王慶暉，田波清

（1.西安交通大學管理學院，陜西西安710049；2.中國石油天然氣第一建設有限公司，河南洛陽471023）

窄間隙MAG焊在壓力容器中的應用

王慶暉1，田波清2

（1.西安交通大學管理學院，陜西西安710049；2.中國石油天然氣第一建設有限公司，河南洛陽471023）

介紹窄間隙MAG焊接方法的優(yōu)點和國內研究現(xiàn)狀，結合當前形勢闡述窄間隙MAG焊接技術在板厚30 mm以上壓力容器現(xiàn)場組焊中的應用優(yōu)勢和研究的必要性；從理論上分析影響窄間隙MAG焊推廣應用的因素，提出相應的工藝對策及合理化建議；進行多組焊接試驗、混合氣體配比試驗及焊接接頭工藝性能試驗，試驗結果驗證了所選工藝及措施的正確性，為窄間隙MAG焊技術在常用厚壁壓力容器現(xiàn)場組焊中的應用提供經驗。

窄間隙；MAG；壓力容器；現(xiàn)場組焊

0 前言

窄間隙熔化極氣體保護焊具有適焊板厚大、焊接質量好、效率高、不需要層間清渣的特點，同時也是應用最廣泛的一類窄間隙焊接方法。長期以來，國內對熔化極氣體保護焊用于壓力容器采取不支持、不反對狀態(tài)，焊接材料缺少相應的標準支持，窄間隙MAG焊焊接技術處于技術研究狀態(tài)，缺乏工程實例支持；NB/T47018.3-2011的實施為窄間隙MAG焊在壓力容器組焊中的應用提供了標準支持。

近年來全球天然氣開發(fā)、生產和貿易日趨活躍，天然氣處理正在成為世界油氣工業(yè)和能源的新熱點，大需求量促使天然氣處理向大規(guī)模發(fā)展，隨著壓力和產量的提升，壓力容器制造向大規(guī)格、大壁厚發(fā)展將成為必然，焊接效率不足成為影響施工進度及施工質量的根本因素。窄間隙MAG焊接技術的開發(fā)為板厚30 mm以上壓力容器現(xiàn)場快速組焊創(chuàng)造了前提條件，如何確保該技術完美應用于板厚30 mm以上壓力容器現(xiàn)場快速組焊是研究的關鍵。

1 影響窄間隙MAG焊應用的因素

1.1 窄間隙MAG焊應用的技術難點

（1）與普通MAG焊一樣，窄間隙MAG焊同樣存在容易產生飛濺的問題，需要制定合理的焊接工藝和氣體配比。

（2）MAG焊接電弧張角較小，電弧集中作用在坡口底部，在較低的熱輸入下容易產生側壁熔合不良。

（3）難以消除缺陷。

1.2 影響因素分析及工藝對策

1.2.1 坡口及組對尺寸

坡口設計是窄間隙MAG焊應用的重要環(huán)節(jié)。窄間隙MAG焊采用多層焊接，焊縫成形系數(shù)[熔焊時，在單道焊縫橫截面上焊縫寬度（B）與焊縫計算厚度（H）的比值，φ=B/H]直接影響焊接接頭質量和熱裂紋敏感性。當焊縫成形系數(shù)小于1.3時，易形成窄而深的焊縫，在焊縫中心由于區(qū)域偏析會聚集較多的雜質，抗熱裂紋性能差，因此在兼顧保護氣噴嘴的同時，窄間隙MAG焊接坡口角度不能夠太小，而坡口角度太大又容易導致側壁熔合不良，甚至無法焊接。已有研究證明，適用于窄間隙MAG的坡口為組對后坡口最大間隙10～18 mm，坡口根部間隙超過8 mm時，根部焊道不容易產生熱裂紋，從裝備精度、焊接效率角度考慮，窄間隙MAG焊的根部間隙一般在8～10 mm為宜，而不是越小越好。

1.2.2 焊接電壓

與所有焊接方法一樣，電弧電壓對焊縫表面成形影響顯著，電弧電壓與電弧長度成正比，增大電弧電壓可以增大側壁熔深，減小焊縫熔深，有利于降低焊縫熱裂紋敏感性，但是電弧電壓的增加伴隨著電弧保護效果的降低，同時，過大的電弧電壓可能導致電弧張角過大，側壁較高位置會熔化較多的側壁金屬，凝固時產生下溢現(xiàn)象，造成咬邊和側壁較低位置的假熔合現(xiàn)象。

1.2.3 保護氣體

保護氣體的選擇對焊縫成形具有非常重要的影響。熔化極氣體保護焊采用純Ar保護進行鋼材焊接時，容易在焊縫中心呈深而窄的“指狀”熔深，在其兩側熔深較淺，還會因陰極斑點漂移引起電弧不穩(wěn)和咬邊傾向[1]。采用Ar+CO2混合氣體將提高噴射過渡臨界電流，電弧既具有氬弧焊的特點（電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺小、噴射過渡），又具有CO2的氧化性，可克服純Ar保護時表面張力大，液體金屬粘稠、易咬邊和斑點漂移問題，改善焊縫成形，形成弧形熔深。氬氣中加入少量氧氣可改善純氬氣焊接時的不良特征，但是加入氧氣會增加焊接飛濺，使窄間隙焊接條件惡化，氧氣的氧化性引起熔池金屬中硅、錳元素的燒損。采用Ar+CO2+O2三元混合氣體可獲得好的工藝效果，文獻[2]顯示，Ar+CO2+O2三元混合氣體焊接16Mn鋼時，焊縫沖擊韌性好，熔池的流動性和浸潤性好，熔滴細化，可提高焊接生產率。我國采用Ar+CO2和Ar+O2二元混合氣體較多，較少使用三元混合氣體。

1.2.4 焊接層間清理

對于窄間隙焊接，焊件壁厚（板厚）越厚，層間清理越困難，某一層焊接產生缺陷時，缺陷的清理工具及方法非常關鍵。目前，窄間隙焊機制造商的常規(guī)做法是使用扁鏟伸入坡口內鏟除缺陷，但是扁鏟是手動工具，效率低下，焊接層間清理成為制約窄間隙焊接高效性的一個重要因素。

2 窄間隙MAG焊接及焊縫接頭工藝性能試驗

2.1 坡口加工及焊前組對

焊接試驗選用Q345R鋼板，板厚δ=40 mm，坡口及組對尺寸如圖1所示。

圖1 坡口及焊前組對

2.2 焊接工藝參數(shù)

選擇橫焊位作為試驗位置，保護氣體為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％，焊絲為大西洋CHW-50C6R，直徑φ1.2 mm，單絲旋轉，焊接設備為唐山開元日立窄間隙MAG焊機，具體焊接工藝參數(shù)及焊接過程數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3 混合氣體配比試驗

采用多組Ar+CO2配比對38mm厚Q345R板采用窄間隙MAG進行焊接試驗，從電弧穩(wěn)定性、熔池形狀控制難易度、飛濺大小等方面綜合評價，試驗表明，混合氣體為φ（Ar）80％+φ（CO2）20％用于較厚板焊接能夠有效提高噴射過渡臨界電流。混合氣體配合比例試驗及結果如表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)及過程數(shù)據(jù)

表2 38 mm板混合氣體配合比例試驗

2.4 窄間隙坡口焊接層間清理

當板厚達30 mm以上時，窄間隙焊接的生產率明顯高于普通焊接方法[3]。板厚30 mm以上的窄間隙坡口具有窄而深的特點，手動角磨機無法滿足層間清理要求。通過研究，采用無齒鋸改裝一套可用于深坡口清理的工具，目前該裝置已申報專利。

2.5 焊接接頭工藝性能試驗

對焊接完畢的試件采用射線檢測保證焊縫質量，然后按照標準進行焊后熱處理。根據(jù)NB/T 47014的要求，在40 mm試件上取樣進行拉伸、彎曲、沖擊和宏觀金相等試驗，力學性能試驗結果見表3，宏觀金相形貌見圖2。由表3可知，采用上述工藝焊接的試樣力學性能符合材料標準要求，具有相當高的沖擊韌性，其沖擊韌性遠高于常規(guī)的焊接方法。

表3 力學性能試驗結果

圖2 窄間隙MAG焊接試樣宏觀金相形貌

圖2選取了2個金相試樣，從斷面形貌觀察均未發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷，裂紋、固體夾渣、未熔合及未焊透、形狀和尺寸不良以及其他缺欠，焊接熱影響區(qū)小，焊縫層次均勻，有利于焊縫金屬晶粒細化，提高焊縫機械性能。

3 結論

窄間隙MAG焊接應用于板厚30mm以上壓力容器焊接具有明顯優(yōu)勢。在合適的坡口及組對尺寸、合理的焊接工藝參數(shù)、混合氣體配比及層間清理條件下，窄間隙MAG焊接接頭機械性能好，尤其是沖擊韌性遠高于常規(guī)的焊接方法，焊接層次分明，焊縫組織均勻，焊接熱影響區(qū)小，對母材的機械性能影響小，可作為大型厚壁壓力容器焊接的理想焊接方法。

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第1卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]楊友民，王清波.熔化極三元混合氣體保護焊焊接16Mn鋼的研究[J].沈陽工業(yè)大學學報，1994，16（4）：51-56.

[3]林三寶，范成磊，楊春利.高效焊接方法[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

Narrow gap MAG welding in the application of pressure vessel

WANG Qinghui1，TIAN Boqing2
（1.School of Management，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；2.China Petroleum First Construction Company，Luoyang 471023，China）

This paper described the advantages of narrow gap MAG welding method and domestic research status，combined with the current situation，expounding the advantage and research necessity of narrow gap MAG technology applicating on field welding thickness more than 30 mm pressure vessels;giving theory analysis for the factors which affect the promotion and application of narrow gap MAG welding，put forward the corresponding countermeasures and reasonable suggestions；conducted multi-set of tests about welding，ratio of gas mixture and welding process performance test，by the test results and data，verified the correctness verification of the technological measure，and drawn a reasonable conclusion，providing experience for narrow gap MAG welding technology applying to field-welding of commonly thick-wall pressure vessels.

narrow gap；MAG；pressure vessels；the field assembly welding

TG444+.72

B

1001－2303（2016）12－0101-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.22

獻

王慶暉，田波清.窄間隙MAG焊在壓力容器中的應用[J].電焊機，2016，46（12）：101-103.

2016-10-27

王慶暉（1965—），男，河南洛陽人，高級工程師，碩士，主要從事焊接技術的研究工作。