热丝氩弧自动焊在液氢焊接绝热气瓶中应用的可行性分析

摘要：为了研究盛装液氢介质的低温焊接绝热气瓶内容器环焊缝采用热丝氩弧自动焊焊接方法的可行性，本文对热丝氩弧自动焊焊接工艺进行力学性能测试，通过焊后记录数据分析证实，可以达到液氢低温焊接绝热气瓶内容器产品制造要求，内容器环焊缝内、外部焊接质量优良，焊接接头力学性能稳定、可靠，大大提高了内容器环焊缝的一次产品合格率，提高了产品焊接生产效率。综上所述，采用热丝氩弧自动焊焊接液氢低温绝热气瓶内容器环焊缝是可行的。

关键字：热丝氩弧自动焊；低温焊接绝热气瓶；内容器环焊缝；力学性能；

中图分类号：TG43； TG44； TG47；文献标识码：A

1、前言

随着经济社会的不断发展和人类文明的不断进步，低温液体的需求和使用逐渐增多，从早期的尖端行业局部、阻断性使用向工业生产制造、公共卫生安全、交通运输、医疗服务、民用生活等各个领域发展、扩散，这很大程度上推动了低温压力容器的发展。鉴于安全、稳定、可靠且容量大、压力低、可以反复充装等特点，焊接绝热气瓶日益得到更为广泛地应用。

从生产制造企业和国家标准定义来看，焊接绝热气瓶主要是由内容器和外容器组成的双层结构形式，内容器是用于盛装介质，承受使用工作压力的主要受压元件，外容器则是起到固定、支撑、保护内容器的作用，外容器本体不承受压力，这样的结构在内、外容器之间形成一定的区域，并通过绝热材料缠绕、抽真空处理等手段，有效保证低温绝热性能。

现阶段，在低温压力容器行业中焊接绝热气瓶所盛装介质多为液氧、液氩、液氮、液化天然气等低温液化气体，从焊接绝热气瓶内胆制作来说，内胆封头与筒体所采用的材料主要是奥氏体不锈钢，存在普遍性和通用性，内胆封头与筒体的环缝制作采用熔化极气体保护焊可以满足当前阶段技术等级AB级，评片等级Ⅱ级合格的一般X射线无损检测要求和-196℃低温力学性能。但是，以液氢为介质的焊接绝热气瓶，因其所盛装介质氢气分子量小、逸散性强，液氢沸点极低的特殊性，以及内容器封头与筒体组对的特殊结构（见图1）和专用原材料的特殊性，相比于其它盛装介质提高了焊接绝热气瓶内容器环焊缝焊接接头的力学性能，使其需要在-269℃低温冲击试验时，满足冲击吸收能量大于等于38J（焦耳）。同时，对于内容器封头与筒体环焊缝的X射线无损检测要求提高至技术等级B级，评片等级Ⅰ级合格，给液氢焊接绝热气瓶环缝焊接制造带来了不小的难度。

当采用熔化极气体保护焊时，一方面，在图1所示的内容器封头与筒体环焊缝组对结构中，由于填充焊丝作为熔化电极，填充焊丝和电弧的电流密度大，熔池中金属极易流入唇边夹层内，从而使这段焊缝在X射线无损检测底片显示上，存在一定的缺陷成像，而焊接完成后的产品环焊缝是非常难以进行返修工作的，给生产制造及后续工序、成品使用上带来一定的难度和安全隐患；另一方面，对于焊接接头的力学性能上，因为采用了特殊化学成分的原材料钢板，所使用的焊接材料同样需要进行等材质匹配，但是焊接接头在-269℃的低温冲击性能稳定性稍差一些。为此，采用氩弧焊自动化设备实施焊接来改善此类产品施焊现状尤为重要，在经过长期的焊接性能测试及焊接工艺测试对比，采用热丝氩弧自动焊焊接设备能够获得满足液氢焊接绝热气瓶所需要的力学性能以及成型美观的优质焊缝。

本文对热丝氩弧自动焊焊接设备应用于液氢焊接绝热气瓶内容器环焊缝焊接有着重要的借鉴意义。

2、热丝氩弧自动焊焊接设备简介及特点

传统的氩弧自动焊接设备由于其电极载流能力有限，电弧功率受到很大影响和限制，相比较其它焊接方法来说焊缝熔合深度比较浅，焊接速度比较慢。尤其是在板厚达到一定厚度时，需要制备坡口和采用多层多道焊接的方式0，致使其焊接效率低的缺陷更为突显。然而，热丝氩弧自动焊焊接设备恰恰能够很好的实现氩弧自动焊焊接方法良好的焊缝成型并能兼顾提升焊接效率的特点。

热丝氩弧自动焊焊接设备是在普通氩弧自动焊焊接设备的基础上加入了独立的焊丝加热系统（图2），是利用附加电源作为电阻加热热源，预先通过导电块对即将进入熔池的填充焊丝进行电加热，进而增加了填充焊丝的表面温度，使其在一定的焊接电流作用下，可以熔化更多的填充焊丝量，一般使焊丝熔化速度增加10-60g/min，提高焊缝金属熔敷效率，达到焊接效率提升的目的。同样的填充焊丝在焊接前已经受热，焊丝表面的一些水汽及杂质在焊丝送入熔池前已挥发，不易产生焊接气孔等缺陷，提高了焊缝无损检测合格率。

热丝氩弧自动焊焊接设备独立的送丝机构与焊枪中钨棒电极是分开设置的，在实施焊接过程中，可以通过调整送丝角度、焊枪姿态、偏移位置等，获得多种角度施焊的可能，并能够把握熔池成型状态，控制熔池铁水流动来获得良好的焊缝成型效果。另外，对于自动焊接设备，可视化的操作系统是少不了的，通过视觉识别系统（图3）及滤镜目视观察（图4）等方式进行施焊操作，可以清晰地观察熔池状态，调整钨棒电极与工件距离，配合后托罩使得熔池始终在惰性气体的保护状态下凝固成型，避免与熔池以外的空气接触，焊缝成型后多呈银白色和金黄色，完全满足焊后颜色验收要求，为焊缝内部质量提供一定的保障。

3、热丝氩弧自动焊焊接性能测试及焊接工艺测试

3.1 测试步骤及要求

选用与市场上普遍用于制作焊接绝热气瓶的奥氏体不锈钢板，牌号为S30408材质，通过卷制成型，并与封头组对进行环焊缝焊接，组对方式为对接V型40°坡口，焊缝长度1500mm，焊接材料熔敷效率测试样件厚度为8mm，焊接工艺测试样件厚度为3mm，焊后目视检查并按NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》进行100% RT无损检测，技术等级B级，评片等级Ⅰ级合格0，无损检测合格后进行常温弯曲试验、拉伸试验，-196℃低温冲击试验、-269℃低温冲击试验以及焊接接头宏观金相试验。

3.2 测试样件预处理及焊接材料选用

本次测试样件采用机加工方式制备坡口，并且要对样件坡口及两侧20mm范围内打磨至金属光泽，并用无水乙醇进行擦拭，以保证施焊部位清洁。

焊接材料选用型号为ER308L，规格为φ1.0盘装焊丝，保护气体为：95%Ar+5%He，其余气体为：99.99%Ar。

3.3 样件测试数据分析

3.3.1 冷丝与热丝熔敷金属数量对比

在对液氢低温焊接绝热气瓶实施焊接过程中，我们通过热丝、冷丝分别施焊的方法，对焊缝金属熔敷量进行对比性试验，在相同的焊接参数下，热丝状态下熔敷的填充焊丝要比冷丝更多，从而验证热丝氩弧自动焊焊接设备较普通氩弧自动焊焊接设备能够增加更多的填充金属，在相同的焊缝横截面积要求下，可以提高焊接速度，提升焊接效率。表1所示为冷丝与热丝在相同焊接参数状态下的数据记录，由此表可知，在8mm测试样件实施焊接过程中，冷丝需要焊接7层，热丝仅需要焊接6层，在焊接效率方面得到了很好的印证。

3.3.2 测试样件焊后外观质量及X射线无损检测

内容器封头与筒体环焊缝焊接完成后，通过目视检查，未见咬边、气孔、成型不良等缺陷，符合焊接绝热气瓶外观质量要求，见图5。

在外观检查合格后，我们对环焊缝进行100%RT无损检测，从底片显像中，未能发现圆形及条形缺陷，可以认定合格，见图6。

3.3.3 测试样件焊缝性能测试数据

我们在合格的样件焊缝上进行取样，取样的位置与试样大小，参照GB/T 33209-2016《焊接气瓶焊接工艺评定》执行，检测依据按照GB/T228.1-2021《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》执行。

合格指标：GB/T24511-2017承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带中S30408的抗拉强度为不小于520MPa。

合格指标：冲击试样为标准试样10x10x55mm时，-196℃低温冲击吸收能量不小于47J（焦耳），采用2.5mm小尺寸冲击试样的冲击指标，按照标准试样的25%执行。

合格指标：冲击试样为标准试样10x10x55mm时，-269℃低温冲击吸收能量不小于38J（焦耳），采用2.5mm小尺寸冲击试样的冲击指标，按照标准试样的25%执行。

3.3.3 测试样件环焊缝宏观金相试验

通过图7宏观金相试样观察，试样可以清晰地观察到焊缝、热影响区、各层焊道以及相邻母材，在焊缝横截面中，根部、层间熔合良好，未见裂纹、未熔合等缺陷，可以判定合格。

4、结论

采用热丝氩弧自动焊焊接方法应用于盛装液氢介质的焊接绝热气瓶内容器制作的焊接，焊后成型平整、均匀、美观，无需增加其它工序进行辅助加工，且热影响区相对较窄，完全可以保证内容器环焊缝焊接接头的力学性能。在焊接工艺因数、焊接工艺参数相对一致的情况下，由于对填充焊丝进行预热，有效地提高焊缝金属填充量，加快了内容器环焊缝的快速成型，大大提升了焊接效率，在焊接绝热气瓶产品量化生产中会有更为稳定的表现。

通过类似的试验及实际产品焊接经验，采用热丝氩弧自动焊焊接液氢绝热气瓶内容器环焊缝的方法，方案是可行的，技术是稳定的，质量是可靠的，在大批量焊接绝热气瓶产品的生产制造中会扮演着更为重要的角色，同样会进一步推动其在低温压力容器产品制造上的发展，是解决液氢介质低温压力容器产品制造的有力有段。

参考文献

[1]王宗杰.熔焊方法及设备[M].第2版.机械工业出版社， 2016 ：170.

[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.NB/T47013.2-2015，承压设备无损检测[S].北京市：2011.