黃星惠鄧云

（1.江陰中南重工有限公司 2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院江陰分院）

提高管件堵頭焊接質(zhì)量的工藝試驗

黃星惠1鄧云2

（1.江陰中南重工有限公司 2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院江陰分院）

機(jī)械是十分傳統(tǒng)的工程學(xué)科，同時也是其他工程學(xué)科的基礎(chǔ)，其中焊接是機(jī)械工程中十分重要的工藝，焊接是通過加熱、加壓形式使兩種工件產(chǎn)生原子結(jié)合的工藝，焊接的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。焊接零件不同，所需要的焊接工藝也存在很多的區(qū)別，以不銹鋼板材焊接為例，因此材料中含有大量Cr元素，且板材焊接接觸點較小，因此需要采用電焊、氬弧焊等。堵頭又稱為塞頭、螺塞等，其主要作用是封閉管件。下面將詳細(xì)分析30CrMo堵頭與P-110管材之間的焊接問題，并提出針對性的改進(jìn)措施，為堵頭焊接提供參考。

管件；堵頭；焊接；工藝

堵頭是管件設(shè)計中常用零件，且材質(zhì)為30CrMo的堵頭使用最廣泛，例如在進(jìn)行油液管套試驗中，需要對管路進(jìn)行封閉，另外，部分試驗需要利用堵頭將試樣管件固定在試樣架上。堵頭與管件的密封方式主要有三種：①利用焊接方式進(jìn)行連接；②利用機(jī)械式螺紋接連；③通過過盈配合進(jìn)行緊固連接，其中焊接方式是使用最廣泛地連接方式，一方面可以最大限度保證連接強(qiáng)度，另一方面可以保證連接的穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)連接松動的現(xiàn)象。焊接質(zhì)量受焊接件材質(zhì)以及焊接件結(jié)構(gòu)的影響很大，下面將以30CrMo堵頭與P-110管材之間的焊接為例，探究可行的焊接優(yōu)化措施。

1 材料焊接特性分析

1.1 焊件材料特性分析

焊件材料特性分析是焊接工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，在制定焊接工藝流程前必須詳細(xì)分析材料的各種化學(xué)成分，30CrMo堵頭與P-110管件的化學(xué)成分如表1所示。含碳金屬焊接的核心問題是冷裂紋，因此，含碳量是衡量碳合金焊接特性的重要指標(biāo)，從數(shù)據(jù)中可以看出，P-110管件淬硬特性不明顯，具備較好的焊接性，而30CrMo堵頭屬于中碳鋼，具有較高的淬硬特性，在對30CrMo堵頭進(jìn)行焊接時容易出現(xiàn)馬氏體，因此30CrMo堵頭與P-110管件的焊接特性較差，另外，這兩種金屬均存在焊接區(qū)軟化導(dǎo)致的強(qiáng)度缺陷。

表1 30CrMo堵頭與P-110管件的成分分析

1.2 焊接工藝特點分析

針對P-110管件進(jìn)行工藝分析，P-110經(jīng)過淬火后出現(xiàn)強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體與貝氏體的聯(lián)合體，這種產(chǎn)物具備較好的金屬特性，因此P-110管件比較適合焊接加工，且經(jīng)過電弧焊可以獲得與母件相似的熱影響區(qū)，對P-110管件焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱處理，防止焊接熱量對母件的影響，避免焊接熱量改變母件結(jié)構(gòu)，針對P-110管件的焊接特性，應(yīng)該盡量選擇小線能量的焊接模式，從而降低P-110管件軟化風(fēng)險。

1.3 堵頭焊接工藝分析

30CrMo堵頭淬火后會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)脆硬的高碳馬氏體，如果在退火條件下焊接30CrMo堵頭，會影響30CrMo堵頭母件的強(qiáng)度，為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要對焊接后的30CrMo堵頭進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，但根據(jù)實際工藝條件，30CrMo堵頭一般是在調(diào)質(zhì)后再焊接，無法實現(xiàn)焊后調(diào)質(zhì)。針對30CrMo堵頭的焊接特性，需要對30CrMo堵頭進(jìn)行預(yù)熱處理，防止30CrMo堵頭出現(xiàn)淬硬組織與裂紋，除此之外，焊接后需要對30CrMo堵頭進(jìn)行整體回火處理。為了降低焊接對30CrMo堵頭的軟化影響，因此應(yīng)該選擇線能力低、能量密度大的焊接模式，在進(jìn)行30CrMo堵頭時往往使用氣體保護(hù)焊接模式。

2 焊接工藝制定

2.1 焊接質(zhì)量要求

針對30CrMo堵頭與P-110管材的焊接特性制定相應(yīng)的焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對焊接質(zhì)量進(jìn)行量化考評，30CrMo堵頭與P-110管材焊接的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包括零件同軸度、零件焊接強(qiáng)度以及焊接影響區(qū)的裂紋情況。根據(jù)同類焊接標(biāo)準(zhǔn)，可以將30CrMo堵頭與P-110管材的焊接同軸度控制在5mm以內(nèi)。

2.2 焊接工藝流程

根據(jù)30CrMo堵頭與P-110管材的焊接特性制定了焊接標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)焊接指標(biāo)進(jìn)行定向優(yōu)化，為了提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質(zhì)量，本次試驗采用了V型焊接接頭的形式，具體焊接方案為對接環(huán)焊接，且焊接坡口角度介于37～45°，為了有效提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強(qiáng)度，可以采用塞焊或者焊接加強(qiáng)筋的方案。30CrMo堵頭與P-110管材的焊接方式采用常見的手工電弧焊、鎢極氬弧焊或者埋填自動焊等形式，采用的焊條為低氫型焊條。其中P-110管材的壁厚在6mm以上，因此需要使用多層焊形式，另外多層焊的預(yù)熱溫度顯著低于單層焊接，可以利用氧乙炔焰加熱30CrMo堵頭，30CrMo堵頭的預(yù)熱溫度控制在100～150℃之間，P-110管材的預(yù)熱溫度控制在50～100℃之間。

3 堵頭焊接工藝改良措施

3.1 焊接強(qiáng)度改良措施

為了提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強(qiáng)度，本次試驗中的塞焊形式具有較好的效果，因此可以通過塞焊提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強(qiáng)度，且強(qiáng)度可以提高20%以上。除此之外，塞焊孔的位置需要遠(yuǎn)離焊縫，盡量選擇軸向錯開的形式，如果焊接點過于集中，將會降低焊接軟化區(qū)的強(qiáng)度，增加焊接裂縫風(fēng)險，另外，焊接點過于集中將造成較強(qiáng)的焊接殘余應(yīng)力，不利于焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。焊接加強(qiáng)筋也可以提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強(qiáng)度，但這種方式改變了焊接結(jié)構(gòu)，不利于安裝。

3.2 其他改進(jìn)措施

針對30CrMo堵頭與P-110管材焊接的其他改進(jìn)措施包括焊接工藝指標(biāo)制定、焊接環(huán)境控制以及焊接前期準(zhǔn)備等。①焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)制定，除了對30CrMo堵頭與P-110管材的焊接工藝進(jìn)行改良外，還需要對焊接工藝進(jìn)行考評，通過制定詳細(xì)的質(zhì)量指標(biāo)與操作流程提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質(zhì)量。一方面嚴(yán)格把控焊接線能量，控制每次焊接的厚度，另外過多的焊接層數(shù)將增加焊接裂縫的風(fēng)險，因此，應(yīng)該嚴(yán)格控制焊接層數(shù)。②焊接環(huán)境控制，空氣濕度、大氣環(huán)境、灰塵等都可能影響30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質(zhì)量，因此必須嚴(yán)格控制焊接環(huán)境，將焊接區(qū)域與外部環(huán)境進(jìn)行隔離。③焊接前期準(zhǔn)備，焊接前必須保證焊接清潔，另外需要對焊接表面進(jìn)行檢查，保證焊件為缺陷，如果焊件存在缺陷，則必須將焊件返修。

4 總結(jié)

根據(jù)30CrMo堵頭與P-110管材的焊接實驗，可以從兩個方面加強(qiáng)30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質(zhì)量，一方面為了提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接特性，需要對30CrMo堵頭與P-110管材進(jìn)行焊接預(yù)熱處理，另一方面針對30CrMo堵頭與P-110管材的焊接薄弱環(huán)節(jié)，可以通過塞焊孔以及焊接加強(qiáng)筋的方式提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強(qiáng)度。除此之外，在進(jìn)行30CrMo堵頭與P-110管材焊接時，必須保證焊接表面清潔，一旦發(fā)現(xiàn)焊接表面出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，必須將零件返修，另外，需要注意天氣、溫度等其他環(huán)境對焊接的影響。本文深入地研究了焊接特性，并根據(jù)焊接特性制定了焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)以及焊接流程，提出了可行的焊接改進(jìn)措施，希望本文的研究有利于我國堵頭焊接質(zhì)量的提高。

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