金属内衬压力容器封头焊接方式选型探讨

汪华彬，黎海洋

（江苏中圣压力容器装备制造有限公司，江苏 南京 211112）

随着经济的发展和各种技术的不断进步，各种类型的压力容器被广泛的应用到各个领域。而随着应用的范围不断扩大，对压力容器各种工作参数的要求也不断提高，于是，对压力容器制造过程中焊接技术的要求也越来越高。只有保证较高的焊接质量，才能保证各种压力容器的安全运行，防止各种事故的出现，最大程度保障操作人员的安全。在焊接处理过程中，由于工件及焊料的熔化与非熔化条件影响，可导致材料设备体之间形成不同宽度的焊缝组织。

因此，为实现金属元件的无误连接，还需在焊接过程中施加一定强度的外部干扰压力。焊接能量的来源相对较为广泛，如常见的超声波、摩擦、电子束、激光、电弧、气体焰等[1]。

1 金属内衬压力容器封头堆焊技术

现阶段我国工业生产中所使用的压力容器运行多处于极端工况，受高温、高压、负压、介质特性等因素的影响，压力容器封头需要进行焊接。从实用性的角度来看采用堆焊技术对结构进行补强效果明显。

1.1 压力型容器封头堆焊技术的提出

堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本[2]。

将堆焊层与母材进行冶金结合是堆焊技术最大的特点，堆焊层在服役时的剥落倾向较小，使容器的封头处具有耐腐蚀、耐高温、耐磨、抗氧化等性能，另外其在工艺使用上也具有一定的灵活性。

1.2 堆焊技术分类及材料选择

我国一部分堆焊专家为提高堆焊效率及质量开展了大量研究工作。

在堆焊方法方面相继研究了带极埋弧堆焊、氩弧堆焊、手工堆焊等。在堆焊材料方面根据压力容器封头堆焊的服役要求，可使用在碳钢或低合金钢表面进行堆焊耐磨硬质合金、S31603材料、S30403材料、N10276材料、等合金材料。我国在堆焊基础理论方面与其他国家相比不相上下，但在堆焊材料的选择及设备方面还存在一定差距，在这方面还需要进行深入研究。

（1）带极埋弧堆焊用矩形截面的钢带代替圆形截面的焊丝，可提高填充金属的熔化量，并且有小的熔深。常采用宽60mm，厚0.4mm～0.8mm的带极堆焊，为提高生产率，可以将宽度提高到180mm。还可以采用双带极、多带极和加入冷带等方法提高熔敷速度。带极埋弧堆焊常用于设备表面的修复中，也可用于化工和原子能压力容器衬里等。

（2）氩弧堆焊是一种常用的非熔化极堆焊方法，这种方法的生产效率较低，但是能够获得质量高的堆焊层金属，另外，还有稀释率低，变形小，电弧稳定，飞溅小，堆焊层容易控制等优点。适合于质量要求高、形状复杂的小零件上[3]。焊接时可以有丝状、管状、铸棒状和粉末状的焊接材料，通常采用直流正接，可通过摆动焊枪和小电流的方法得到小的稀释率。

（3）手工堆焊使用的火焰设备较简单，机动灵活、所用成本低，采用实心堆焊焊条和管状焊条可得到范围较大的堆焊合金，手工堆焊也具有一定的应用价值，但是这种堆焊方式也存在一定缺陷如稀释率较高、生产率低、堆焊层不平整，完成堆焊后的加工量大，所以该方式只应用在少量的零件修复和强化工作中。

1.3 堆焊技术在金属内衬压力容器封头焊接中的应用

堆焊焊接操作技术应用在压力容器、船舶、石油、汽车等多个金属工业制造领域中已经较为成熟。该技术可以弥补传统焊接技术所存在的不足之处，从而解决各项技术性应用难题，达到理想化的加工效果。

传统的大功率金属焊接激光器的应用会造成严重的资源浪费。压力型容器封头焊接采用带极埋弧是目前较为常用的堆焊技术，随着堆焊材料和堆焊工艺技术的发展，单层带极堆焊技术因其具有更高的熔敷效率，更低的焊带及焊剂消耗以及更优的外观成型等优点，为压力容器封头焊接带来较好的经济效益。

氩弧焊堆焊优点在于可以不使用粉末堆焊设备，即可利用合金粉末材料进行堆焊，堆焊使用设备简单，更易操作。采用传统焊堆焊方式时，特别是压力容器内壁及堆焊中最容易产生的焊接裂纹和剥离现象,使用手工焊堆焊后这一问题得到了有效的控制。该工艺实际应用效果良好,满足了焊接生产的要求。

采用带极埋弧不需要任何辅助设备和装置，为防止液态金属从间隙流失而引起烧穿，坡口加工可采用龙门刨床，以确保焊件装配时不留间隙或所留间隙很小（通常不超过1mm）。压力容器封头厚度在16mm～22mm之间时，应选择如下图所示坡口，采用这种坡口可使反面焊接易焊透。

图1 封头厚度在16mm～22mm时选用的坡口形式

2 实验方法

堆焊工艺实验中采用3种堆焊方式，在特定环境下对比实验结果。

当粉块厚度增加时氩弧焊堆焊困难，容易焊不透，大量粉末未融化，焊层中合金元素减少，硬度下降，压力容器封头易出现开裂。使用带极埋弧进行堆焊焊接过程稳定，飞溅小，渣壳整体能够自动脱落；焊道表面无粘渣、压坑、咬边等工艺缺陷，堆焊层焊道之间搭接平整，焊道直线度较好，堆焊层硬度符合压力容器封头焊接的要求。

表1 3种不同堆焊下的焊接实验结果

因压力容器封头焊接工作量较大，手工堆焊焊接具有一定局限性，不建议使用。

图1 采用不同焊接方法时堆焊层的硬度对比

3 结束语

随着金属内衬压力容器应用范围的不断增大，如何对封头设备进行更好焊接处理已经成为了一项亟待解决的操作难题。

基于此对各项焊接技术进行选型，采用不同堆焊电流和不同厚度的合金粉块进行堆焊，所得到的堆焊层性能也有所不同，堆焊电流（800～880）A，电压28V，电极埋弧焊接法在金属内衬压力容器封头焊接中的效果良好。