奚修彬，張金深，武愛兵

中國石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315207

1 序言

國內(nèi)非標(biāo)壓力容器制造采用的焊接方法仍然以埋弧焊（SAW）和焊條電弧焊（SMAW）為主。近年來，隨著非標(biāo)壓力容器產(chǎn)品規(guī)格的不斷增大，許多大型工件需要立式組焊和全位置焊，SAW因此受到位置限制而無法使用，只能采用SMAW進(jìn)行施工，生產(chǎn)進(jìn)度緩慢。

雖然熔化極氣體保護(hù)焊作為一種更為高效的焊接工藝在多個行業(yè)得到應(yīng)用，但傳統(tǒng)GMAW存在飛濺多、成形差和焊縫低溫沖擊韌度不佳等問題，在非標(biāo)壓力容器制造行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用還比較少。在GMAW中，脈沖熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW-P）是一種更為先進(jìn)的焊接方法，它能在降低熱輸入的前提下實現(xiàn)穩(wěn)定焊接。我公司通過進(jìn)行GMAW-P工藝試驗，開發(fā)出用于Q345R鋼和09MnNiDR鋼的焊接工藝，并成功應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，不僅大幅縮短了工期，而且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本，具有較好的應(yīng)用前景。

2 焊接工藝研究

GMAW-P在富氬混合氣保護(hù)、峰值電流大于轉(zhuǎn)變電流的前提下，熔滴過渡形態(tài)為脈沖噴射過渡（Pulsed Spray，見圖1），脈沖噴射相比其他噴射形態(tài)（如射滴噴射、射流噴射、旋轉(zhuǎn)噴射）具有熱輸入可控，焊接過程無飛濺，含氫量低，熔池可控，成形美觀，以及適用于全位置焊等優(yōu)點[1]，且熱輸入范圍適合非標(biāo)壓力容器常用鋼種的焊接。圖2所示為GMAW-P向上立焊外觀成形（母材Q345R鋼）。

圖1 脈沖噴射過渡形態(tài)

圖2 GMAW-P向上立焊外觀成形

雖然GMAW-P有很多優(yōu)點，但應(yīng)用也非一蹴而就。在前期投入一定資源的前提下，還要進(jìn)行一系列試驗以保障順利應(yīng)用。在應(yīng)用中需要關(guān)注以下幾個方面的控制：首先是脈沖弧焊電源的選擇，其輸出控制技術(shù)應(yīng)該是可靠的，即在不同氣體配比、不同焊絲化學(xué)成分、不同焊絲干伸長等條件下仍能以較低的平均電流實現(xiàn)脈沖噴射過渡；其次是氣體的選擇，配比精度應(yīng)盡可能高，以方便焊工在焊機上直接調(diào)用儲存好的工藝，實現(xiàn)“一鍵焊接”。最后是焊工專項培訓(xùn)，對焊工技能應(yīng)進(jìn)行專項考試，合格后持證上崗。

2.1 保護(hù)氣體的選擇

GMAW-P可采用的保護(hù)氣體種類較多，就碳素鋼和低合金鋼而言，一般保護(hù)氣體采用體積比≥75%的Ar和≤25%的CO2的混合氣。氣體成分對臨界轉(zhuǎn)變電流和接頭性能有一定影響，考慮非標(biāo)壓力容器受壓焊縫對性能和無損檢測要求較高，我公司選用的保護(hù)氣體是80%Ar+20%CO2的混合氣（純度≥99.95%），該比例下Ar氣體能降低一定的噴射過渡所需的臨界電流，提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，使熔滴過渡保持穩(wěn)定的軸向性[2]，同時也能保證較高的合金元素過渡系數(shù)。CO2氣體使熔池及電弧具有一定的氧化氣氛，降低對油銹的敏感性，同時降低熔池的表面張力[3]，促進(jìn)熔池鋪展。

2.2 焊接設(shè)備的選擇

傳統(tǒng)GMAW采用的是直流弧焊電源，其達(dá)到無飛濺噴射過渡狀態(tài)時的臨界轉(zhuǎn)變電流值較高，經(jīng)試驗，采用低合金鋼焊絲和80%Ar+20%CO2混合氣保護(hù)時轉(zhuǎn)變電流約為280A，該狀態(tài)下熱輸入大且熔池難以控制，不宜用于非標(biāo)壓力容器承壓焊縫的制造。

GMAW-P采用的是脈沖弧焊電源，可以輸出周期性變化的脈沖電流，脈沖電流的波形及基本參數(shù)可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。即使在遠(yuǎn)低于臨界電流值的條件下也可實現(xiàn)脈沖噴射過渡[4]，更適合對熱輸入敏感材料的焊接。圖3所示為脈沖電流的波形及熔滴過渡過程，圖中脈沖電流Ip的作用是超過臨界轉(zhuǎn)變電流使熔滴達(dá)到噴射過渡，基值電流Ib為維弧電流，其作用是在脈沖電流停歇期間維持焊絲與熔池之間的電離狀態(tài)，保證電弧燃燒穩(wěn)定，同時對母材和焊絲有預(yù)熔作用，為下個熔滴過渡做準(zhǔn)備。

圖3 脈沖電流波形

我公司引進(jìn)的焊機是松下全數(shù)字控制脈沖焊機YD-500GL3，該機采用IGBT逆變控制，通過雙CPU、高速CPLD控制及數(shù)字送絲裝置相融合的方式實現(xiàn)了全數(shù)字控制。其中送絲機速度通過編碼器反饋控制、四輪雙驅(qū)送絲方式，實現(xiàn)了與脈沖輸出同步的高精度送絲。另外，該機的焊接專家系統(tǒng)采用了自適應(yīng)脈沖技術(shù)，熔滴可達(dá)到“一脈一滴”的過渡狀態(tài)，以實現(xiàn)無飛濺焊接。

2.3 焊接材料的選擇

針對非標(biāo)壓力容器常用材料Q345R鋼和09MnNiDR鋼，我公司選用了哈爾濱焊接研究所實芯焊絲HTW-50（ER70S-6）和奧鋼聯(lián)伯樂低溫鋼焊絲Tunion GM Ni2（ER80S-Ni2），焊絲直徑均為1.2mm，該兩種焊絲的碳含量較低，Mn、Si含量中等，在降低氣孔、夾渣缺欠的同時還能保證較高的韌性，適用于富氬氣保護(hù)電弧焊。用于特殊工況下的焊絲還可以進(jìn)一步規(guī)定各種元素的含量范圍，以滿足技術(shù)要求。

3 焊接工藝試驗

3.1 工藝試驗

參考原有SMAW焊接工藝評定數(shù)據(jù)，初步擬定工藝試驗焊接參數(shù)，經(jīng)試驗后確定焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

采用上述工藝并按圖4所示的坡口形式進(jìn)行了4件工藝試板的焊接，焊接位置均為向上立焊。試板性能檢測結(jié)果見表2。圖5所示為30mm厚試件的橫向側(cè)彎試樣，焊縫和熔合區(qū)未見裂紋和開口缺欠。

表2 檢測結(jié)果

圖4 試件坡口形式

圖5 橫向側(cè)彎試樣

上述各項性能相對穩(wěn)定，沖擊吸收能量較標(biāo)準(zhǔn)要求還留有一定裕量，滿足壓力容器制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 焊接工藝評定

在上述試驗的基礎(chǔ)上，針對Q345R及09MnNiDR材質(zhì)，按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求進(jìn)行了多項焊接工藝評定，結(jié)果全部合格。焊接工藝評定應(yīng)以普通焊工作業(yè)為參考，避免刻意降低熱輸入，以保證所需性能在實際施工中具有穩(wěn)定的再現(xiàn)性。

3.3 對比試驗

為比較GMAW-P和SMAW的生產(chǎn)效率，選取同一筒節(jié)的兩條縱縫分別采用SMAW和GMAW-P以正常強度施焊。從焊接過程中可以發(fā)現(xiàn)，GMAW-P具有可持續(xù)焊接、接頭較少，以及層間幾乎不需打磨的優(yōu)勢，而SMAW則在這些輔助環(huán)節(jié)上耗時較多，且存在需烘烤、飛濺大，以及焊接材料利用率低的缺點。最終對比結(jié)果顯示，GMAW-P相比SMAW工效提高了2～3倍，見表3。

表3 工效對比

4 焊接工藝應(yīng)用

4.1 焊工培訓(xùn)

GMAW-P屬熔化極氣體保護(hù)焊，根據(jù)TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》要求，噴射弧、熔滴弧和脈沖弧為同一因素代號，公司原有熔化極氣體保護(hù)焊焊工資質(zhì)仍可使用，但實際操作上兩者還有所區(qū)別，因此需對焊工進(jìn)行有針對性的培訓(xùn)，考試合格后持證上崗，具體要點如下。

1）做好焊前準(zhǔn)備工作，包括脈沖焊機參數(shù)設(shè)置、氣體檢查等，風(fēng)速超標(biāo)時還應(yīng)備好防風(fēng)罩。

2）向上立焊時焊道較厚，蓋面前的填充層應(yīng)比兩側(cè)母材低1.5～2mm，以控制焊縫余高，建議采用反月牙法運弧。

3）初期焊接試件存在冷彎后熔合區(qū)開裂的現(xiàn)像，這與間歇性脈沖電流下熔滴的熱傳導(dǎo)較低有關(guān)，熔池底部寬度不足時易導(dǎo)致熔合不良，因此焊接熔合區(qū)時應(yīng)略做停留。

4.2 實際產(chǎn)品的焊接

1）我公司承制的某對二甲苯裝置二甲苯塔，材質(zhì)為Q345R鋼，直徑9.5m，高101m，最大壁厚94mm，重1800t，合同工期11個月。從硬件、質(zhì)量和安全方面考慮，將其分為十大段分別進(jìn)行立式制作，大段整體熱處理后再進(jìn)行臥式合攏。由此存在巨大的手工焊作業(yè)量，若仍采用SMAW施工，則工期得不到保證。而將GMAW-P用于該塔器的焊接，僅用時5個月即完成了焊接生產(chǎn)任務(wù)，不僅滿足了工期要求，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)TOFD檢測（Ⅱ級），焊接一次合格率達(dá)99%以上。產(chǎn)品焊接試件性能見表4（Q345R鋼）。

2）我公司承制的某POX裝置H2S濃縮塔，材質(zhì)為09MnNiDR鋼，設(shè)計溫度－70℃。采用GMAW-P在部分受壓焊縫和E類焊縫中進(jìn)行了應(yīng)用，其中GMAW-P焊縫拍片658張，返修6處，焊接一次合格率99.09%。產(chǎn)品焊接試件性能見表4（09MnNiDR鋼）。

表4 產(chǎn)品焊接試件性能

5 結(jié)束語

1）通過選擇合適的焊接器材，采用正確的操作過程，GMAW-P焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能，焊接一次合格率高，滿足非標(biāo)壓力容器受壓焊縫質(zhì)量要求。

2）GMAW-P用于非標(biāo)壓力容器的生產(chǎn)時，有效地提高了生產(chǎn)效率，具有推廣價值。