0Cr12Mn5Ni4Mo3Al钢小型高压容器的焊接工艺

樊兆宝  

（中国空空导弹研究院，河南，洛阳，471009）

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摘要：本文介绍了某型号小型高压容器的结构特点和技术要求，分析了半奥氏体沉淀硬化不锈钢0Cr12Mn5Ni4Mo3Al的焊接性和气瓶的焊接技术难点，制订了焊接工艺方案，详细说明了高压容器试制时的焊接过程和控制焊缝缺陷及焊接变形的方法与措施。探伤与液压试验和爆破试验的结果都表明：首批试制的高压容器的焊接质量符合设计要求，工艺方案完全适合于小型、薄壁、偏心、细直径高压容器的焊接加工。现已进行了多个批次的生产，焊接质量稳定，并且满足了设计要求。

关键词：小型高压容器  沉淀硬化不锈钢  工艺方案  自动氩弧焊

0.前言

小型高压容器是某型号产品的重要焊接组件，为了减轻重量，增大气体储存，容器的工作压力非常高，因此设计对容器的焊缝质量、焊接接头的力学性能和材料的强度指标等提出了很高的要求。本文重点对容器的结构特点、技术要求、焊接工艺流程、控制焊缝缺陷及焊接变形的方法与措施及相关加工工艺进行了阐述。

1.小型高压容器的结构特点、技术要求和所用材料的焊接性分析

1.1结构特点

小型高压容器由瓶头、瓶身、瓶尾和瓶嘴等四部分通过三条环焊缝连接为一个整体，其中瓶嘴与瓶体的连接为角接环焊缝，瓶头、瓶尾与瓶身的连接为对接环焊缝，两条环焊缝的圆心不在同一轴线上，而是错开了6mm，容器的壁厚为2mm，整个高压容器全部用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al半奥氏体沉淀硬化不锈钢制成，其结构如图1所示。

图1  小型高压容器的结构示意图

1.2技术要求

①.小型高压容器的焊接质量按行业标准I级验收，焊接接头100%的进行X-光探伤；

②.焊缝两侧的错位量要求不大于0.2mm，焊缝正面加强高要求不大于0.5mm，被面加强高要求不大于1.0mm。

③.由于小型高压容器的工作压力相当高，焊接之后还要进行液压检验和爆破试验，在达到设计指标之前，焊缝不许破坏。

1.3材料的焊接性能分析

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al半奥氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分见表1。

表1  

在1050℃固溶、空冷+（-78℃）、4小时冰冷处理+520℃、2小时时效、空冷热处理制度下，0Cr12Mn5Ni4Mo3Al半奥氏体沉淀硬化不锈钢的机械性能见表2。

表2 

该钢在固溶状态下的组织为奥氏体+5～20%的δ-铁素体，在冰冷处理期间，奥氏体转变为马氏体，经时效处理后的最终组织为马氏体+残余奥氏体+沉淀相（NiAl）+少量δ-铁素体，这时的马氏体呈板条状，沉淀相很细小，故反映在机械性能上，具有高强度与高韧性相搭配的优异性能。该钢的焊接加工一般在固溶状态下进行，由于是奥氏体加少量铁素体组织，塑性高、韧性好，因此焊接性能良好，而且焊前一般无须预热，焊后也无须缓冷。

由于该钢的特殊性，焊接时应注意以下问题：

①.由表1可知，该钢的含锰量为4.4～5.3%较高，因此过热倾向性大，热加工时，需严格控制加热温度；

②.焊接终止时若弧坑填补不良，易产生火口裂纹。手工氩弧焊时该钢的裂纹倾向性见表3；

表3

③.当采用同质焊丝焊接时，由于焊缝及近缝区的加热温度远高于固溶温度，故焊接接头区域的铁素体量会有所增加。为减少这一趋势，应尽量使用小线能量进行焊接，尽量缩短焊缝及近缝区在高温停留的时间；

④.当采用同质焊丝焊接时，焊接高温可使焊缝及近缝区中各种合金元素形成固溶体，增加了奥氏体的稳定性，从而降低了Ms点，使以后的冰冷处理时，奥氏体不能向马氏体转变或转变不充分，从而使焊接接头的强度降低，解决的办法是焊后进行调整热处理，以便使Ms点回升。

从以上分析可知：0Cr12Mn5Ni4Mo3Al半奥氏体沉淀硬化不锈钢在总体上焊接性能良好，但过热倾向大，易产生裂纹，焊接区铁素体的含量会增加而导致接头的强度降低，因此该钢在用熔化焊方法进行焊接时，必须严格限制线能量的输入，所以能量集中、线能量小的电子束焊、激光焊、脉冲钨极氩弧焊等方法最适合该钢的焊接。象小型高压容器这样的重要焊接件，焊后还必须进行调整热处理，以使奥氏体能够向马氏体充分转变。

2.小型高压容器焊接时的主要技术难点和所采取的工艺方法与措施

2.1主要技术难点

2.1.1高压容器的过热倾向和焊接接头的强度低于母材

由以上分析可知：该高压容器体积小、壁厚薄、重量轻、热容小。很小的焊接热输入量即可使容器过热。而所用材料含锰量较高，热倾向性大，焊缝及近缝区由于受焊接的热作用，将导致铁素体含量增加，并使马氏体转变温度Ms点降低，这些都将影响到时效后的强度。有资料表明，在焊前固溶、焊后冰冷+时效的RH520热处理制度下，手工氩弧焊时焊接接头的强度系数仅为84.5%，低于行业标准I级焊缝90%的强度要求。

2.1.2瓶嘴焊缝容易出现堵塞现象

由图1可知：瓶嘴与瓶身的连接为角接环焊缝，只能用手工焊的方法来完成，焊接时电流小则会产生根部未焊透，电流大则有可能因焊漏而把瓶嘴的通气孔堵塞或堵死，而且不易发现。对于根部未焊透，一般的结构可能危害不大，而在瓶嘴焊缝上则相当严重，这是因为其焊角高度因装配原因而受到限制，轻微的根部未焊透将会极大的削弱焊缝的承载能力。

2.1.3难以焊出均匀一致的焊缝

瓶头、瓶尾与瓶身的连接为对接环焊缝，由于该高压容器热容较小，用恒稳的焊接参数很难焊接出均匀一致的焊缝，这就给焊接规范参数的调试工作带来了很大的困难。当刚开始起弧时，由于高压容器本身的温度较低，要想保证焊透，就必须采用较大一点的焊接电流。但随着电弧热量的输入，零件的温度随之升高，这时若不减小焊接电流，焊缝就会凹陷，以至产生焊漏和烧穿现象。也就是说，焊接线能量应随零件温度的逐渐上升而逐步减小，减小的过快，会造成未焊透缺陷，而减小的过慢，焊缝的凹陷和烧穿就得不到克服，焊缝质量很难达到设计要求。

2.1.4难以实现自动焊接

小型高压容器的形状较为特殊，两条对接环焊缝的圆心不在同一轴线上，而是错开了6mm，这就给自动焊接时的夹具设计工作带来很大的困难。

2.1.5焊接变形难以控制

瓶嘴与瓶身的焊后垂直度要求较高，而瓶身的壁厚较薄，焊时瓶壁会下塌而导致瓶嘴的歪扭。再者，对接环焊缝两侧的错位量也难以保证。

2.2工艺方法与措施

2.2.1制定了合理的工艺流程和小型高压容器的焊接工艺方案

根据0Cr12Mn5Ni4Mo3Al半奥氏体沉淀硬化不锈钢的特性，所制定的工艺流程是：

其中调整处理的目的是降低奥氏体的稳定性，使马氏体转变温度Ms点回升，以便在时效处理时奥氏体可充分的转变为马氏体组织。

根据小型高压容器的结构特点和技术要求，所制定的加工工艺方案见表4：

表4

2.2.2选定了焊接方法与设备

我院现有的能量集中、热量输入小的焊接手段有电子束焊、激光焊和自动脉冲钨极氩弧焊。电子束焊虽能焊接出高质量的焊缝，但成本高、效率低，而激光焊对焊接区域无法提供有效的保护，最后选择了钨极氩弧焊方法。对于瓶嘴的角焊缝，用手工方法进行焊接，对于瓶头、瓶尾的对接圆周焊缝，采用了自动脉冲钨极氩弧焊。该方法电弧功率小，主电流又是脉冲电流，热量输入小，热影响区狭窄，接头过热程度小；由于其热源和填充焊丝可分别控制，热量容易调节，特别适用于薄壁及超薄壁零件的焊接，是实现单面焊双面成形的理想方法。再者，由于电流脉冲对熔池的搅拌作用，可以加速气孔与夹渣的逸出，并可打乱柱状晶的结晶方向，这对减少偏析、增加焊缝金属的耐蚀性和抗裂性都有好处。所选焊接设备为国外进口的某型号定枪式自动圆周氩弧焊机。

2.2.3焊丝的选择

焊接时选用了同质焊丝。小型高压容器焊后还要进行调整处理+冷处理+时效的热处理，以便使其获得所需要的金相组织和机械性能。为使焊缝的热处理制度与母材的相一致，以保证热处理后的接头性能与母材相近，我们选用了同质的Φ1.2焊丝。

2.2.4设计制造了焊接夹具

①.对焊接夹具的要求

A.能够把高压容器牢固的装配在自动氩弧焊机的三爪卡盘上，而且旋转自如。并且要求夹具结构简单、装卸方便、加工容易、成本较低；

B.能够克服高压容器两条圆周焊缝不同轴带来的影响，使容器在焊接的旋转过程中，其接缝相对于固定焊枪的左右偏摆不大于0.2mm，上下跳动不大于0.5mm；

C.能够保证焊枪的可达性和操作的可视性，保证焊接过程的稳定性和连续性；

D.能够提供氩气的背面保护。

    ②.焊接夹具的设计

由于小型高压容器结构形状的特殊性，用一套焊接夹具难以实现两条圆周焊缝的自动焊接，为此我们设计了两套焊接夹具。

A.瓶尾焊接夹具：为了克服瓶尾轴线和瓶身轴线相差6mm所带来的问题，我们把夹具的定位凸台和顶锥孔的轴线也设计成偏开6mm，偏开的方向和位置通过内撑件使顶锥孔轴线与瓶尾的相一致。

B.瓶头焊接夹具：以瓶身外圆面为基准设计一个扣环，焊接时，利用自动氩弧焊机的三爪卡盘夹住扣环，这样就排除了瓶尾轴线偏心的影响，使接缝在焊接时相对于固定焊枪不会出现左右偏摆和上下跳动的现象。

2.2.5调试出了合适的焊接参数

为了加强焊工的焊前技术培训，使其能够调试出合适的焊接参数并焊接出合格的高压容器，我们设计了瓶嘴焊接试件和瓶头、瓶尾焊接试件。利用瓶嘴焊接试件，焊工既可以进行技术培训和调试焊接参数，又可以直接观察到瓶嘴孔是否有堵塞或堵死的现象。通过轴向剖开，还可以知道有无根部未焊透缺陷，并可测量焊缝外观尺寸及垂直度等。利用瓶头、瓶尾焊接试件，焊工既可以练习调试焊接参数，又可以直接观察到焊缝的背面成型情况。自动焊时，为了排除添加焊丝对焊缝背面成型的影响，我们分两层焊接，第一层不加丝，其目的是保证焊缝有良好的背面成型，背面加强高在1.0mm之内。第二层加丝焊接，目的是保证焊缝有均匀光滑的外表面成型。最后所调试的焊接参数见表5。

表5

自动焊时，由于高压容器的热容较小，焊工应全神贯注、仔细观察、随时调整焊接参数，以确保整条焊缝的均匀一致。

2.2.6焊前的打磨和清理

氩气是一种惰性气体，其作用是把空气排开，保护电弧和熔池区域免受空气的侵蚀，但对于电弧区域内部所出现的氢、氧、氮等有害气体，却毫无祛除的能力，因为它不象电焊条药皮那样含有脱氧除氢剂。如果清洗不净，残存的氧化皮、油脂和水分就会进入到熔池及电弧区域中去，它们在电弧的高温作用下，迅速分解为氢气和氧气，这不但会烧损有益的合金元素，而且会出现气孔、夹渣和氢脆。因此，焊前认真清理焊接区域，严防氢、氧等有害气体进入焊接熔池，对于高压容器焊接的成败，至关重要。

2.2.7其他技术措施

    ①.焊接瓶头、瓶尾焊缝时，为了防止焊缝两侧错位，保证同轴度要求，我们进行了卡扣式接缝方式的设计，瓶头、瓶尾与瓶身扣合紧密后再进行定位焊和焊接，这样既保证了焊缝两侧的错位量要求，又省去了定位焊夹具。

②.瓶嘴与瓶身的焊缝在圆弧面上进行，垂直度不好掌握，为此在瓶身上专门设计了台阶孔，以方便焊接。

3.小型高压容器的试制和检测结果

按照2.2节所确定的工艺流程、焊接工艺方案和工艺参数，我们焊接了两批共60余件小型高压容器，检测结果如下：

①.瓶嘴焊缝外表均匀、过渡平滑，无咬边、裂纹、焊瘤等缺陷。剖开检验时未发现根部未焊透和瓶嘴孔堵塞现象。