喬巖莉 李利霞 權(quán)建軍 殷咸青

接管法蘭內(nèi)壁CO2藥芯焊絲堆焊工藝研究

喬巖莉 李利霞 權(quán)建軍 殷咸青

【摘要】針對加氫反應(yīng)器接管法蘭內(nèi)壁堆焊309L+347L雙層不銹鋼的要求，選用藥芯焊絲CO2堆焊，采用正交試驗(yàn)方法，對其堆焊參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過焊接工藝評定及對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，各項(xiàng)性能檢測結(jié)果均滿足有關(guān)加氫設(shè)備技術(shù)條件要求，進(jìn)一步證明了堆焊參數(shù)的合理性。

1. 概述

壓力容器接管法蘭內(nèi)壁與密封面常堆焊不銹鋼耐蝕層, 以增加其耐蝕性。本文采用不銹鋼藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)堆焊，選用309L和347L不銹鋼藥芯焊絲，以正交試驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，對其堆焊參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。由于藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)堆焊（FCAW）具有焊接質(zhì)量良好、生產(chǎn)效率高、可連續(xù)施焊等優(yōu)點(diǎn)，并且焊后熔渣薄，極易去除，所以在加氫反應(yīng)設(shè)備中的應(yīng)用極為廣泛。

2. 試驗(yàn)材料與方法

（1）堆焊材料的選用試驗(yàn)選用AT—Y309L及AT—Y347L，是由北京安泰科技股份有限公司焊接材料分公司生產(chǎn)的CO2氣體保護(hù)堆焊不銹鋼藥芯焊絲。規(guī)格：f1.2mm、15kg。其化學(xué)成分經(jīng)過復(fù)檢，滿足標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測成分含量如表1所示。

（2）堆焊裝置設(shè)計(jì)堆焊試驗(yàn)時(shí)，除了必需的CO2焊機(jī)以外，靈活、精確可調(diào)的焊槍夾具可以使我們方便的調(diào)節(jié)許多焊接參數(shù)。如圖1所示，在火焰切割用的小車上焊上夾具，既可以方便裝卸焊槍，又實(shí)現(xiàn)了連續(xù)焊接。最重要的是實(shí)現(xiàn)了一些焊接參數(shù)的可調(diào)性。

主要焊接參數(shù)如下：

焊接速度：主要影響堆焊焊道的幾何形狀及堆焊層的稀釋率，而堆焊層的稀釋率直接影響著焊縫組織中鐵素體的含量，進(jìn)而影響奧氏體不銹鋼的焊接性和抗晶間腐蝕性能。

焊槍高度：直接反映電弧長度，從而影響到電弧的穩(wěn)定性、熔深、電弧能量等。

焊槍傾角：焊槍與焊道行走方向的水平面呈80°～85°夾角為最優(yōu)，與焊道的垂直線呈25° ～30°夾角最合適。堆焊時(shí)采用左焊法，這樣可以使堆焊焊縫均勻鋪展，成形美觀。

表1　焊材化學(xué)成分及實(shí)測值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　(%)

圖1　堆焊裝置

圖2　堆焊試板尺寸

(3)試驗(yàn)要求①堆焊前，待堆焊表面應(yīng)除去鐵銹、油污等雜質(zhì)，保證焊件表面光滑平整，呈金屬光澤。②待堆焊試件尺寸為320mm×220mm×20mm，如圖2所示。③事先準(zhǔn)備好秒表、直尺、堆高測量儀和數(shù)顯測溫

表，以便測定焊接速度、堆焊層寬度和厚度、預(yù)熱溫度及層間溫度。④電源極性采用直流反接。⑤堆焊后應(yīng)立即進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。⑥CO2保護(hù)氣體純度保證在99.98%以上。⑦采用雙層堆焊。過渡層厚3mm，表面層厚3.5mm。保證表面層有效厚度>3mm，整個(gè)堆焊層厚度≥6.5mm。⑧堆焊過程中，嚴(yán)格控制層間溫度。過渡層控制層間溫度≤150℃，表面層控制層間溫度≤100℃。

（4）試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)參數(shù)水平表（六因素五水平），如表2所示。

焊機(jī)采用kempomat3200，焊接時(shí)用左焊法，即焊絲指向焊接方向，因?yàn)樽蠛阜梢曅院?，熔深也小，可以保證焊道寬而平，從而可以使下一道焊縫搭接平整。為了能夠看出堆焊效果，又能減少試驗(yàn)時(shí)間和節(jié)約試驗(yàn)材料，每個(gè)工藝堆焊三道，用堆高測量儀測量每道焊縫的高度，用直尺測量寬度，用秒表測量出焊每道焊縫的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出焊接速度。由于焊接速度用秒表測定，所以會有一定的誤差，整理數(shù)據(jù)時(shí)可用三道焊縫的平均焊速。另外，焊接時(shí)還要記錄每道焊縫的成形特征，看是否出現(xiàn)氣孔，以及氣孔的形狀、尺寸和數(shù)目。

3. 試驗(yàn)結(jié)果

以堆焊層的高度、寬度以及表面成形作為試驗(yàn)指標(biāo)：

(1) 堆高HH≤3 mm。

(2) 堆寬DD≥12 mm。

(3) 堆焊表面成形從成形是否美觀，是否出現(xiàn)氣孔，與母材的過渡是否圓滑等特征給出綜合評分。

正交試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析依據(jù)：如果幾個(gè)指標(biāo)在試驗(yàn)中的地位不相上下，那么在綜合平衡較優(yōu)水平時(shí)，既要看多數(shù)的傾向，也要看這個(gè)因素對哪個(gè)指標(biāo)是主要因素。

對于每一個(gè)指標(biāo)，將其因素的較優(yōu)水平按照因素的主次順序排列，例如，對堆高來說，因素的主次順序是：B、C、E、F、A、D。對正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后得到三個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)按照因素的主次順序排列為：

對堆高來說：B3、C5、E4；F5；A4、D4。

對堆寬來說：B3；C2、E3、F2、A4；D2。

對焊縫成形來說：B3；C5、E4、F4；D4；A3。

綜合三個(gè)指標(biāo)，因素B的水平最優(yōu)，三個(gè)指標(biāo)一致選取B4，而其他五個(gè)因素的較優(yōu)水平，三個(gè)指標(biāo)均有矛盾。根據(jù)正交試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析：如果幾個(gè)指標(biāo)在試驗(yàn)中的地位不相上下，那么在綜合平衡較優(yōu)水平時(shí)，既要看多數(shù)的傾向，也要看這個(gè)因素對哪個(gè)指標(biāo)是主要因素。最終得到本試驗(yàn)較優(yōu)工藝參數(shù)組合：A4、B3、C5、D4、E4、F4。經(jīng)過綜合平衡，得到堆焊試驗(yàn)中最優(yōu)焊接參數(shù)，如表3所示。

表2　正交試驗(yàn)參數(shù)水平表

表3　較優(yōu)焊接參數(shù)

表4　化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

4. 檢測項(xiàng)目及結(jié)果

按選定的工藝參數(shù)堆焊了工藝評定試板，試板材質(zhì)為2.25 C r1 M o。試板焊后經(jīng)620℃+2h消應(yīng)力熱處理，按《加氫反應(yīng)器堆焊技術(shù)條件》的要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）PT和UT每層堆焊層按JB/T4730－2005進(jìn)行PT檢測和UT檢測，結(jié)果PT-Ⅰ級、UT-Ⅰ級合格。

（2）化學(xué)成分及鐵素體含量對堆焊試板表面打磨1.5～2mm后進(jìn)行化學(xué)成分檢測，其成分平均值如表4所示，結(jié)果滿足《加氫反應(yīng)器堆焊技術(shù)條件》要求。

鐵素體含量：磁性法為

6.6%，賽費(fèi)勒圖法為4%。慢速加氫反應(yīng)器堆焊層的表面層通常要求含有3%～10% 鐵素體組織的要求。

（3）金相分析在試板上取金相試樣。磨金相后用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕液腐蝕，氯化鐵鹽酸水溶液配比：氯化鐵5g、鹽酸50mL、水100mL。腐蝕到可以用肉眼看到組織顯現(xiàn)為止，然后用清水沖洗，酒精擦拭，并烘干。

堆焊層有過渡層和表面層兩層堆焊，經(jīng)氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕后，堆焊層宏觀斷面層次分明，如圖3所示。左側(cè)為表面層組織，右側(cè)為過渡層組織，均為奧氏體基體和少量δ-鐵素體組成，組織清晰，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

（4）晶間腐蝕試驗(yàn)因?yàn)榫чg腐蝕是不銹鋼材質(zhì)制造的設(shè)備中常見的問題之一，是一種危險(xiǎn)性很大的腐蝕破壞，所以采用不銹鋼制造的設(shè)備，要求母材和焊接接頭必須具有足夠的抗晶間腐蝕性能。

根據(jù)GB4334.5《不銹鋼硫酸一硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，并進(jìn)行金相分析，結(jié)果合格，晶界間沒有被腐蝕傾向，進(jìn)一步證明了堆焊層抗晶間腐蝕的合格性。

（5）接頭力學(xué)性能在堆焊試板上切取側(cè)彎試樣、拉伸試樣、剪切試樣、高溫短時(shí)試樣進(jìn)行堆焊層的力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表5、表6所示。

剪切試驗(yàn)主要檢測母材與堆焊層之間的結(jié)合度，要求剪切應(yīng)力τ≥210 MPa。剪切試驗(yàn)結(jié)果τ=386 MPa，滿足要求。

圖3　堆焊層層間組織

5. 產(chǎn)品堆焊

根據(jù)上文試驗(yàn)研究所得出的焊接參數(shù)，對一臺加氫反應(yīng)器上的六個(gè)不同尺寸的法蘭內(nèi)壁和密封面進(jìn)行堆焊，并根據(jù)《加氫反應(yīng)器堆焊技術(shù)條件》進(jìn)行各項(xiàng)檢測，堆焊層各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求，進(jìn)一步證明了此堆焊工藝的可行性。

6. 結(jié)語

(1) 用藥芯焊絲CO2堆焊，選用AT－Y309L+AT－Y347L焊絲，結(jié)合本文研究出來的堆焊接工藝，可獲得力學(xué)性能和成形性能良好的堆焊層。

(2) 通過對產(chǎn)品零件的施焊，證明所選用的焊接方法、堆焊材料、堆焊工藝的正確合理，堆焊成形及堆焊層質(zhì)量良好，能滿足加氫反應(yīng)器堆焊技術(shù)條件的各項(xiàng)要求。

表5　堆焊層側(cè)彎試驗(yàn)參數(shù)（a：試樣厚度）

表6　堆焊層拉伸試驗(yàn)結(jié)果

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20150308

作者簡介：李利霞，權(quán)建軍，中信重工機(jī)械股份有限公司焊接工藝研究所；殷咸青，西安交通大學(xué)金屬強(qiáng)度國家重點(diǎn)試驗(yàn)室。