沈曉勤，謝堅鎏，石永華

（1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640；2.江門市新會區(qū)同達化工機械制造有限公司，廣東江門529100）

蒸壓釜鑄鋼釜環(huán)及蓋緣裂紋的焊接修復(fù)工藝及性能研究

沈曉勤1，謝堅鎏2，石永華1

（1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640；2.江門市新會區(qū)同達化工機械制造有限公司，廣東江門529100）

蒸壓釜經(jīng)過長期使用后，釜環(huán)齒圈及蓋緣齒圈的嚙合齒齒根部位易出現(xiàn)裂紋。對鑄鋼裂紋的焊接修復(fù)工藝及接頭性能進行了研究，結(jié)果表明：對ZG230-450H鑄鋼試樣采用低氫的藥芯焊絲CO2氣體保護焊，應(yīng)用多層焊工藝，配以焊前預(yù)熱、控制層間溫度及焊后保溫緩冷等措施，以較小的焊接電流和較快的焊接速度（即較小的焊接線能量）進行焊接，能獲得與母材等強度且沒有裂紋的焊接接頭。

蒸壓釜；鑄鋼；裂紋；焊接工藝性能

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.011

0　前言

蒸壓釜在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極其廣泛。蒸壓釜兩端的釜環(huán)及蓋緣材質(zhì)為鑄鋼，其在鑄造過程中容易產(chǎn)生砂眼、疏松等缺陷。由于蒸壓釜的工作壓力較高，釜體長期承受升降壓的交變載荷，釜環(huán)及蓋緣極易在上述缺陷處產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全。對此裂紋的處理，一是將釜環(huán)及蓋緣更換，成本高，時間也比較長；二是進行焊接修復(fù)，如采用適當(dāng)?shù)墓に?，可避免焊接裂紋的產(chǎn)生，降低維修成本，增加經(jīng)濟效益。

鑄鋼的碳當(dāng)量高，可焊性較差，需要精心調(diào)整焊接參數(shù)。對鑄鋼與Q345B或低合金鋼的CO2氣體保護焊工藝研究表明，焊接過程中應(yīng)采取焊前預(yù)熱（100℃～200℃），保證層間溫度不低于預(yù)熱溫度，焊后保溫和錘擊焊縫釋放應(yīng)力，可獲得合格的焊接接頭［1-2］。對于厚大鑄鋼件的手工電弧焊，需采取焊前預(yù)熱（250℃）、短弧、多層焊等方式，層間保溫并采用機械振動法消除焊縫層間應(yīng)力和氫，焊后用保溫棉對焊縫附近20 cm范圍進行保溫緩冷至室溫［3-4］。

1　設(shè)備概況

某管樁公司蒸壓釜設(shè)計工作壓力1.1 MPa，設(shè)計工作溫度187℃，工作介質(zhì)為飽和水蒸汽和水泥管樁；釜體內(nèi)徑3 000 mm，筒體長25 820 mm，壁厚22 mm，材質(zhì)為16MnR，釜環(huán)及蓋緣材料為ZG230-450H鑄鋼，其化學(xué)成份及力學(xué)性能見表1。該釜環(huán)齒圈及蓋緣齒圈的嚙合齒齒根部位存在多處線狀裂紋（見圖1），裂紋一般長15～30 mm，最長達80 mm，經(jīng)打磨檢查發(fā)現(xiàn)裂紋深度在2～6mm范圍內(nèi)。

表1　R鑄鋼釜環(huán)及蓋緣的化學(xué)成份和性能

圖1　蒸壓釜釜環(huán)及蓋緣齒圈

從現(xiàn)場檢測出的裂紋表面上看，是由于蒸壓釜經(jīng)過近15年的滿負(fù)荷運行，受溫度及壓力交變載荷而產(chǎn)生的疲勞裂紋，但是將裂紋打磨至2 mm以下發(fā)現(xiàn)裂紋下面出現(xiàn)很多鑄造缺陷，如疏松組織、砂眼等。由此可見，在釜環(huán)及蓋緣內(nèi)部存在的不均勻應(yīng)力，在這些鑄造缺陷周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，也是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。因此，要清除這些缺陷，就必須將裂紋和鑄鋼件的鑄造缺陷一起清除，才能達到完全清除設(shè)備缺陷的目的。

2　焊接工藝性能研究

為了焊接修復(fù)釜環(huán)齒圈及蓋緣齒圈的嚙合齒齒根部位存在的裂紋，對鑄鋼ZG230-450H的焊接工藝性能進行了試驗研究。

2.1試驗條件

試板板厚為30 mm，坡口形式為X型（如圖2），焊前預(yù)熱，焊后保溫，多層焊。采用FCAW，保護氣體為瓶裝CO2氣體；焊絲牌號：TWE-711；焊絲規(guī)格：?1.2；焊接電源：CO2氣體保護焊機（型號KRII500）。

圖2　試樣坡口型式及尺寸

2.2試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

2.2.1首次試驗

焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊縫表面質(zhì)量檢查為合格，焊接接頭放置24小時后試板經(jīng)X射線檢測，按JB/T4730.2-2005標(biāo)準(zhǔn)評定為合格。接頭學(xué)性能如表3所示，彎曲試驗在彎曲面焊接熱影響區(qū)斷裂（如圖3），按JB4708-2000評定為不合格；拉伸試驗抗拉強度未達到標(biāo)準(zhǔn)值要求，按JB4708-2000評定為不合格。

表2　R首次試驗的焊接工藝參數(shù)

圖4為焊縫金相組織，首次試驗階段由于多層焊的焊縫層數(shù)少，每層厚度大，焊縫層中的柱狀晶組織未被消除。而且焊接線能量過高（其值為15 840 J/cm），導(dǎo)致焊縫及熱影區(qū)過熱，降低了接頭的塑性和韌性，增加了焊后產(chǎn)生裂紋的傾向。

表3　R首次試驗的焊接接頭力學(xué)性能

圖3　首次試驗彎曲試樣

圖4　首次試驗焊縫金相組織（50×）

2.2.2調(diào)整工藝試驗

根據(jù)首次試驗的結(jié)果，進行第二階段焊接工藝調(diào)整試驗。增加多層焊焊縫層數(shù)，加快焊接速度，減小焊接電流，降低焊接線能量。調(diào)整試驗的工藝參數(shù)如表4所示，焊接接頭表面質(zhì)量經(jīng)檢查為合格，接頭焊后保溫24小時后試板經(jīng)X射線檢測，按JB/ T4730.2-2005標(biāo)準(zhǔn)評定為合格。接頭力學(xué)性能試驗結(jié)果如表5所示。圖5為彎曲試樣，彎曲試驗時彎曲面存在超標(biāo)裂紋，按JB4708-2000評定為不合格；拉伸試驗抗拉強度未達到標(biāo)準(zhǔn)值要求，按JB4708-2000評定為不合格。圖6為焊縫金相組織，由于多層焊焊縫層數(shù)增加，每層厚度減少，焊縫層中的柱狀晶組織也在減少。而且焊接線能量的減少為9 216 J/cm，也使焊縫及熱影區(qū)的過熱狀況得到改善，接頭強度有所提高，但依然未達標(biāo)。

2.2.3調(diào)整工藝再試驗

總結(jié)前兩階段的工藝試驗結(jié)果，再次調(diào)整焊接工藝參數(shù)。繼續(xù)增加多層焊焊縫層數(shù)，提高焊接速度，減小焊接電流，進一步降低焊接線能量，并嚴(yán)格控制層間溫度。調(diào)整再試驗的焊接工藝參數(shù)如表6所示，焊接接頭表面質(zhì)量合格，接頭焊后保溫24小時后試板經(jīng)X射線檢測，按JB/T4730.2-2005標(biāo)準(zhǔn)評定為I級。接頭力學(xué)性能如表7所示，拉伸試驗抗拉強度已達到標(biāo)準(zhǔn)值要求，按JB4708-2000評定為合格。圖7為彎曲試樣，彎曲試驗時彎曲面完好，沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，符合力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)，按JB4708-2000評定為合格。圖8為焊縫金相組織，可見由于每層焊縫的厚度繼續(xù)減小，焊層中的柱狀晶已基本消除。而且隨著焊接線能量進一步降至5 437 J/cm，接頭的強度也進一步得到提高，彎曲試驗結(jié)果顯示已達標(biāo)。圖9所示為焊接線能量對鑄鋼接頭抗拉強度的影響，隨著線能量增大，接頭抗拉強度降低。

表4　R調(diào)整工藝試驗的參數(shù)及結(jié)果

表5　R調(diào)整工藝試驗的焊接接頭力學(xué)性能

圖5　調(diào)整工藝試驗的彎曲試樣

圖6　調(diào)整工藝試驗的焊縫金相組織（50×）

表6　R調(diào)整工藝再試驗的工藝參數(shù)及結(jié)果

圖7　調(diào)整工藝再試驗階段彎曲試樣

圖8　調(diào)整工藝再試驗焊縫金相組織（50×）

3　結(jié)論

采用低氫的藥芯焊絲CO2氣體保護焊，配以焊前預(yù)熱、焊后保溫緩冷等措施，進一步減少接頭的含氫量，并改善接頭部位的應(yīng)力狀況；應(yīng)用多層焊工藝，嚴(yán)格控制層間溫度，以較小的焊接電流和較快的焊接速度，即控制在較小的焊接線能量下進行焊接，焊接鑄鋼ZG230-450H能獲得與母材等強度且沒有裂紋的焊接接頭。

圖9　熱輸入對鑄鋼接頭抗拉強度的影響

在前述三個階段的焊接工藝試驗研究基礎(chǔ)上，確定了一套優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)和工藝流程，先后對20多臺在用蒸壓釜出現(xiàn)的裂紋缺陷進行了焊接修復(fù)，設(shè)備修復(fù)合格運行多年時間，經(jīng)國家相關(guān)檢驗部門在三個月、年度分別進行檢測，均未發(fā)現(xiàn)新的裂紋，完全達到蒸壓釜安全運行的要求。

［1］周觀根，俞水其.厚鋼板和大型鑄鋼節(jié)點焊接技術(shù)研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2004（6）：50-53.

［2］李偉，運新春，馬玉文.大型低合金鑄鋼件與高強船用結(jié)構(gòu)鋼厚板的焊接［J］.焊接技術(shù)，2010，39（3）：30-34.

［3］趙穎.重型鑄鋼件的焊接修復(fù)［J］.焊接技術(shù)，1995（5）：19-21.

［4］徐亞杰，桂凌華，陸關(guān)林，等.杭州灣跨海大橋海中平臺超大型鑄鋼件焊接工藝［J］.施工技術(shù)，2009（10）：27-29.

（編輯：阮毅）

Study on Welding Process and Joint Property Used in Repairing of Cracks in the Kettle Ring and Cover Edge of Autoclaves

SHEN Xiao-qin1，XIE Jian-liu2，SHI Yong-hua1
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Guangzhou510640，China；2.Tongda Chemical Machinery Manufacturing Co.，Ltd.of Xinhui District，Jiangmen529100，China）

Cracks are detected in the root parts of the mesh gear in the kettle ring and cover edge of a cast steel autoclave，after it has been used for long time.The welding process and joint property for repairing of cracks in the cast steel autoclave were studied.The results show that a variety of measures，such as using low hydrogen flux cores，multi-layer welding，preheat，inter-pass temperature control and heat preservation after welding，should be used for CO2gas shielded arc welding of ZG230-450H cast steel.Coupled with the use of small welding current and fast welding speed（i.e.，small heat input），crack-free joints with tensile strength as high as the base metal can be produced.

autoclave；cast steel；crack；welding process property

TP24

J

1009-9492（2015）01-0043-04

2014-11-30

沈曉勤，女，1966年生，江蘇沭陽人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：焊接技術(shù)及裝備。已發(fā)表論文20篇。