锅炉压力容器制造中先进焊接工艺的应用与优化研究

1 前言

当前“双碳”目标深入推进，能源、化工领域对锅炉压力容器的高效化、低能耗性能要求显著提升，《“十四五”智能制造发展规划》亦明确提出推动高端承压装备制造技术突破与智能化转型。同时，工业互联网、人工智能、数字孪生等新技术加速渗透，为先进焊接工艺应用创造了条件，但装备大型化导致的厚壁件焊接难题、特种材料普及带来的适配矛盾，以及自动化系统集成中的数据割裂问题日益凸显。因此开，展先进焊接工艺应用与优化研究，对适配行业发展新需求、保障关键装备安全、助力制造业绿色智能转型具有重要的现实意义。

2 锅炉压力容器制造中先进焊接工艺的应用难点

2.1 材料特性适配性

在特种钢材焊接方面，马氏体不锈钢（如电站锅炉厚壁集箱常用的 9Cr1MoV 系耐热钢）淬硬倾向较大，焊接过程中容易产生冷裂纹，1900MPa级低合金高强钢在焊接时氢致裂纹的风险较高，其预热控制的难度也相对较大。而在异种材料连接过程中，奥氏体不锈钢与碳钢焊接时，二者热膨胀系数存在差异，这会导致焊接应力集中，进而容易出现剥离缺陷，影响锅炉压力容器受压部件的密封性与安全性[1]。对于厚壁件焊接而言，当壁厚超过 50mm （如 600MW 锅炉筒体、400T 热壁加氢反应器筒体）时，单道焊的熔深无法满足需求，采用多道焊时会出现层间未熔合与夹渣的缺陷率上升的情况，同时热变形的累积问题也会较为明显，不利于后续装配与设备整体性能稳定。

2.2 工艺参数调控

在工艺参数调控中，多参数耦合复杂性体现在激光焊过程中，功率、焊接速度与光斑尺寸需协同调控，其协同调控的难度较高，若任意参数出现波动，便容易导致焊缝熔深不均匀，还可能引发烧穿缺陷。在此基础上，动态工况下的适配问题同样突出，焊接过程中工件温度会发生变化，坡口错边量（如超过 0.1mm 时）也会对焊缝成形产生影响，而传统采用的固定参数难以适应这些动态变化，进而影响焊接效果。此外，厚壁件多道焊时，前道焊缝的形貌会对后续焊接的能量吸收产生影响，但当前尚未形成针对这种影响的精准匹配模型，这直接导致焊接工艺的稳定性较差。

2.3 自动化与复杂结构适配

在自动化与复杂结构适配过程中，接管、法兰等非规则接头的焊接路径难以精准生成，与之配套的机器人示教编程不仅效率较低，其精度还处于 ±0.05mm 以上的水平，无法满足锅炉压力容器高精度焊接的需求。当焊接 200 吨级以上的大型容器时，机器人在作业过程中与工装、工件发生碰撞的风险较高，且动态避障环节的响应存在滞后情况，这会直接影响焊接作业的顺畅推进。同时，焊接设备、传感系统与 MES 平台之间存在数据割裂现象，这种割裂使得实时参数闭环调整难以实现，进而制约了自动化焊接工艺在锅炉压力容器制造中的整体效能发挥。

2.4 质量检测与缺陷控制

在缺陷检测时效性方面，传统射线探伤（RT）与超声波检测（UT）在锅炉压力容器焊接检测中多采用焊后离线方式开展，这种方式无法在焊接过程中对缺陷进行实时预警，一旦发现缺陷需对已焊部位进行返工处理，由此产生的返工成本较高。与此同时，激光焊在应用中形成的焊缝具有窄而深的特点，对于直径 <0.5mm 的气孔或微裂纹，现有检测手段容易出现漏检情况，这类未被发现的缺陷会对设备在高压工况下的服役安全造成影响。此外，当前焊接过程中记录的焊接参数、环境数据与发现的缺陷位置之间缺乏有效的关联性分析，这使得工作人员难以准确定位缺陷产生的根本原因，不利于后续工艺改进。

3 锅炉压力容器制造中先进焊接工艺应用的优化策略

3.1 材料特性适配性优化

针对 1900MPa 级钢的焊接需求，可采用分级预热与焊后热处理一体化方案，通过 150^qC 精准预热、真空气淬及两次回火工艺，促进焊接过程中氢的逸出并实现组织韧化，使裂纹率降低 90% 以上[2]。对于不锈钢与碳钢的异种材料连接，可在二者之间设置镍基合金过渡层，借助成分梯度调节减少焊接应力集中，同时结合脉冲焊接工艺控制熔合比，避免剥离缺陷产生。面对厚壁件焊接，可按壁厚划分焊接区域，如 h⩽4mm 用 2 道次、4qC ）的方式，提升层间熔合质量，减少未熔合与夹渣问题。

3.2 工艺参数智能调控

针对工艺参数调控，可构建基于机器学习的参数优化模型，采用支持向量机算法分析过往焊接历史数据，建立激光功率、焊接速度与熔深之间的映射关系，以此动态生成适配不同工况的最优参数组合[3]。在此基础上，搭建实时传感闭环控制系统，集成视觉传感器与热成像仪，实时监测焊接过程中的熔池形状与温度分布，当检测到坡口错边量超过 0.1mm 时，系统会自动调整焊枪角度与能量输出以适配工况。同时，构建多道焊参数传承数据库并结合数字孪生模型，将前道焊缝形貌数据导入后续焊接参数计算环节，实现层间参数的自适应调整，使工艺稳定性得到提升。

3.3 自动化与复杂结构适配优化

针对复杂接头焊接路径规划问题，可采用激光雷达扫描接管、法兰等非规则接头形貌，结合安川 MH50 机器人 6 轴联动功能，自动生成适配的最优焊接路径，使定位精度达到 ±0.02mm ，解决传统示教编程效率低与精度不足的问题。在此基础上，通过建立设备-工件-工装的数字化模型构建数字孪生碰撞预警系统，模拟焊接过程中的运动轨迹以提前识别干涉风险并优化路径，让碰撞事故率降为零[4]。同时，搭建工业互联网集成平台，将焊接设备、传感系统与 MES/ERP 系统互联，实现订单-参数-质量数据全链路贯通，进而实时调整生产节奏与工艺参数。

3.4 质量检测与缺陷控制优化

为实现焊接过程中缺陷的实时把控，可构建焊接过程在线监测体系，集成声发射技术与超声相控阵检测，实时采集焊缝声波数据与内部结构信息，对未熔合缺陷的预警响应时间能控制在 1 秒以内，解决传统离线检测无法实时预警的问题。在此基础上，搭建基于卷积神经网络训练的 AI 缺陷智能识别系统，该系统对激光焊微小气孔的识别准确率能超过 95% ，较人工检测的效率提升 80% ，减少微小缺陷漏检情况[5]。同时，建立“参数-环境-缺陷”关联数据库形成缺陷溯源数字化档案，采用随机森林算法定位缺陷根本原因，像针对气孔缺陷可自动追溯保护气体流量波动问题，为后续工艺改进提供依据。

4 结语

综上所述，锅炉压力容器制造中先进焊接工艺的应用难点集中于材料特性适配不足、工艺参数调控复杂以及自动化与复杂结构适配不畅等方面，这就需要采取针对性的优化策略，进而为提升焊接质量、降低返工成本、提高生产效率提供支持。未来需进一步推动优化策略与数字孪生、工业互联网的深度融合，完善先进焊接工艺的标准体系，助力高端锅炉压力容器国产化进程，更好适配“双碳”目标下装备制造的高效化、智能化需求，为能源化工领域安全稳定发展提供持续技术支持。

参考文献：

[1]阚晓龙.浅析锅炉压力容器焊接质量控制策略[J].中国设备工程,2025,(12):78-80.

[2]李琨,康文涛.焊接自动化技术在锅炉压力容器中的应用研究[J].仪器仪表用户,2025,32(04):88-90.

[3]崔跃双,左建云.浅析国内锅炉压力容器焊接标准及 ASME 焊接规范[J].中国石油和化工标准与质量,2024,44(12):10-12.

[4]安建全,刘世光,闫帅增,等.锅炉压力容器焊接自动化技术应用分析[J].工程与建设,2023,37(05):1551-1553.

[5]苗伟晨,王玮鸿.焊接自动化技术在锅炉压力容器中的应用研究[J].中国金属通报,2023,(06):126-128.