徐 進(jìn)

(南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，承壓設(shè)備的制造規(guī)模也在不斷向著大型化發(fā)展。例如在煉化行業(yè)中加氫反應(yīng)器單個(gè)設(shè)備凈重已突破千噸級(jí)[1]；丁二醇BDO裝置中核心設(shè)備的內(nèi)徑已超過(guò)6 000mm[2]。近些年一些稀有金屬如鋯、鉭等，以其優(yōu)異的耐腐蝕性不斷被引入作為承壓設(shè)備的主體材料[3]。我國(guó)目前在承壓設(shè)備制造領(lǐng)域的主要問(wèn)題是高端制造能力不足和低端產(chǎn)能過(guò)剩，新型高效焊接技術(shù)的引進(jìn)更是缺乏。電子束焊接具有高能量密度、高熔透性、焊接變形量小、適用于焊接各類(lèi)金屬材料等優(yōu)點(diǎn)[4～8]，在日本、德國(guó)等國(guó)家被廣泛應(yīng)用[9，10]。筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，深入探討了電子束焊接技術(shù)應(yīng)用于承壓設(shè)備領(lǐng)域的可行性。

1 電子束焊接技術(shù)

1.1 焊接原理

電子束焊接的原理主要依據(jù)電子束所產(chǎn)生的“匙孔效應(yīng)”，即當(dāng)高速電子束撞擊工件金屬表面時(shí)，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接位置的金屬表面達(dá)到極高的溫度，從而導(dǎo)致金屬汽化形成金屬蒸氣，由于蒸氣的作用導(dǎo)致融化的金屬向四周排擠，電子束繼續(xù)撞擊更深處的金屬。隨著焊接工件的移動(dòng)，融化后的金屬冷卻后形成了完整焊縫結(jié)構(gòu)。電子束焊接原理如圖1所示。

圖1 電子束焊接原理示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

電子束焊接過(guò)程是電子束通過(guò)聚焦在工件表面形成直徑小于1mm的焦點(diǎn)，使得電子束的功率密度達(dá)到104～109W/cm2。高功率密度可以提高電子束焊接的焊接速度(100～180mm/s)、深寬比達(dá)到50∶1，最大允許焊接材料厚度可達(dá)300mm。電子束焊接過(guò)程采用激光定位，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以在焊接過(guò)程中隨時(shí)準(zhǔn)確定位焊接方位并調(diào)整熔池位置，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的精確可控。

電子束焊接厚壁材料時(shí)可以不用加工焊縫坡口；焊接過(guò)程不需要額外增加填充金屬；焊接過(guò)程一次性完成。因此相比于需要填充金屬的傳統(tǒng)焊接方法，如手工焊、埋弧自動(dòng)焊及鎢極氣體保護(hù)焊等具有無(wú)填充材料污染、焊接效率高和焊材成本低的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

由于電子束焊接是在真空環(huán)境中操作的，因而可以最大程度地避免焊縫熔池冷卻過(guò)程中形成氣泡和空氣中的H、O、N元素對(duì)金屬的危害。這些特點(diǎn)適用于焊接有色金屬、活潑金屬等特殊材料。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

電子束焊接技術(shù)的出現(xiàn)最早應(yīng)用于核工業(yè)、航空航天及軍事等高科技領(lǐng)域，后逐步拓展至汽車(chē)、電子及能源等領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代美國(guó)和德國(guó)率先將電子束焊接技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，并生產(chǎn)了原型機(jī)。隨后法國(guó)和日本也陸續(xù)將電子束焊接推廣到化工、能源等領(lǐng)域。法國(guó)最先將電子束焊接應(yīng)用于核設(shè)備中錳鋼鍋爐的縱縫焊接和熱交換器的管子管板焊接。德國(guó)也開(kāi)始研制直線(xiàn)型的電子束焊接設(shè)備，并陸續(xù)開(kāi)發(fā)了焊縫焊接自動(dòng)跟蹤和電子束功率密度分布測(cè)試系統(tǒng)。日本的電子束焊接起步相對(duì)較晚，但對(duì)該技術(shù)高度重視，在壓力容器制造領(lǐng)域大力推廣。日立、川崎重工、東芝電氣及三菱重工等公司均有將電子束焊接應(yīng)用于壓力容器的技術(shù)實(shí)例[11]。國(guó)內(nèi)也于20世紀(jì)90年代開(kāi)始將電子束焊接引入航空航天領(lǐng)域[12]，主要應(yīng)用于焊接航空航天組件中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、金屬波紋管、燃料儲(chǔ)箱及高壓氣瓶等部件[13]。目前尚未見(jiàn)到應(yīng)用于承壓設(shè)備部件制造或整體制造的應(yīng)用實(shí)例。

3 電子束焊接在承壓設(shè)備制造的應(yīng)用分析

隨著技術(shù)革新和產(chǎn)能提高，承壓設(shè)備也在不斷往精密化和重型化發(fā)展[14]。筆者主要針對(duì)在煉油、煤化工工藝中核心承壓設(shè)備(如加氫反應(yīng)器、氣化爐以及有色金屬制備的壓力容器)來(lái)探討電子束焊接的應(yīng)用。

3.1 煉油承壓設(shè)備應(yīng)用分析

煉油工藝中加氫反應(yīng)器是核心設(shè)備。反應(yīng)器采用高強(qiáng)度、耐熱性好的鉻鉬鋼(12Cr1MoR、15CrMoR、14Cr1MoR等)作為主體材料，內(nèi)部采用堆焊雙層奧氏體不銹鋼的形式。由于鉻鉬鋼焊接性能較差，焊接過(guò)程需要對(duì)預(yù)熱溫度、焊接過(guò)程參數(shù)和焊后熱處理過(guò)程嚴(yán)格控制。目前國(guó)內(nèi)大型承壓設(shè)備制造企業(yè)為保證焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，多采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊的方法，焊接節(jié)點(diǎn)如圖2所示。但是在實(shí)際制造過(guò)程中仍然存在由于焊接過(guò)程的控制不嚴(yán)格等問(wèn)題造成的焊接缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫返修或在役過(guò)程中產(chǎn)生危害性缺陷導(dǎo)致的安全事故與經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 加氫反應(yīng)器焊接節(jié)點(diǎn)示意圖

根據(jù)電子束焊接技術(shù)的特點(diǎn)，將電子束焊接引入加氫反應(yīng)器核心部件的制造將極大地降低制造成本，同時(shí)提高焊接質(zhì)量。以下從3個(gè)方面進(jìn)行分析：

a. 安全性，電子束焊接環(huán)境為真空環(huán)境，可以有效避免H、O、N等空氣中雜質(zhì)元素對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；同時(shí)由于無(wú)需焊材等填充金屬，避免了S、P等有害元素融入所造成的焊縫強(qiáng)度降低和焊接缺陷形成。

b. 經(jīng)濟(jì)性，電子束焊接速度是傳統(tǒng)焊接方法的幾十倍，極大縮短產(chǎn)品的制造周期；同時(shí)無(wú)需焊材等填充金屬，降低制造企業(yè)對(duì)高端焊材的依賴(lài)；此外，由于電子束焊接不需要制備相應(yīng)特殊的焊接坡口，可有效提高材料的利用率并縮短材料預(yù)制的加工周期。

c. 操作性，由于加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸偏大，可以考慮采用局部真空電子束焊接方法[15～17](圖3)。采用局部真空處理，電子槍旋轉(zhuǎn)定位焊接的技術(shù)。而諸如封頭組對(duì)鍛環(huán)等部件焊接工序，可采用全真空電子束焊接方法。此外因?yàn)殡娮邮附庸に嚱?jīng)評(píng)定合格后，實(shí)際生產(chǎn)為全自動(dòng)焊接，可有效避免人工操作所引發(fā)的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

圖3 局部真空電子束焊接示意圖

3.2 煤化工承壓設(shè)備應(yīng)用分析

荷蘭殼牌粉煤加壓氣化SCGP工藝中的核心設(shè)備氣化爐由于材料的特殊性和部件制造工藝復(fù)雜，使得該設(shè)備初期大量依賴(lài)于進(jìn)口。其中氣化爐外殼體中制造難度最大的是氣體返回室的Y形結(jié)構(gòu)(圖4)的焊接制造。目前，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)多采用全手工電弧焊或自主研發(fā)的埋伏自動(dòng)焊焊接方法。由于焊縫坡口形式不規(guī)整，使得焊接質(zhì)量控制存在較高難度。如果出現(xiàn)焊縫缺陷需要二次返修，將大幅提高制造成本。

圖4 殼牌氣化爐返回室示意圖

針對(duì)此處的焊接過(guò)程采用真空電子束焊接將會(huì)有效解決目前制造過(guò)程中的難題。氣體返回室焊接坡口端面心形結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)激光定位保證焊接過(guò)程中焊縫成形位置。同時(shí)考慮到焊接過(guò)程焊縫需要持續(xù)預(yù)熱和焊后熱處理的問(wèn)題，可以采用文獻(xiàn) [18～20]中所提出的利用電子束分時(shí)控制的技術(shù)(圖5)，即利用電子束在磁場(chǎng)內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的特性，通過(guò)改變偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流使磁場(chǎng)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)束流的分時(shí)控制完成預(yù)熱、焊接與后熱處理的工藝過(guò)程，有效解決預(yù)熱和后熱處理的問(wèn)題。

圖5 電子束分時(shí)控制示意圖

3.3 其他領(lǐng)域的應(yīng)用分析

在醋酸、PTA和多晶硅行業(yè)中，承壓設(shè)備主體材料多采用有色金屬或有色金屬與碳鋼的復(fù)合材料，如：鈦、鎳、鋯、鈦復(fù)合板等。制造過(guò)程中存在大量有色金屬焊接和異種鋼焊接的情況。目前，制造企業(yè)多采用TIG或激光焊等先進(jìn)焊接手段，但是焊接質(zhì)量并未得到有效改善。電子束焊接在航空航天領(lǐng)域就被大量應(yīng)用于有色金屬和異種鋼焊接工藝中[21，22]，其技術(shù)特點(diǎn)可以有效地保證有色金屬焊后的強(qiáng)度和耐腐蝕性以及異種金屬焊接過(guò)程熔池融合的問(wèn)題。

4 存在的問(wèn)題

電子束焊接技術(shù)特點(diǎn)突出，在部分領(lǐng)域的應(yīng)用有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是，目前電子束焊接也存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題有待解決：

a. 成本偏高。由于國(guó)產(chǎn)電子束焊接設(shè)備化技術(shù)尚不成熟，造成電子束焊接設(shè)備購(gòu)置和運(yùn)行維護(hù)成本高。同時(shí)焊接過(guò)程需要高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，一定程度上提高了企業(yè)的用工成本。

b. 尺寸受限。電子束焊接工件需要放置在密閉真空環(huán)境中，受限于設(shè)備結(jié)構(gòu)和大尺寸真空區(qū)域的制造成本，使得電子束焊接方法目前無(wú)法適用于壓力容器全位置焊接。局部真空電子束焊接技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段，廣泛應(yīng)用于設(shè)備制造中還不成熟。

c. 安全防護(hù)。電子束焊接會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)，對(duì)人體有嚴(yán)重傷害。承壓設(shè)備制造過(guò)程勞動(dòng)用工相對(duì)密集。因此需要對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行嚴(yán)格的健康防護(hù)。

d. 法規(guī)受限。電子束焊屬于高能束焊接方法的一種，但此焊接方法未納入NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[23]。因此在國(guó)內(nèi)使用電子束焊焊接承壓設(shè)備，例如應(yīng)用于固定式壓力容器需要依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》[24]1.9條的規(guī)定報(bào)送國(guó)家質(zhì)檢總局進(jìn)行技術(shù)評(píng)審，評(píng)審結(jié)果批準(zhǔn)后方可應(yīng)用于壓力容器承壓焊縫的焊接。

5 結(jié)束語(yǔ)

電子束焊接作為一種新型、高效的焊接方法在航空和軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。筆者通過(guò)分析電子束焊接方法的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合承壓設(shè)備制造過(guò)程中尚難有效解決的問(wèn)題，探討了將電子束焊接方法引入承壓設(shè)備制造的可行性。隨著電子束焊接技術(shù)以及局部真空焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電子束焊接在承壓設(shè)備制造中的應(yīng)用必將得到進(jìn)一步完善。

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