焊接及热处理对压力容器焊缝力学性能的影响分析

符国强

摘要：随着社会经济的发展，人们的生产生活水平不断提高，所需能源也逐渐增大。压力容器是盛装气体或者液体的密闭设备，在各领域应用的非常广泛，如石油化学工业、能源工业、军事科研等国民经济的各个部门。由于压力容器密封、承压及介质等原因，容易发生燃烧、爆炸，危及人民的生命财产安全，容易造成环境污染。这就需要在生产制作工艺上，一定要注意压力容器的焊接和焊后热处理工作，对压力容器焊缝要选定较优的热处理工艺，对其性能较差的重新进行热处理，改善其力学性能。

关键词：焊接及热处理 压力容器焊缝 力学性能

1 概述

通常，压力容器都承受着巨大的气体或者液体压力，其力学性能在不同的环境温度下，承载着各种外加负荷，使压力容器的力学性能发生一些变化，如强度、脆度、硬度、弹性、疲劳强度等。如果压力容器焊缝处理工艺不当，压力容器的质量无法得到保证，威胁着国家和人身安全。笔者从事机械加工、金属热处理、钢结构制作等工作多年，同时还在压力容器现场进行管理指导、驻厂监检，在焊接和热处理工艺对压力容器焊缝的力学性能的影响方面有着丰富的经验。

2 模拟试板热处理实验及采取的对策（图1）

制作压力容器模拟试板，将其放在柴油炉中进行热处理。把热处理的最高温度调至（600±20）℃，起控温度≤350℃，逐渐升温至最高热处理温度。在炉冷那段区域中，由于实验人员的操作不当，开过一次炉门，导致温度下降过快，使温度曲线不准确（如图1所示）。

因此，在对压力容器测量温度时，柴油炉要进行定期的维护保养，更换新的燃油喷嘴，使其调整到最佳状态。温度记录仪选用比较先进的产品，并调整变速器到30mm/h，使其记录的数据更加准确，能真实详细地反映压力容器热处理的实际情况。

同时，压力容器温度也应该进行严格的控制，使其能均匀的同步升降温。一般是微调阀门，防止由于温度急剧上升或者下降造成压力容器焊缝变形，采取每升20℃到30℃进行一次温度调节，尽量缩小压力容器的温差，这样才能有效地提高压力容器的强度、硬度等力学性能，保证压力容器的质量。

3 焊接技术和热处理工艺对压力容器焊缝力学性能的影响

3.1 焊接技术

在压力容器制造环节，焊接是最重要的工序之一，焊接的质量好坏直接关系了压力容器的质量。压力容器焊接过程中，最主要的焊接参数的焊接电流及种类、焊接速度、电压、预热温度等方面，另外次要的参数还包括焊丝直径、焊丝倾角、焊丝与焊件的相对位置等。通常来说，焊接电流、速度和电压能综合的考评压力容器焊缝的强度、硬度、延展性、塑性等力学性能。

另一方面，合理的匹配这些参数可以使压力容器形成良好无缺的焊缝，提高了压力容器的力学性能，保证了压力容器的质量。

但是目前，我国在处理压力容器焊缝的时候，经常会遇到焊缝余高超标的现象发生。在一定的条件下，焊接电流过大，使焊丝快速熔化，焊缝的余高就增加；电压在降低时，焊丝溶化的温度就会降低，焊缝余高变得高而窄；如果焊接速度减小，焊接时不能及时的使焊丝和焊件分离，造成压力容器焊缝余高增加。

另一方面，焊丝伸出的长度、焊件的角度会因为较大的电流产生的高电阻热，加快焊丝熔化的速度，在压力容器焊缝进行上坡焊的过程中，随着焊件倾斜度的增加，压力容器焊缝的余高也会明显增加。这就使得压力容器的焊接质量不能达到标准，不仅浪费了焊接材料，还威胁着国家和社会的稳定发展。

因此，在压力容器焊缝的处理中，尤其要注意焊缝的余高要控制在≤1.5mm，焊缝宽约23mm。这就要求工作人员在焊接过程中，一定要严格的控制焊接电流、电压和速度，根据压力容器的实际用途和特点，选择相应的参数，加强压力容器的力学性能。焊接时应该调整焊丝和焊件的相对位置，对开坡口的角度加以控制，注意筒体回圆的质量要求。焊接工作人员在焊接时，应该加强对其的观察情况，做好焊接记录，发现问题及时分析处理，确保压力容器的质量达到要求和标准。

3.2 热处理工艺

压力容器在制造中，由于操作不当或者过量的冷卷等冷加工引起硬化。压力容器在焊接时，母材相邻区域产生的温差大于100℃，在温度急剧下降时，压力容器的制造材料会引起不均匀的塑性应变，产生残余应力，影响压力容器的使用性能。为了使内应力均匀分布，一般都是采用机械震动法，但是压力容器中潜在许多焊缝区的冶金损伤，如果采用此方法，可能会出现很多麻烦。因此可以使用焊后热处理的方法，它可以缓和焊接残余应力，改善因焊接温度导致的硬化催化，同时提高压力容器焊缝的延展性和韧性等力学性能。

焊后热处理工艺是对压力容器焊缝焊接完成后对焊接区域进行热处理的过程。对于消除压力容器焊缝焊接残余应力通常的方法是高温回火，使弹性形变减少，塑性逐渐增加，迫使应力降低。采用焊后热处理（PWHT）工艺，可以稳定压力容器的形状和尺寸，提高压力容器焊缝金属的塑性、韧性、疲劳强度等力学性能，同时进一步释放焊缝金属中的有害物质，防止延迟裂纹的发生。在判断压力容器焊缝是否需要进行热处理时，应该从压力容器的用途、壁板厚度和材料的性能等考虑。以下总结出了一些需要焊后热处理的情况：

①壁板厚度超过一定标准的压力容器。

②应力腐蚀开裂存在危险的压力容器。

③尺寸稳定性比较高的压力容器。

④在低温下发生脆性断裂的厚壁压力容器等。

一般来说，产品试版在进行热处理时，最高温度保持在（600±20）℃，这样比较容易取得最佳的热处理效果。任何事物都存在两面性，焊后热处理工艺也是如此，焊后热处理在非常严格的要求下，有利于内应力均匀分布，进一步缓和残余应力，但是对熔敷金属和焊接区域的韧性的提高有阻碍作用。所以，在利用焊后热处理时，必须首先考虑焊件在高温下的承受能力，科学合理的进行判断，综合各方面的基础工作有序的进行，进一步提高压力容器焊缝的力学性能。

3.3 生产现场的管理

压力容器的生产制造中，对设备和人员的管理是一项非常重要的工作。对于焊接设备，如焊机、焊接工艺装备和焊接辅助器具等焊件，热处理设备，如加热炉等，都需要企业进行定期的维护保养，延长其使用寿命，减小企业成本。企业应该培养一支高技术、高素质的人才队伍，能熟练的掌握压力容器焊缝的焊接和热处理过程，提高压力容器焊缝的力学性能，使企业的利益最大化。

4 结束语

随着科学技术的进步，压力容器应用的领域越来越广泛。在对压力容器焊缝的焊接和热处理的工艺中，一定要注意正确的方法，使压力容器焊缝的力学性能提高，保证压力容器的质量，为国家和社会作出应有的贡献。

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