加工丨论钛镍材压力容器焊接技能及质量

焊接工作的重要性

压力容器具有爆炸危险,一旦发生爆炸,将是灾难性的。事实证明压力容器的漏泄和爆炸大多源于焊接接头的断裂。因此,焊接质量是确保压力容器安全可靠的关键。国家对压力容器焊接有严格要求,制造单位在焊接前必须确保焊接工艺评定和焊工持证上岗。在压力容器制造的诸多工序(如下料、机加、成形、焊接、检测等)中,唯独焊接不能外委,要求采用本厂的焊接工艺和由本厂的焊工焊接。这些都说明了焊接对压力容器的重要性。在实际生产中钨极氩弧焊是焊接钛镍制压力容器的主要方法,钨极氩弧焊工的焊接质量意识和操作技能是保障钛镍制压力容器质量的关键。

树立焊接质量意识

做为钨极氩弧焊工需要树立四种焊接质量意识:干净意识;保护意识;焊透意识;饱满和美观意识。

2.1焊前处理

清洁程度对钛镍材的焊接质量有很大影响,杂质如水分、油脂、锈蚀、氧化膜等熔入焊缝金属中将会出现气孔、夹杂、裂纹等缺陷。应特别注意表面不可残留含硫和含铅的物质。钨极氩弧焊钛时更容易出现气孔,因其焊丝中不像镍材焊丝含有Mn、Ti、Al等脱氧剂。

2.1.1镍材焊接前在坡口及其两侧20mm宽度的表面可用不锈钢丝刷或金属铣头清除氧化膜,用丙酮或酒精去除油脂、灰尘与其它污染物。镍材坡口表面热切割产生的氧化层需打磨去除干净,见金属光泽。镍的氧化膜熔点比母材金属高很多(如镍的氧化膜熔点2090℃,纯镍的熔点1450℃,相差约640℃),在焊接过程中氧化膜不被熔化掉将导致焊缝金属夹渣。因此,这种氧化膜在焊接之前必须清除掉。

2.1.2钛及钛合金焊丝、坡口表面及其两侧20mm范围应进行表面清洁。可根据表面污染程度选用脱脂或机械清理。清理干净的焊丝和焊件,不应再直接用手触摸。气割、等离子切割等火焰方法加工的坡口,应从变色部分机械加工掉2~3mm。加工后的坡口表面应平整、光滑、不得有裂纹、分层、夹杂、毛刺、飞边和氧化色。坡口表面应呈银白色金属光泽。特别应注意的是喷砂面钛板的坡口两侧10mm范围内必须去除氧化膜,见金属光泽后再焊接。否则,将会出现焊缝边缘气孔。

2.1.3换热器未穿管前,换热管整根管子清除表面附着物;管端清除表面氧化膜、油污、水渍和毛刺;清洁长度不小于管外径,且不小于25mm。管板和折流板整体去除油污和毛刺。换热管伸出管板过长时,应用机械方法削平,不能用砂轮打磨。

2.1.4钛-钢复合板起边后的坡口边缘10mm范围内的残余钛打磨去除干净。这种残余钛熔入钢焊缝将会形成微裂纹。

2.1.5镍钢复合板台阶式坡口边缘的残留高合金必须打磨去除干净。这种高合金熔入钢焊缝将会产生脆硬相或出现裂纹。

2.1.6复合板(包括钛-钢和镍-钢)复层焊接前整个筒体内部清理干净,无灰尘铁削等脏物。复层坡口两侧各25mm内的表面和钛盖板表面焊前抛光处理和丙酮擦洗。

2.1.7焊丝用丙酮擦洗干净后再使用。

焊前处理就是讲究干净:厂房干净;焊件干净;焊丝干净;人干净。专业钛镍材容器制造厂应有洁净厂房,操作人员应穿干净的工作服和洁净的皮质手套。

2.2氩气保护

母材和焊材表面必须清洁,防止污染物质熔入焊缝;高温熔池和高温焊道必须得到惰性气体的有效保护,防止焊缝金属的氧化,这两点是获得优质焊接接头的重要条件。因此,氩气保护是焊接钛镍材的最基本要求。氧化将会削弱焊接接头的力学性能和耐蚀性能。

焊接钛镍材要有保护意识并掌握保护技术。金属的活性越高对保护的要求越严格,钛材要求使用99.99%的纯氩,锆材要求使用99.999%的高纯氩,钽材应在密闭的充氩的气室中焊接。

根据焊接接头的实际形状制作适宜的保护工装(通常叫保护盒),是钨极氩弧焊工应具备的技能,也是焊接钛镍材的一项重要准备工作。因此,焊工有两重任务,一是焊好,二是保护好。焊接和保护二者相辅相成,焊好保护不好没用,保护好焊不好也没用。没有合适的保护措施禁止焊接。

保护有拖罩保护和充氩保护两种方式,能用拖罩保护不用充氩保护。充氩的空间往往较大,不仅保护效果不好而且费气。

2.2.1只要采用钨极氩弧焊,就必须对高温(钛材为400℃以上)熔池或焊道进行氩气保护,即使是普通碳钢。碳钢、不锈钢第一层焊接用氩弧打底时,背面也应用氩气保护。碳钢保护好也是银白色的。不保护的接头射线检测是没有问题的,但性能(尤其是背弯)就不一定合格了。

2.2.2用钨极氩弧焊组对工件点焊定位时,背面能用拖罩保护时用拖罩保护。对于小直径对接口可以充氩保护。

2.2.3换热器换热管与管板焊接时有两种形式,一种是管头熔倒(破头焊),一种是管头不熔倒(留头焊)。破头焊加铜堵(图1所示),防止和减少焊接时焊把喷嘴氩气流失。留头焊在管内加保护工装(图2所示),通氩气保护。

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图1 破头焊铜堵保护

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图2 留头焊工装保护管内壁

留头焊的管伸出长度应达到4mm或以上,以便焊接时管头不被咬豁。若需要焊后可将管头用机械的方法削至符合图样要求的长度。留头焊除了保证根部熔合外,应特别注意管内壁不氧化、不熔化。

2.2.4在氧化的焊道上焊一层保护完好的焊道是极其错误的,尤其对于先拼板后成形的钛封头或筒体纵缝。

2.2.5钛材焊后表面应呈银白或淡黄色,不应出现蓝色。靠用第二遍焊接或用焊把一燎去除蓝色的作法是错误的。正确的做法是刷掉或磨掉氧化的熔敷金属。

2.2.6钛钢复合板设备,检漏孔起三个作用:焊接钛盖板时由检漏孔通入氩气保护背面;焊后打气密检漏;运行中的泄漏信号孔。

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图3 钛钢复合板筒体焊接示意图

钛钢复合板筒体焊接时应按图3所示设计检漏孔(焊检漏嘴)和气路阻断(银钎焊),即纵缝上2个检漏孔,环缝上2个检漏孔(如图4所示);气路阻断后纵焊缝和环焊缝不联通。第一层焊接时,在待焊的钛盖板正面两侧贴纸,边焊边揭(如图5所示)。一侧揭纸的长度不超过250mm,一次焊接的长度不超过200mm,两侧交替进行。第二层焊接时,由检漏孔继续通氩气保护。由检漏孔通氩气时,一部分氩气流向焊接区域,另一部分氩气从另一个检漏孔流出。

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图4 钛钢复合板筒体纵环焊道上设置的检漏嘴

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图5钛钢复合板接管处钛盖板贴纸焊接

2.2.7由于钛制容器薄板居多,当在筒体或封头上焊接附件时,对应的另一侧不应氧化。

在实际手工焊接操作中,一名焊工焊接需要一名或二名保护工保护。保护工需注意力集中,要紧跟焊把的移动而移动保护拖罩,这叫跟盒保护(如图6、图7所示)。正面跟盒的保护工不能跟的太紧而碰撞焊把影响焊工操作,或跟的太慢保护效果变差。背面跟盒的保护工要根据焊接熔池亮点的移动而时时移动保护拖罩。因此,一条优质焊缝的获得是焊工和保护工相互配合的结果,保护工是有功劳的。

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图6 纵焊缝上下推盒保护

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图7 环焊缝外跟盒内充氩保护

由于焊件结构的多样复杂性做好保护工作是不容易的,应得到足够的重视。在焊接前做好保护工装,并得到验证。应着重解决好镍材膨胀节、钛材封头、弯头、三通、钛钢复合板的焊接保护。

2.3焊透

未焊透等于削弱承压厚度,跟裂纹一样是不允许存在的焊接缺陷,涉及到压力容器的安全。

压力容器的A、B类对接接头因需经过射线检测,绝大多数的情况下是能焊透的。未焊透经常出现在接管与筒体的D类角接接头上,尤其是带补强圈的情况。由于这种焊接接头往往没有射线或超声波检测要求,长期以来操作人员没有养成焊透意识。若不做出特别提示,接管焊不透的情况较多。

焊透需要坡口加工到位,既方便焊透又不能有很大的组对间隙。有条件的可以机加工坡口,没条件的可以用等离子或火焰切割,但要留有修磨余量。

检测手段跟上是培养焊工焊透意识的重要手段。

2.4焊缝饱满和美观

所谓焊缝饱满就是对接接头的焊缝填充金属不低于母材表面,角接头的焊脚高度达到图样要求。焊缝是否饱满与焊接层数有关,不饱满是焊接层数不够。焊缝饱满和焊脚高度是最容易解决的问题,只是常常被忽视。焊缝成形一致,焊波均匀即是美观。

在保证焊缝内在质量合格的情况下,追求焊缝的外在美观,这是焊接操作的最高境界。内外都华丽是焊接质量的终极目标。焊缝外观检验合格不一定能达到美观的程度。评定美观的标准是什么?在这里只有一条就是看着“舒服”,如同欣赏一件工艺品。

不要把焊缝返修当成焊缝不美观的理由,必须明确焊接返修是对焊缝表面质量最严重的破坏,应力图避免焊接返修。

因此,应树立“焊就焊好,还求更好,一次焊好”的焊接理念。

“焊就焊好”是保证焊接接头的综合性能合格,这是最基本的要求;

“还求更好”是焊道美观;

“一次焊好”是不返修,不破坏焊缝外观质量,不浪费时间和材料。

深刻理解焊接质量内涵

焊接质量应是保证焊接接头的力学性能或耐蚀性能,不仅是无损检测合格,要像焊工考试的试件一样经得起“探伤”和“性能”双重检验。不能把无损检测合格做为唯一的合格指标,否则,就是肤浅的认识。无损检测合格离质量合格还差着远呢,它是质量合格的必要条件不是充分条件。质量合格的指标很多,对不同的材料或使用环境有不同的要求。

焊接合格至少应包括以下5项:

1)无损检测合格;

2)力学性能合格;

3)颜色合格(钛材焊道层间和最终表面);

4)腐蚀试验合格(不锈钢或耐蚀合金);

5)金相组织合格(双相不锈钢)。

增强责任心

按图纸按标准按工艺干活就叫有责任心。产品质量是干出来的,不是画出来编出来的。因此,国内外都非常重视焊接实际操作,焊工持证上岗是强制的。

焊接工艺编的再好,也需要通过焊工的操作才能在产品上体现。焊接质量在每一位焊工的手上(操作技能)和心上(责任心)。不只是用手去焊,更应该用心去焊。操作技能不好可以逐步提高,并不可怕,可怕的是没有责任心,不按工艺干活。按焊接工艺制定的焊接方法、焊接材料、焊接参数施焊是焊工的底线。自觉的原原本本一丝不苟执行工艺,是焊工的职业道德。诚信是做人立业之本,做假等于害自己。不按工艺干活就是在做假,就是在做炸弹。质量不好轻者损害企业利益,重者祸国殃民,最终害了自己、害了企业、害了社会。

应正确理解“20%检测”,焊工要为整条焊缝的质量负责。法规明确规定,进行局部无损检测的压力容器,制造单位也应当对未检测部分的质量负责。“20%检测”不应只注意所谓的“丁字口”,更不是说20%应焊好,剩下的80%就可以对付了,而是100%都应该焊好,100%都归焊工负责。应该说检测比例跟焊工没有什么关系,焊工不应该太关心检测比例,关心的太多就是思想上有问题,这种思想是危险的。另外,由于“20%检测”的存在,焊工不要把焊接质量全部寄托在检测上,或成为一种借口,焊工也应当对未检测部分的焊接质量负责。

焊工对焊接质量负责,大家也要为焊工创造良好的施焊条件,条件不具备焊工可以拒焊。坡口加工不到位,组对超差不合格,焊前清理不干净,无保护或保护达不到效果焊工有权拒焊。

提高操作技能

经过短暂操作培训的学徒工技能是达不到上岗要求的,应多利用空闲时间练习操作技能。有了基本操作技能之后才能上岗,这是技能大幅度提高的开始。焊工技能不是在试板上练出来的,而是在产品上干出来的。干的活越多,技能水平提高的越快。当你能焊接筒体A/B类接头和换热器管头时,你就是一个成熟焊工了。

一名优秀的钨极氩弧焊工需要具备操作和制作保护工装两方面的技能。

钨极氩弧焊操作时,采用短弧不摆动走直线或微摆动的操作方法,保持钨极中心线与工件表面成80°~85°,填充焊丝与工件表面夹角尽可能小,一般为10°左右。填充丝的送入不是直接浸入熔池,而是使填充丝位于钨极的前方边熔化、边送进,即所谓的捻丝和点丝,这样可以防止未熔合和形成漂亮的焊波,点丝速度越快形成的焊波越细密、越均匀、焊道越美观。有节奏的熔滴熔入熔池的“啪啪”声,是钨极氩弧焊最动听的音符。

镍材根部第一层焊道可能会出现焊后开裂即热裂纹,这时可采取多填丝增加熔敷金属厚度的方法补救。收弧时填满弧坑,防止收弧裂纹。

所谓“摇把焊”不适宜钛镍材的焊接。这种操作方法摆动幅度较大,氩气保护效果变差;行走速度慢、焊道宽、线能量大;续丝而不点丝可能产生未熔合。

钛材在熔池保护良好的前提下,可适当摆动,以保证与两侧母材的良好熔合及焊道成形质量。为保证接头的耐蚀性能,镍材提倡多道焊,尽量不要摆动,一道压一道的焊,俗称“编辫焊”。焊接速度上来了,热输入自然就小了,这对防止过热,提高焊接接头的综合性能是有利的。当你看到焊缝表面是细焊道、多道焊时,可以断定这是一个懂行的焊工干的活。

焊丝热端要始终处于焊把氩气保护之下,即停弧时焊丝端部不要立即离开焊把的保护区,应停留3~4秒钟,这样焊丝头肯定是银白的。但多数焊工都没有形成这一停顿片刻的习惯,一停弧就迫不及待的揭开焊帽一看究竟,距离优秀的钨极氩弧焊工还差一点点。每次再焊之前剪掉已氧化的焊丝端部是难以做到的。

培训焊工操作技能的同时,也应培养焊工的保护意识,学会如何保护,即学会做保护工装。因为,成形再好的焊道如果是氧化的也是徒劳无功的。

除了操作技能,焊工也应该掌握一些“应知应会”。当焊工拿起焊接材料准备焊接时,应知道所焊的是什么材料,使用的是什么焊材,了解材料的焊接性,能够判断焊材使用的正确性。用错焊材是严重的质量事故。大家不会赞同这样的焊工,就是活干得很好,但不知道自己使用的是什么焊材,焊的是什么材料。

6做好过程控制

过程控制是焊接质量控制的实质,过程好了结果自然会好。过程控制包括焊材使用,焊条烘干,坡口加工,焊丝、焊件清理,焊前预热,焊接参数,层间温度,焊接层数,焊道表面颜色等。

焊接电流是焊接规范的最主要参数,控制焊接电流是为了控制热输入。热输入的大小对接头的力学性能和腐蚀性能有影响。为了获得平衡的奥氏体和铁素体双相组织,双相不锈钢需选择适中的焊接热输入。除此之外,所有的材料都应采用小的焊接热输入,奥氏体不锈钢钛镍材均是如此。

层间温度已经改称“道间温度”了,这是合理的叫法,明确了堆焊也应该控制道间温度,不是层间温度。控制道间温度与控制焊接电流的目的是一样的,都是防止过热。需要焊前预热的钢种,道间温度应不低于预热温度。除此之外,道间温度都是越低越好(但不应低于15℃)。考虑到焊接效率,碳钢低合金钢的道间温度不超过300℃,奥氏体不锈钢和镍材不超过150℃,钛材不超过120℃。

焊接层数也是保证焊后不漏的关键。应明确提出,承压焊缝不存在只焊接一层就完工的情况,都应焊两层或以上。换热管与管板、钛-钢复合板的钛盖板、焊环与衬管、法兰与接管的焊缝都应至少焊两层。

钛材焊接焊道表面颜色检查是最应该控制的环节。这里强调的是焊道表面颜色,不是最终焊后表面颜色,即每一层的焊道颜色都应得到检查。氧化的焊接接头达到射线检测I级片是没有问题的,无损检测解决不了氧化问题。

焊接过程有不可追溯的一面,如焊接电流、焊接层数、道间表面颜色等,一旦焊过去,也就无从查找了。所以,焊接过程控制很重要。

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