陶質襯墊在壓力容器筒體焊接中的應用研究

吳戰飛,葛祖明,林家斌

(上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090)

0 前 言

埋弧焊作為目前壓力容器焊接制造中普遍使用的焊接方法，由于其具有機械化程度高、生產效率高、焊接質量穩定、成本低等優點， 被廣泛應用于壓力容器制造行業中。上海電站輔機廠作為國內壓力容器及換熱器的主要供應商之一，每年承接大量的高壓加熱器訂單，傳統的高壓加熱器筒身縱環縫焊接方式是采用一側埋弧焊對接，反面碳刨清根及打磨后再次采用埋弧焊填充蓋面，由于碳刨清根及打磨會產生較大的噪聲及金屬粉塵等，對車間環境帶來污染，對工人的身心健康帶來一定的危害。為了進一步響應公司除塵降噪的號召，引入陶質襯墊使打底焊縫可以單面焊雙面成型，避免或減少碳刨清根的工作量。

本文主要以高壓加熱器產品的筒體縱環縫為依托，研究埋弧焊帶襯墊單面焊雙面成型的工藝，根據筒體裝配要求，確定了陶質襯墊的種類，固化了打底的焊接工藝相關參數及要求。

1 襯墊類型及坡口形狀確認

在前期采用焊接試板初步試驗的基礎上，選取一臺在制高壓加熱器筒身縱縫進行試運用。該筒身材料為Q345鋼，厚度25 mm，坡口為X型坡口，鈍邊約6 mm，采用兩側引熄弧板及坡口內點焊來裝配固定，坡口根部無間隙，在坡口背面采用圓棒襯墊。具體裝配如下圖1所示。

圖1 坡口裝配及陶質襯墊種類

考慮到要將6 mm鈍邊全部熔透，采用了WPS規定的熱輸入上限，電流640 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。

焊接完成后，焊縫正面成型良好，如圖2所示。

圖2 焊縫正面成型

觀察焊縫背面，有一處位置陶質襯墊未托住熔覆金屬，導致熔穿。去除陶質襯墊后發現坡口點焊處未完全焊透，其余未點焊位置有熔覆金屬析出，但熔覆金屬熔透不足，未達到預期的目的，焊縫根部還是需要碳刨清根，具體如圖3所示。

圖3 焊縫熔穿及反面焊縫成型

根據上述結果進行分析，尋求改進措施：

采用現有坡口的6 mm鈍邊，即使采用熱輸入量上限，也不能使鈍邊熔透，鈍邊厚度考慮減小至4 mm，且考慮到背面焊縫熔透的問題，需考慮增加根部間隙。

筒身縱縫裝配時，坡口內點焊位置無法焊透，應該避免在坡口內點焊，擬計劃增加兩側引熄弧板與筒身焊接強度(原為點焊固定，需改為滿焊)替代坡口內的點焊。

圓棒型襯墊裝配時與X型坡口根部部分區域貼合不是很緊密，導致一處焊縫根部熔穿，若后續整條焊縫全部焊透，預計熔穿位置會更多，因此考慮更換襯墊類型，并將坡口形式由X型改為Y型坡口，將陶質襯墊由圓棒性改為平板型。

2 工藝驗證

按上述改進方向，另選一節筒身，該筒身材料為15CrMoR鋼，厚度22 mm，坡口Y型坡口，鈍邊約4 mm，裝配間隙約1 mm，采用兩側引熄弧板固定，坡口不點焊。焊接參數640 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。焊接完成后，去除襯墊，焊縫成型如下圖4所示。

圖4 焊縫背面成型

總體上焊縫成型滿足標準要求，僅需對焊縫表面進行局部適當修磨，對該焊縫按標準要求進行100%RT檢測，結果合格。

基于縱縫的焊縫反面成型情況及其工藝參數，再選取了另一在制高壓加熱器筒身環縫進行試運用。該筒身材料為Q345R鋼，厚度25 mm，坡口為Y型坡口，鈍邊約4 mm，裝配不放間隙，采用兩側坡口內焊條定位焊+馬腳板固定(如圖5所示)，在反面(筒身內部)貼陶質襯墊(如圖7所示)。第一焊道的焊接參數：電流650 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。焊接完成后，正面焊縫成型良好，如圖6所示；去除襯墊之后，反面焊縫只有局部成型(如圖8所示)，大部分焊縫未焊透。經分析，認為坡口內定位焊位置焊縫太厚，約 3～4 mm，這是導致熔池鐵水無法熔透到反面的主要原因，另外筒身本身鈍邊4 mm，加上裝配有1～2 mm的錯邊量，加大了熔透的難度。

為保證環縫反面焊縫形成，需采用合理的焊接工藝參數(電流、電壓、速度、鈍邊、焊縫根部間隙等)?；谲囬g反饋的筒身環縫裝配時 “零間隙”是最方便的，也最有可行性的要求，故在研究反面焊縫成型時，試驗側重點放在焊接電流、電壓、速度等焊接工藝參數的調整。實際生產過程中，由于兩節筒身裝配時通常采用“豎裝”方式，為保證筒身裝配的牢固性，會采用在坡口內定位焊及12塊馬腳板固定。但馬腳板數量較多，馬腳板的拆裝影響了裝配效率，故考慮采用氣保焊進行打底焊，此時反面未完全透出來(如圖9所示)，再用較高熱輸入量的埋弧焊熔化氣保焊打底焊道，并通過背面的陶質襯墊強制熔池反面成型。試驗時采用的兩組焊接工藝參數，見表1。

表1 焊縫反面成型參數試驗

對比兩組焊接參數得到的焊縫反面成型(如圖10和圖12)，可以發現，兩組焊接參數焊縫反面都能熔透成型，但第一組焊縫反面的余高為4～6 mm，超出標準要求，且焊縫表面氧化嚴重，已明顯“發藍”，同時陶質襯墊熔化量較大(如圖11)，第二組焊縫反面余高在3 mm以內。另經多次焊接參數微調，最終確定焊接電流為620～630 A范圍能夠或取滿足要求的焊縫熔透及焊縫成型。

圖10 第一組焊縫

圖11 襯墊熔化量較大

圖12 第二組焊縫

3 工藝固化

通過一系列的試驗驗證，固化了陶質襯墊埋弧焊工藝，具體如下：

坡口規格。殼體縱縫采用Y型外坡口(保證外側成型)，鈍邊厚度4 mm，坡口間隙1～3 mm；如果不留坡口間隙，鈍邊厚度改為2 mm；環縫則基本不留鈍邊和間隙。

陶質襯墊粘貼于筒體內側，受裝配質量的影響，存在局部不能焊透可能，可手工補焊。

縱縫裝配時采用兩側引熄弧板固定，坡口內不點焊；環縫在基本無裝配間隙時采用氣保焊在坡口內焊接打底道，再使用埋弧焊填充蓋面。

焊接參數620～630 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。

筒身縱、環縫陶質襯墊規格如圖13、圖14所示。

圖13 筒體縱縫所用陶質襯墊規格(mm) 圖14 筒體環縫所用陶質襯墊規格(mm)

4 應用情況

采用陶質襯墊埋弧焊工藝對多臺高壓加熱器筒體縱縫的焊接實踐中，焊縫成型良好，未出現氣孔、夾渣等缺陷，焊縫均無損檢測一次性合格。

5 結 論

帶陶質襯墊埋弧焊工藝，焊接時電弧穩定，可以滿足單面焊雙面成型，焊縫成型飽滿、整齊、美觀，焊縫表面無氣孔、裂紋、未熔合等缺陷，且焊縫與母材圓滑過渡。

采用帶陶質襯墊薄板埋弧焊工藝，焊縫經射線檢測后未發現氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。

帶陶質襯墊埋弧焊工藝適用于高壓加熱器及同類產品筒體焊縫的焊接，能減少碳刨清根及打磨，綜合提高焊接效率，并且具有節能環保、降低成本等優點。