壓力容器單面焊接雙面成型研究范文

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1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?，對提高產(chǎn)品質(zhì)量尤顯重要。

1.1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。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(qiáng)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(diǎn)。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(qiáng)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(qiáng)烈的制冷作用，使電弧電場強(qiáng)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?，當(dāng)Ar含量超過80％以上時，飛濺率大大降低。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。

1.2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。分解出來的原子狀態(tài)的氧，氧化作用強(qiáng)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6mm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(qiáng)，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，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(qiáng)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(qiáng)度。在焊接厚板超過6mm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(qiáng)度和塑性的性能指標(biāo)。試樣材料：45鋼，Φ12mm，焊后進(jìn)行再結(jié)晶退火(570℃，保溫2h)，然后車、磨到尺寸Φ(10±0.07)mm。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(jī)的機(jī)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。

2小型壓力容器MAG焊試驗

2.1試驗條件對于直徑小于1000mm，壁厚小于20mm，長度小于3000mm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(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形；TIG打底可以實(shí)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(jī)：NBK-350；焊絲型號及規(guī)格：ER50-6，Φ1.2mm；極性：直流反接；保護(hù)氣體：Ar80%+CO220%；罐體尺寸：Φ800mm×16mm；材質(zhì)：Q245R；坡口：V型坡口，坡口角度60°士2.5°，根部間隙2~3mm，鈍邊1~2mm。本罐體直徑800mm，總長2400mm，壁厚16mm,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。

2.2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(shí)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。

2.3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。

2.3.1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(qiáng)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。

2.3.2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。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。

2.4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Φ800mm×16mm，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(shí)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。

3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(shí)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(qiáng)，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。

作者：姬玉媛 單位：唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院