姬玉媛

唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北唐山063000

小型壓力容器MAG單面焊接雙面成型研究

姬玉媛

唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北唐山063000

本文針對目前小型壓力容器行業(yè)焊接實際情況，分析了保護(hù)氣體與焊接工藝穩(wěn)定性、焊縫成型、焊縫力學(xué)性能的關(guān)系，為小型壓力容器單面焊雙面成型工藝改進(jìn)提供了可靠的技術(shù)保證。陶瓷襯墊富氬MAG焊用于小型壓力容器的焊接加工，焊接接頭綜合性能優(yōu)于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，具有推廣應(yīng)用價值。

小型壓力容器;陶瓷襯墊;MAG焊

壓力容器是重要的基礎(chǔ)工業(yè)，體現(xiàn)著國家工業(yè)發(fā)展水平，因其典型特點是全焊結(jié)構(gòu)，所以，在壓力容器制造中焊接技術(shù)起到了決定性作用。近年來，我國各大鍋爐壓力容器制造廠的焊接技術(shù)實現(xiàn)了快速發(fā)展，焊接工藝裝備進(jìn)行了全面更新和改造，焊接工藝方法得到了很大程度的提升，焊接工藝總體水平已接近和達(dá)到了世界先進(jìn)水平。但是，由于不同地區(qū)之間焊接技術(shù)發(fā)展不平衡，有些地區(qū)壓力容器焊接技術(shù)更新較慢，方法比較滯后，有待進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)，以適應(yīng)當(dāng)前焊接技術(shù)的發(fā)展步伐。

1 小型壓力容器焊接技術(shù)

目前小型壓力容器焊接工藝方法仍然以焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊（半自動）為主。對于重要焊縫小直徑罐體板厚在20 mm以下采用TIG打底，CO2填充、蓋面；較大直徑罐體板厚在20 mm以下用焊條電弧焊打底，CO2填充、蓋面，反面碳弧氣刨清根，焊條電弧焊封底。例如：板厚為20 mm，內(nèi)徑1.2 m,長3 m的鍋爐，傳統(tǒng)的焊接工藝為采用焊條電弧焊先在正面施焊打底，二氧化碳填充和蓋面。焊完一面后用碳弧氣刨進(jìn)行清根。碳弧氣刨對工人的操作技術(shù)水平要求高，如果技術(shù)不高或操作不當(dāng)，極易出現(xiàn)滲碳、燒穿等焊接缺陷，從而嚴(yán)重影響后續(xù)焊接的質(zhì)量。此外，夾渣、氣孔、裂紋等焊接缺陷極易由清根不徹底產(chǎn)生。打磨后操作者鉆進(jìn)去封底焊另一面,焊接生產(chǎn)效率很低，焊工的技術(shù)水平制約了焊縫質(zhì)量，尤其在起弧、收弧處很容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷，焊接質(zhì)量難以保證。而采用TIG打底，CO2填充、蓋面，雖然焊縫質(zhì)量能夠保證，但由于鎢極耐熱能力有限，從而限制了焊接電流的選取，生產(chǎn)效率太低。

如果改為陶瓷襯墊MAG單面焊雙面成形焊接技術(shù)，即在富氬混合氣體保護(hù)下單面焊，由于射滴過渡、射流過渡及在小電流MAG焊短路過渡時焊接電弧燃燒都十分穩(wěn)定，電弧對熔滴的排斥力較小，保證了MAG焊短路過渡的飛濺量比CO2焊減少45%以上，這時幾乎徹底消除了焊接缺陷，原因為焊縫金屬熔化后充分結(jié)晶，將熔池中的雜質(zhì)全部隨焊渣浮出表面。由于MAG焊熔滴過渡均勻穩(wěn)定，使得焊縫成形更加美觀，大大提高了焊接工藝的合格率和焊接效率，全面改善了操作者的工作環(huán)境，使效率更高、質(zhì)量更好、成本更低。

2 焊接方法與壓力容器的質(zhì)量關(guān)系

在氣體保護(hù)焊中，焊縫成形、焊接工藝穩(wěn)定性和焊縫力學(xué)性能受保護(hù)氣體的影響很大。熔化極氣體保護(hù)焊已使用了十幾年，焊接工藝日趨成熟，但在焊縫外觀質(zhì)量上還存在問題。因此選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に嚪椒ǎ瑢μ岣弋a(chǎn)品質(zhì)量尤顯重要。

2.1 保護(hù)氣體與工藝穩(wěn)定性的關(guān)系

氣體保護(hù)電弧焊中，保護(hù)氣體與液態(tài)金屬之間的冶金反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體引發(fā)的氣體爆炸會形成飛濺。焊接時，大部分焊絲熔化以熔滴形式熔入熔池中，還有一部分焊絲熔化后飛向熔池之外形成飛濺[1]。特別是粗焊絲、大參數(shù)CO2氣體保護(hù)焊時，飛濺尤為嚴(yán)重[2]，飛濺率達(dá)到15%以上，幾乎無法進(jìn)行正常的焊接。飛濺不僅影響焊接質(zhì)量，降低焊接生產(chǎn)率，而且使焊工勞動條件變差。采用不同的保護(hù)氣體(Ar+CO2混合氣體和CO2)將生產(chǎn)中產(chǎn)品進(jìn)行試驗，評定工藝的穩(wěn)定性通過焊接過程中飛濺的多少來判別，由于保護(hù)氣體具有氧化性，焊接過程中，CO2在高溫條件下分解成CO與O2：

溫度達(dá)到2950℃以上時，CO2幾乎全部分解，液體金屬與氧氣直接接觸而產(chǎn)生兩種反應(yīng)，即：與Fe發(fā)生的氧化反應(yīng)：

由于鋼中不溶解CO氣體，并且這些氣體如果在熔池凝固前來不及逸出，就會在焊縫內(nèi)部形成氣孔。在電弧高溫作用下熔滴中的CO氣體急劇膨脹，發(fā)生的劇烈氣體爆炸則會引起飛濺。

保護(hù)氣體中，隨著Ar含量的增加，粘附在產(chǎn)品上的飛濺顆粒數(shù)量即焊接飛濺量會逐步減少，焊接工藝穩(wěn)定性則會逐步提高，用純Ar或富Ar混合氣體作保護(hù)氣體時，因焊接電弧電場強度較低，從而有利于電弧擴(kuò)張，產(chǎn)生跳弧現(xiàn)象，使得焊絲端頭成為鉛筆尖狀、電弧成為錐狀而形成射流過渡的特點。

在Ar+CO2混合氣體保護(hù)中，在CO2含量較少的情況下，盡管電場強度、跳弧電流增大了，但仍可保持射流過渡的狀態(tài)；在CO2或CO2含量較高的混合氣體保護(hù)時，由于分解CO2時需要吸收大量的熱，對電弧產(chǎn)生強烈的制冷作用，使電弧電場強度增加，則電弧難以膨脹，從而引起弧柱的縮緊，電弧力集中作用在熔池底部的某處表面上，對熔滴產(chǎn)生猛烈排斥作用，故而富Ar混合氣體作為保護(hù)氣體時，能有效地減少飛濺率[3]。

保護(hù)氣體為不同比例的Ar+CO2混合氣體時，氣體對飛濺率的影響關(guān)系如圖1?？梢姡?dāng)Ar含量超過80%以上時，飛濺率大大降低。

圖1 氣體混合比對飛濺率的影響Fig.1 Effect of gas mixing ratio on the splash rate

相關(guān)壓力容器生產(chǎn)企業(yè)對不同保護(hù)氣體的焊接進(jìn)行了飛濺情況對比試驗：

試板材質(zhì)：Q245R保護(hù)氣體：CO2，80%Ar+20%CO2焊材型號、規(guī)格：ER50-6、Ф1.2焊接電源：直流反接焊接工藝參數(shù)見表1

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Parameters of welding technology

試驗結(jié)果如圖2，通過外觀判斷焊接后工件飛濺狀況。

圖2 不同保護(hù)氣體飛濺情況Fig.2 Splash situation of different protective gas

試驗表明，MAG（80%Ar+20%CO2）焊接同CO2保護(hù)焊相比，飛濺顆粒數(shù)量及顆粒大小顯著減少，焊縫外觀更加平滑、美觀，如表2：

表2 混合氣體對飛濺的影響Table 2 Effect of mixed gas on spatter

2.2 保護(hù)氣體與焊縫成形的關(guān)系

CO2在常溫下穩(wěn)定，但在高溫條件下活躍，在電弧高溫作用下易分解成CO和O2，即：

分解出來的原子狀態(tài)的氧，氧化作用強烈，在電弧區(qū)大約有35%～55%的CO2發(fā)生分解，即在電弧氣氛中，同時有O、CO和CO2的存在。而原子狀態(tài)的氧在液態(tài)熔滴和焊接熔池表面與熔化金屬發(fā)生如下的氧化反應(yīng)，

在上述反應(yīng)產(chǎn)物中，MnO和SiO2浮于熔池表面成為熔渣，F(xiàn)eO則熔進(jìn)熔池繼續(xù)和其他元素反應(yīng)。

從氧化性分析，Ar+CO2混合氣體作為保護(hù)氣體比純CO2的要低很多，因此，采用純CO2保護(hù)氣焊接時Si、Mn等元素會大量氧化損失，損失率大約在30%以上，而采用Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊，由于CO2含量減少，冶金反應(yīng)減少，焊絲中的元素?fù)p失量也會大大減少；Ar+CO2混合氣體中氧占的百分含量減少，自然焊縫表面的氧化生成物量也會大幅度減少，焊縫外觀當(dāng)然比純CO2作為保護(hù)氣體焊接的平滑了；在使用純Ar保護(hù)條件下，因其是惰性氣體無冶金反應(yīng)，氣體全部溶入熔池，并且S、P等有害元素形不成熔渣，故而焊道成形不佳，焊縫表面較粗糙。當(dāng)加入CO2百分比達(dá)到15%后，焊縫表面粗糙程度顯著降低，焊縫表面粗糙度達(dá)到最低時Ar與CO2的配比為80：20，當(dāng)繼續(xù)提高CO2的含量時，焊縫外觀又會變得粗糙，也就是說在焊接表面成形上方面Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊比純二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的要好很多。

2.3 保護(hù)氣體與焊縫力學(xué)性能的關(guān)系

純氬作為保護(hù)氣體時，相等的電弧長度，其電弧電壓較低，產(chǎn)生的熱量較少，電弧穩(wěn)定性好，在焊接薄板時，不會發(fā)生燒穿現(xiàn)象。但如果焊接板厚超過6 mm時，由于熔透能力差，易發(fā)生未熔透現(xiàn)象，從而降低焊縫的力學(xué)性能，同時，由于氬氣沒有氧化性，焊接過程中不能去除焊縫在冶金過程產(chǎn)生的氫，存在氫脆傾向，降低沖擊韌性。

CO2氣體保護(hù)焊是利用CO2氣流的壓縮作用，使電弧的熱量集中，電弧穿透能力強，焊絲熔化速度快，熔深大，適用于熔滴短路過渡，熱影響區(qū)小，熱變形小，生產(chǎn)效率高[4]，適用于中厚板焊接。從冶金特性看，CO2對焊縫質(zhì)量的影響有雙重性，具有有利有害兩方面的影響。CO2在高溫下分解成O2和CO，O2又會分解成氧原子。其中，CO在焊接條件下不會熔于金屬，也不與金屬發(fā)生作用，但原子狀態(tài)的氧使鐵及其他合金元素迅速氧化[5]，生成FeO，MnO，SiO2，CO等。在快速凝固時，氣體和氧化物會有少量殘留在焊縫中，使焊縫金屬的強度、塑性和韌性明顯下降[6]。另一方面，由于氧原子的去氫作用，焊絲中Mn元素的脫硫作用，CO2氣體保護(hù)焊又能降低焊縫的氫脆和熱裂傾向。使產(chǎn)生裂紋的傾向減小，提高沖擊韌性和強度。

在焊接厚板超過6 mm的鋼板時，如果保護(hù)氣體是Ar和CO2的混合氣體，這樣既能降低氬弧焊中熔滴的黏性和表面張力，提高熱敷率，增加熔深，又能減小單純CO2氣體保護(hù)焊接中的飛濺，保留去氫脆、去硫脆的傾向，提高焊縫的力學(xué)性能。以下是對不同比例的保護(hù)氣體做了拉伸試樣和沖擊試樣，對焊縫外觀和內(nèi)在質(zhì)量也作了比較。

拉伸試驗是指在靜拉伸力作用下，對試樣進(jìn)行軸向拉伸，直到拉斷。根據(jù)拉伸試驗繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而計算出強度和塑性的性能指標(biāo)[7]。

試樣材料：45鋼，Φ12 mm，焊后進(jìn)行再結(jié)晶退火(570℃，保溫2 h)，然后車、磨到尺寸Φ(10±0.07) mm。

焊接工藝參數(shù)：

在Ar100%，Ar90%+CO210%，Ar80%+CO220%，Ar70%+CO230%，CO2100%保護(hù)氣體下焊接，分別焊接5件，焊絲型號為ER50-6，Φ12 mm，直流反接，電弧電壓為20～22 V，焊接電流為110～140 A。

試驗結(jié)果如下：Ar100%保護(hù)的焊接情況最差，有3個試樣沒焊透，另2個有明顯的小裂紋；Ar90%+ CO210%保護(hù)的焊接情況也較差，有2個試樣沒焊透，有1個試樣有小裂紋；CO2100%保護(hù)的焊縫晶粒細(xì)，焊透性好，有2件有明顯的氣孔。Ar80%+CO220%，Ar70%+CO230%混合氣體保護(hù)的焊接接頭斷口晶粒較細(xì)，焊透性好，力學(xué)性能最好。

沖擊試驗，金屬材料的沖擊韌度是通過沖擊試驗來測定的，試驗時將試樣安放在試驗機的機架上，使試樣的缺口位于兩支架中間，并背向擺錘的沖擊方向[8]。

在Ar100%，Ar90%+CO210%這兩種焊接，均存在沒焊透或有裂紋現(xiàn)象，沖擊韌性很差；CO2100%保護(hù)焊，焊縫晶粒細(xì)小，但有小裂紋，沖擊韌性較差，Ar70%+CO230%保護(hù)焊的5個試樣中的1件出現(xiàn)焊接問題，沒有焊透，只有Ar80%+CO220%混合氣體保護(hù)焊下的斷口和沖擊韌性值都很優(yōu)良。

試驗證明，力學(xué)性能要求不高時，可以使用CO2氣體保護(hù)焊。因為高氧化性的CO2保護(hù)焊會使焊接接頭力學(xué)性能降低。對于力學(xué)性能，特別是沖擊韌性要求高時．用Ar80%+CO220%的混合氣體保護(hù)焊效果最好。

3 小型壓力容器MAG焊試驗

3.1 試驗條件

對于直徑小于1000 mm，壁厚小于20 mm，長度小于3000 mm的小型罐體，過去一直采用焊條電弧焊或TIG打底，CO2填充和蓋面。由于焊條電弧焊受焊工技術(shù)的影響太大，很難實現(xiàn)單面焊雙面成形；TIG打底可以實現(xiàn)單面焊雙面成形，但其效率太低?，F(xiàn)改為陶瓷襯墊MAG單面焊雙面成形。罐體如圖3，坡口示意圖4。

所選焊機：NBK-350；焊絲型號及規(guī)格：ER50-6，Φ1.2 mm；極性：直流反接；保護(hù)氣體：Ar80%+CO220%；罐體尺寸：Φ800 mm×16 mm；材質(zhì)：Q245R；坡口：V型坡口，坡口角度60°士2.5°，根部間隙2～3 mm，鈍邊1～2 mm。

圖3 小型罐體Fig.3Asmall tank

圖4 坡口示意圖Fig.4 Schematic diagram of groove

本罐體直徑800 mm，總長2400 mm，壁厚16 mm,根據(jù)以上章節(jié)理論分析，擬采用陶瓷襯墊MAG單面焊雙面成型，焊接工藝參數(shù)如下：

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

3.2 工藝評定

焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中工藝方法、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)形式只要有變化，實際生產(chǎn)前都得進(jìn)行有針對性的工藝評定，本課題是焊接工藝方法進(jìn)行了改進(jìn)，所以需要工藝評定。

試件制備：

鋼板規(guī)格：600 mm×150 mm×16 mm

材質(zhì)：Q245 R

數(shù)量：2件

焊縫坡口形式：V型60°對接坡口，鈍邊2 mm

組對間隙2～3 mm

陶瓷襯墊：δ＝6 mm

襯墊規(guī)格：600 mm×50 mm

試件如圖5。

焊接工藝參數(shù)如表4所示：

圖5 試件Fig.5 Test piece

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters

3.3 焊接檢驗

壓力容器焊接檢驗包括外觀、無損檢測、力學(xué)性能試驗三個部分。外觀：主要檢查表面裂紋、單面焊根部未焊透、表面氣孔、單面焊根部未熔合、弧坑、單面焊根部凹陷、咬邊、焊腳、焊縫余高、焊腳差等；力學(xué)性能：是針對產(chǎn)品焊接試件，要進(jìn)行的拉伸、彎曲、沖擊韌性試驗；無損檢測：根據(jù)設(shè)計要求，進(jìn)行規(guī)定比例的射線、超聲、磁粉、滲透等檢測。對于本試驗，在外觀檢測合格的前提下進(jìn)行了力學(xué)性能試驗和無損檢測的射線檢測。

3.3.1 力學(xué)性能試驗力學(xué)性能試驗屬于破壞性檢驗，主要用來測定焊接接頭的強度、塑性、韌性和硬度等力學(xué)性能。按NB/T47014-2011承壓設(shè)備工藝評定要求制作拉伸試樣2個，橫向側(cè)彎試樣4個，沖擊試樣2組（焊縫和熱影響區(qū)）檢測結(jié)果如表5。

表5 力學(xué)性能試驗Table 5 Mechanical property test

經(jīng)檢驗，各項結(jié)果均符合要求，滿足焊縫所需各項性能要求。

3.3.2 射線檢測射線檢測從名稱來看就是利用射線檢測焊縫質(zhì)量的一種檢測方法。它是利用射線對物質(zhì)的穿透能力以及射線在穿透物質(zhì)過程中發(fā)生的衰減規(guī)律來發(fā)現(xiàn)物質(zhì)內(nèi)部缺陷的一種無損檢測方法。按JB/T4730進(jìn)行了射線檢測，無裂紋，合格。如圖6。

圖6 焊縫Fig.6 The welding seam

焊接質(zhì)量檢驗室保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、防止廢品出廠的重要措施。通過檢驗可以發(fā)現(xiàn)制造過程中發(fā)生的質(zhì)量問題，找出原因，消除缺陷，使新產(chǎn)品或新工藝得到應(yīng)用，質(zhì)量得到保證。

3.4 小型壓力容器陶瓷襯墊MAG單面焊雙面成形結(jié)果分析

由此，按照以上工藝對Φ800 mm×16 mm，材質(zhì)Q245R的罐體進(jìn)行了陶瓷襯墊MAG焊。經(jīng)過探傷檢測，焊縫質(zhì)量完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。由于MAG焊的線能量小，使得焊縫金屬組織晶粒細(xì)化，提高了焊縫的韌性；同時由于焊接線能量小，焊接接頭高溫停留時間短，熱影響區(qū)晶粒細(xì)小，使熱影響區(qū)的韌性也得到了改善；采用MAG焊焊縫表面光滑過渡，焊縫成形好，提高了焊縫的外觀質(zhì)量，從而減少了產(chǎn)品焊接時由于焊縫形狀而產(chǎn)生的缺陷；MAG焊由于采用的是小顆粒過渡形式，明顯減少了飛濺現(xiàn)象，不僅工件表面美觀減少了清理時間，而且焊接場地的衛(wèi)生狀況及工人的工作環(huán)境也得到了改善。

在此基礎(chǔ)上，廠家又進(jìn)行了共計50余件小型壓力容器陶瓷襯墊MAG焊，檢測結(jié)果如下：焊縫外形寬窄一致、余高均勻、過渡平滑，無咬邊、未焊透、裂紋等焊接缺陷。所有零件全部通過了X射線探傷檢驗，檢驗合格。

實際應(yīng)用表明：首批試制的高壓容器的焊接質(zhì)量符合設(shè)計要求，工藝方案完全適合于小型、中薄壁、細(xì)直徑高壓容器的焊接加工?，F(xiàn)已進(jìn)行了多個批次的焊接生產(chǎn)，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文通過理論分析，結(jié)合現(xiàn)場試驗，利用混合氣體作為保護(hù)氣體在小型壓力容器實際生產(chǎn)中，采用陶瓷襯墊MAG焊替代原來的CO2氣體保護(hù)焊，得出了單面焊雙面成形的工藝參數(shù)，總結(jié)了相關(guān)注意事項，經(jīng)過工藝評定，陶瓷襯墊MAG單面焊雙面成形工藝應(yīng)用于小型壓力容器的拼焊，生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接成本低和適用性強，該工藝方法在某些中型及大型企業(yè)生產(chǎn)小尺寸薄壁壓力容器方面已有應(yīng)用，本文為小型壓力容器焊接技術(shù)改進(jìn)提供了技術(shù)保證。

[1]葉琦.焊接技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:135

[2]陳裕川.焊工手冊[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2007:576

[3]嚴(yán)小生,區(qū)智明,丁江平,等.降低CO2氣體保護(hù)焊飛濺的研究[J].焊接,2005(5):13-14

[4]邱葭菲.焊接方法與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:78

[5]高衛(wèi)明.焊接工藝[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011:86

[6]鄒增大.焊接手冊第2卷[M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社,2007:48

[7]司衛(wèi)華,王學(xué)武.金屬材料與熱處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:3

[8]李煒新.金屬材料與熱處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:10

Study on Double-sided Molding of Small Pressure Vessel Welded with One-sided MAG

JI Yu-yuan
Tangshan Industry Polytechnic College,Tangshan 063000,China

This paper analysed the relationship between the shielding gas in welding process stability,formation of weld,the weld mechanical properties for welding conditions in the small pressure vessel industry at present to provide a reliable technical guarantee about welding process of one-side welding with back formation for the small pressure vessel.Ceramic liner MAG welding technology applies to small pressure vessel to be better than that of CO2gas shielded arc welding.It is worthy of popularization and application.

Small pressurevessel;ceramic liner;MAG welding

TG406

A

1000-2324(2015)03-0412-06

2014-11-10

2014-11-30

姬玉媛(1973-),女,漢族,河北省樂亭縣,副教授,工程碩士,研究方向:材料工程、機械工程等.E-mail:bangongshi1155@163.com