高壓合金閥門焊接工藝研究

54 2010 年第 33 卷第 1 期 高壓合金閥門 焊接 工藝研究 徐壽華 （ 攀鋼釩 維檢中心 ） 摘 要 ： 分析了高壓合金閥門 (焊接性 ,對焊接過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了闡述，并針對這些問題制定了可行的解決方案，在實(shí)際的焊接作業(yè)中取得了良好效果。 關(guān)鍵詞： 冷裂紋 ； 淬透性 ； 淬硬性 0 引 言 為提高 主蒸汽管道安全運(yùn)行 可靠性，延長設(shè)備檢修周期， 需 將部分主蒸汽管道閥門更換為高壓合金閥門，閥門與管道的聯(lián)接方式采用焊接。閥門材質(zhì)為 珠 光體耐熱鋼，與閥門焊接的管道材質(zhì)為 “ 20 g 鋼 ” 。閥門工作環(huán)境為：工作壓力 工作溫度 450 ；工作介質(zhì)為蒸汽。1有良好的抗氧化性和抗高溫蠕變能力，同時(shí)具有良好的抗硫、氫腐蝕能力。但由于合金元素總含量較高，其焊接性能較差。如焊接工藝選擇不當(dāng)會產(chǎn)生以下焊接缺陷：焊接熱影響區(qū)硬化；冷裂紋 ， 粗晶軟化等。另外，焊縫為 “ 10 g”異種鋼接頭。兩種被焊金屬存在熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、電磁性能和線膨脹系數(shù)的差異 ,極易導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)偏弧現(xiàn)象 ,使施焊困難，焊縫成形變差。因此針對以上問題，焊前需要制定合理的焊接工藝以確保獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。 1 焊接性分析 由 表 1 閥門 材質(zhì) 的化學(xué)成分，根據(jù)冷裂紋敏感指數(shù)公式： 冷裂紋敏感指數(shù)為 根據(jù)此數(shù)據(jù)可判斷其焊接性能較差。主要是因?yàn)殇摬闹械暮辖鹪丶哟罅似浯阌矁A向，尤其是鉻、鉬顯著提高了鋼的淬硬性。同時(shí)合金元素增大了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 (C 曲線 )在 “溫度 時(shí)間 ”坐標(biāo)中的位置右移 ,降低了馬氏體臨界冷卻速度，提高了淬透性。在焊接熱源的作用下 ,焊接熱影響區(qū)經(jīng)歷了冷卻速度很快的熱循環(huán) ,因此易形成淬硬組織馬氏體 ,其硬度高于母材。 若 采取的焊接工藝不當(dāng)，焊縫氫含量較高時(shí) ,焊縫對冷裂紋將更為敏感。另外，在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)，由于奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，使此處母材的韌性下降而脆化。并且由于碳化物的積聚長大使鋼材的強(qiáng)度和硬度明顯下降而軟化，當(dāng)溫度越接近 域軟化越嚴(yán)重，根據(jù)強(qiáng)度理論，軟化區(qū)是熱影響區(qū)一個薄弱環(huán)節(jié)。因此焊接熱影響區(qū)是整個接頭組織性能最差的區(qū)域 ， 所以在焊接工藝中需制定合理措施來改善焊接熱影響區(qū)的組織性能。 表 1 閥門 材質(zhì) 1 % n o S P 焊接工藝選擇 接方法 根據(jù) 硬傾向大，對冷裂紋敏感，宜選用低氫的焊接方法。手工鎢極氬弧焊因其保護(hù)效果好，可減少焊縫中擴(kuò)散氫的溶入量，從而有效防止對氫特別敏感的冷裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)，手工鎢極氬弧焊的熱源集中程度高，可減小焊接熱影響區(qū)范圍及焊接變形。因此，手工鎢極氬弧焊為理想的焊接方法。但由于工件的厚度較大，完全采用手工鎢極氬弧焊勢必降低生產(chǎn)效率。綜合以上因素，采用氬弧焊打底手工電弧焊蓋面的焊接方法。焊接過程 中采用短弧焊來增加保護(hù)效果，為防止焊縫氧化在焊縫的背面 (管道內(nèi) )通氬氣進(jìn)行保護(hù)。 攀 鋼 技 術(shù) 55 前準(zhǔn)備 合理的焊縫坡口形式是確保焊接質(zhì)量的重要因素。在本焊接工藝中，管道側(cè)采用單邊 “V”型坡口(如圖 1)。焊件的位置為垂直固定。為了減少焊縫填充金屬量和焊接熱源能量 的輸入，在不影響焊接作業(yè)、保證焊透的情況下，坡口角度應(yīng)盡量小， 采用452。焊前將坡口兩側(cè) 20 圍內(nèi)的水、銹、油等臟物清理干凈，并將其打磨出金屬光澤。 圖 焊件坡口型式 接材料 為了保證焊縫具有與母材相同的高溫抗氧化能力和高溫蠕變強(qiáng)度，提高焊接接頭的抗裂性能，防止焊縫成分被稀釋，填充金屬可選用與母材 (閥門 )成分相同的超低氫型焊材，也可選用高鉻鎳奧氏體鋼焊材。后者雖然可以有效防止合金鋼焊接接頭熱影響區(qū)的裂紋問題，并且既不用焊前預(yù)熱也不用進(jìn)行焊后熱處理， 還 可以大大 減 化焊接工藝，但是由于鉻鎳鋼的熱膨脹系數(shù)與母材有較大差異，在高溫下長期工作時(shí)，接頭將受到較大的熱應(yīng)力作用，易導(dǎo)致接頭提前失效。所以，本焊接工藝選用與母材(閥門 )成分相同的超低氫型焊絲 前預(yù)熱及焊后熱處理 焊前預(yù)熱可減少焊縫淬硬組織的產(chǎn)生及其應(yīng)力峰值， 有效防止冷裂紋的產(chǎn)生。根據(jù)公式：440392，可粗略估算預(yù)熱溫度為 380 。為了降低焊接勞動強(qiáng)度，預(yù)熱溫度不宜過高，且應(yīng)低于母材回火脆性敏感區(qū)的溫度。 故 采取的預(yù)熱溫度為 200 ， 并保持焊道層間溫度在 200 250 之間。 為了消除焊縫中的擴(kuò)散氫，改善焊縫金屬及熱影響區(qū)組織，提高接頭韌性，消除焊縫中的殘余應(yīng)力。焊后進(jìn)行 740 高溫回火處理，回火保溫時(shí)間為 1 h，熱處理參數(shù)曲線如圖 2 所示。 圖 熱處理參數(shù)曲線圖 圖 熱處理參數(shù)曲線圖 3 焊接工藝參數(shù)的選擇 手工鎢極氬弧焊（打底焊）選用鈰鎢電極，氬氣純度為 氬氣流量正面為 10 14 L/面 (管內(nèi) )為 8 10 L/極直徑為 2.5 出長度為 6 右。選用直徑為 2.5 絲 ,采用直流正接。焊前用氣焊火焰進(jìn)行均勻預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè) 200 區(qū)域。手工電弧焊（蓋面焊）選用 條，焊條直徑為 3.2 使用前需進(jìn)行 150 250 烘干，烘干時(shí)間為 2 h。焊接過程中應(yīng)選 用小電流進(jìn)行焊接，以減少熱量的輸入。 焊接電流及電弧電壓等 工藝參數(shù)如表 2 所 示。 表 2 焊接工藝參數(shù) 焊道 名稱 焊接 方法 焊 焊 接速度/(mm焊接 電流 /A 電弧 電壓 /V 定位焊 手工鎢極氬弧焊 35 40 60 80 12 14 打底焊 手工鎢極氬弧焊 40 45 75 85 蓋面焊 手工電弧焊 40 50 100 120 20 24 4 焊接操作 位焊 定位焊縫共 4 處，均勻分布于焊縫圓周上，每空冷 h 740 480 200 T/t / h 短管 閥門 23 2 219 10 5 2 56 2010 年第 33 卷第 1 期 處長度為 10 用的焊絲應(yīng)與正式焊接時(shí)所用的焊絲相同。焊縫要求 單面焊雙面成型，定位焊縫必須焊透 ,并且不能太厚 ,以免打底焊時(shí)在定位焊縫的接頭處產(chǎn)生焊接缺陷。定位焊縫兩端要磨成斜坡狀 ,使焊縫接頭過渡良好。定位焊縫是正式焊縫的一部分 ,不允許有氣孔、裂紋等焊接缺陷。 底焊 打底焊引弧應(yīng)在氬氣將短管內(nèi)空氣排凈后進(jìn)行。焊接時(shí)焊槍與管子切線方向成 70 80夾角，鎢極端部與工件間距為 1 2.5 接過程中采用斷續(xù)送絲法 ,運(yùn)絲不作橫向擺動，焊絲在氬氣保護(hù)區(qū)內(nèi)往復(fù)斷續(xù) 地 送入熔池 ,在此過程中應(yīng)避免焊絲與鎢極接觸和深 入 電弧的弧柱區(qū) ,否則易造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩(wěn)定。 焊絲端部不得抽離保護(hù)區(qū) ,以免因其被氧化而影響焊縫質(zhì)量。當(dāng)焊至定位焊縫斜坡處時(shí)電弧在接頭處應(yīng)稍作停留 ,使熔池與定位焊縫頭部全部熔合后再添加焊絲。為了避免出現(xiàn)弧坑、裂紋及縮孔 ,收弧時(shí)應(yīng)快速送進(jìn) 2 3 滴填充金屬 ,然后切斷控制開關(guān)，電弧熄弧后應(yīng)延遲對弧坑的氬氣保護(hù) ,避免其被氧化。 面焊 焊前和焊接過程中應(yīng)清理打底層和蓋面層各焊道表面，避免焊縫夾渣，并按照前面所述工藝控制 層間溫度。蓋面層的接頭與打底層接頭要錯開。焊后立即進(jìn)行高溫回火處理。 5 焊后檢驗(yàn) 1) 焊后對焊縫進(jìn)行外觀檢查 ,焊縫表面不 得有裂紋、未熔合、咬邊等焊接缺陷。 2) 外觀檢查合格后 ,進(jìn)行 100射線探傷和表面滲透探傷，射線探傷必須按 熔化焊對接接