先采用镍基合金焊条，以减少碳迁移现象，改善接头的力学性能。同时，焊材在选择时，应当根据 焊材管理规定 进行筛选。焊接材料应由相关部门分型号、类别进行保管，确保焊材放置环境适宜，避免潮湿。同时，应加强对焊材验收，对买回的焊材及时抽样送检，确保焊材合格。

3.2 合理选用焊接工艺参数

焊接工艺参数通常指焊接速度、电流、电压等物理量，一般情况下，其大小可依据熔合比而拟定。对于异种钢来说，熔合比不宜过大，在焊接时，通常使用的焊接电流较小，同时需要较快的焊接速度，还可以采用多层及多道焊的焊接形式。此外，如果母材的焊接性能较差时，需采用焊前预热避免在焊接时产生裂纹，并将焊前预热的相关参数，作为焊件的整体预热工艺参数。总之，焊接工艺参数的选择是否合理会直接影响焊接接头的质量，应结合实际情况，合理选择。

3.3 适当选用新型焊接技术

新型焊接技术由传统焊接方法（熔焊、压焊、钎焊）发展而来，有时也会赋以自动化技术来提升其工艺水平，如窄间隙埋弧焊、激光-电弧焊等。就传统埋弧焊而言，它的焊接坡口相对较大，造成缝隙金属填充量较多，也需要较大的焊接能量。窄间隙埋弧焊新技术的应用解决了传统埋弧焊存在的焊接问题，也特别适用于壁厚较大的压力容器焊接。对于电弧焊存在的强度低、效率低等问题，激光-电弧焊接技术巧妙地将激光焊与电弧焊相结合，从而复合形成了一种新的焊接方法。该方法不仅继承了激光焊与电弧焊的优点，而且还弥补了各自的不足，提高了焊接质量与效率。当然，不可否认的是，新技术的应用同样也存在一些缺点，如窄间隙埋弧焊接后不易返修，激光-电弧焊易产生咬边。因此，我们在选择焊接技术时，应结合不同焊接方法的优缺点，考虑压力容器的实际运行状况，选用适当的新型焊接技术以提高焊接质量。

3.4 严格执行焊接工艺规程

焊接工艺规程是针对焊接作业的标准文件，也是展开焊接作业的重要基础。焊接工艺规程是由经验成熟的焊工结合生产条件、行业标准编制而成，确定了焊缝形式、坡口形式、焊接电流大小等方面内容。焊接人员需针对焊缝的特点、产品的特有性能以及相应的质量要求，科学合理地制定焊接工艺规程，才能保障压力容器的焊接质量。

3.5 严格选用焊接人员

焊接操作人员的技能不熟练、经验不足、操作不规范，将直接造成焊接缺陷的产生。为尽可能减少人为因素的焊接缺陷，对操作人员的选用可参考以下三点：（1）聘用具有国家承认的相关证件的技术人员，持证上岗。（2）对聘用的焊接技术人员定期考核，不合格者应再次学习直至合格才可开展焊接工作。（3）新老员工 一对一 上岗作业，让新技术人员尽早掌握技术要领，同时，老员工对其做好素质评价工作，不合格者给予解雇。

3.6 加强维护焊接设备

焊接设备是开展焊接作业的前提与基础，如果焊接设备维护不当，焊接工作将会直接受到影响，进而导致焊接质量的下降。以气体保护焊为例，它的焊接设备主要由焊枪、电源、送气装置以及送丝机构四部分组合而成。在实际工作中，若设备一直处于超负荷运转或者长期不保养，易出现如送丝机构堵塞、焊丝导嘴堵塞等问题。此外，还应注意气瓶与管道连接是否牢固、泄压阀工作是否正常等情况，谨防安全事故的发生。所以，为保护人员安全，保障焊接质量，焊接设备需要由专人保管，定期维护，才能保证设备的良好性能。

3.7 确保完成非焊接工作

焊接前，应检查压力容器的基本装配情况，杜绝或尽量减少焊前装配缺陷，若已存在外部形状、尺寸缺陷，需及时调整。消除装配缺陷后，应清理接头周围的杂质，并按照工艺设计要求进行预热处理，防止焊接时，裂纹以及淬硬组织的形成。待焊接工作完成后，为排除内部缺陷，应对压力容器开展无损探伤，检查焊接接头质量是否达标。

4 结语

异种钢焊接具有较高的难度，加上自身成分的特殊性，更容易产生焊接缺陷从而造成质量隐患。分析缺陷产生原因，通过合理选材，恰当选用焊接参数，使用新型焊接技术，严格执行焊接工艺规程，并且确保焊接人员操作熟练、焊接设备运行良好等方面抑制异种钢焊接缺陷的产生，确保焊接质量。