韓 雪，劉愛國，龔 翼，鄭成博

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

鍋爐水冷壁由于腐蝕、沖蝕磨損等原因造成管壁減薄甚至爆管的現(xiàn)象嚴重威脅著發(fā)電廠的安全經(jīng)濟生產(chǎn)，因此需要對鍋爐水冷壁管排進行防護[1]。目前防護方法主要為熱噴涂。熱噴涂具有工藝靈活、生產(chǎn)效率高、易于現(xiàn)場施工等優(yōu)點，但使用熱噴涂方法得到的涂層存在結(jié)合強度不高、涂層有孔隙、在使用過程中容易脫落等問題[2]，不適合使用在腐蝕性非常強的工況中，如垃圾焚燒鍋爐的防護。堆焊作為材料表面改性的一種經(jīng)濟而快速的工藝方法，越來越廣泛地應用于工業(yè)中。利用堆焊方法在焊件表面可以獲得耐熱、耐磨、耐蝕等特殊性能的熔敷金屬層，能顯著提高焊件的壽命[3]。

堆焊層的防護性能除取決于其成分外，還受焊層稀釋率的影響；稀釋率越高，意味著泛鐵現(xiàn)象越嚴重[4]，堆焊層的防護效果越差。降低稀釋率，需要低熱輸入的焊接方法。冷金屬過渡(Cold metal transfer，CMT)焊接，是一種短路過渡的焊接方法[5]，與傳統(tǒng)焊接方法相比具有極低的熱輸入[6]，適合鍋爐水冷壁的堆焊。

劉陽等[7]研究了Q235鋼表面CMT堆焊310不銹鋼的組織與性能，堆焊層成形良好，無宏觀缺陷，堆焊層與基體結(jié)合界面處無氣孔、熔合不良、夾雜、裂紋等焊接缺陷；堆焊層的稀釋率低，熔合比非常小，可以用于鍋爐水冷壁的堆焊。堆焊時管排受到不均勻加熱，在堆焊完畢完全冷卻后會存在殘留應力和變形，所以熱輸入越低，焊接變形越小。CMT堆焊雖然熱輸入極低，但堆焊時的高溫依然會使鍋爐水冷壁管排變形，變形嚴重會影響鍋爐水冷壁的安裝、使用?？刂坪附幼冃蔚姆椒ㄓ蓄A變形法、反變形法、剛性固定法、減小焊縫的熱輸入、合理安排焊接順序、焊后熱處理等方法[8]。本文對CMT堆焊鍋爐水冷壁的變形問題進行研究，分析變形產(chǎn)生的規(guī)律，采取剛性固定法控制變形，并與自由變形時進行對比。

1 堆焊實驗研究

1.1 試驗材料與設(shè)備

膜式鍋爐水冷壁管排的材料為20G，鋼管的內(nèi)徑為50mm，外徑為60mm，為方便試驗進行，所焊接的鋼管長度確定為400mm。鰭片材料為Q235，尺寸為400mm×40mm×6mm。焊接鍋爐水冷壁管排的焊絲選直徑為φ1.2mm的ER50-6，堆焊焊絲直徑為φ1.2mm的304不銹鋼焊絲。保護氣體選純氬氣。堆焊采用Fronius的TransPlus Synergic 4000 CMT焊機，焊接過程由FANU-Robot-RoiA機器人完成，自制焊接試驗平臺。

1.2 鍋爐水冷壁管排的焊接

焊接時，鍋爐水冷壁管與鰭片間留出1mm間隙，鰭片開35°左右坡口,以保證焊縫焊透；焊絲端部偏向水冷壁管一側(cè)。焊接鍋爐水冷壁管排的參數(shù)為：電流155A、電壓13.3V、焊接速度2mm/s、氣體流量18L/min。

1.3 鍋爐水冷壁管排的堆焊

為分析水冷壁管排的堆焊變形規(guī)律，進行單根水冷壁管的無拘束堆焊和管排的無拘束堆焊。為盡量減少變形，堆焊時盡可能采用對稱的堆焊順序，單根水冷壁管的堆焊順序如圖1所示，其中的數(shù)字表示焊道順序。

圖1 單根管的堆焊順序

圖1中直徑1和直徑2是兩個相互垂直的直徑，直徑1為水平方向。水冷壁管排的橫截面如圖2所示。

圖2 鍋爐水冷壁管排的截面圖

由圖2可以看出，水冷壁管排待堆焊表面高低起伏、形狀復雜。如果將水冷壁管排水平放置進行堆焊，將出現(xiàn)多種不同焊接位置，堆焊層厚度難以保證均勻一致，為避免此種現(xiàn)象，本試驗中將水冷壁管排豎直放置，立向下堆焊，如圖3所示。單根水冷壁管也采用立向下堆焊，管排的堆焊順序見圖2所示。管排下方的字母A、B、C、D代表管排的編號。

圖3 鍋爐水冷壁管排的堆焊方向

通過調(diào)節(jié)焊接電流、電壓、焊接速度、焊槍的擺動寬度、擺動頻率、焊道兩側(cè)停留時間及保護氣體流量，對堆焊工藝參數(shù)進行優(yōu)化。堆焊工藝參數(shù)如表1所示，堆焊時保護氣體流量均為18L/min，焊接電壓為13.9V，焊接速度為2mm/s。

表1 鍋爐水冷壁管排的堆焊參數(shù)

1.4 水冷壁管及管排堆焊變形的測量

單根水冷壁管堆焊，焊道長300mm，內(nèi)徑50mm，堆5道，對稱堆焊。堆焊后測量單根管的撓曲、軸向收縮和徑向變形。撓曲的測量如圖4所示。

圖4 撓曲測量示意圖

撓曲1為第5道焊縫處的撓曲，撓曲2為第5道焊縫的背面，撓曲2測量時保證兩側(cè)的測量值相等。堆焊前在水冷壁管上量300mm，測量堆焊后的長度，兩次測量的長度差為軸向收縮。徑向變形測量直徑1和直徑2的值。水冷壁管排堆焊，焊道長300mm，管排寬360mm，同樣測量堆焊后水冷壁管排的撓曲量、軸向收縮量和橫向收縮。撓曲變形和軸向收縮的測量同單根管堆焊的測量相同，測4根管。橫向收縮測管排總體的收縮量。管排編號和管排的寬測量皆如圖2所示。

2 水冷壁管排CMT堆焊變形分析

堆焊前單根管和管排放在平面上與平面貼合，用現(xiàn)有測量工具不能測出變形，可認為堆焊前無變形。

2.1 單根水冷壁管無拘束堆焊的變形量及分析

單根管無拘束堆焊時的變形情況如圖5所示，圖5a為單根管的撓曲量，撓曲1和撓曲2分別為2mm、2.5mm，可以看出堆焊層一側(cè)的撓曲量小于堆焊層的背面。圖5b為每道焊縫的軸向收縮，焊縫1～5的收縮量分別為2mm、1mm、4mm、3mm、5mm；由于第2道與第1道為對稱焊，第2道對第1道起反變形作用，所以第2道比第1道收縮量小，同理第3道與第4道也是如此，第5道的收縮量最大。圖5c為直徑1和直徑2堆焊后變形量，直徑1增加了0.5mm，直徑2減少了0.5mm；出現(xiàn)這種情況的原因是堆焊時堆焊部位金屬熔化，冷卻時焊縫處金屬凝固收縮，水冷壁管的其他部位阻止堆焊部位收縮，側(cè)面金屬被拉伸，所以直徑1被拉長，直徑2減小。

2.2 水冷壁管排無拘束堆焊的變形量及分析

無拘束堆焊后的鍋爐水冷壁管排如圖6所示。

從圖6中可以看出，焊縫成型良好，除焊縫熄弧處其余部分無氣孔等貫穿缺陷。堆焊后的管排橫向和徑向變形都較大。

水冷壁管排自由變形時的情況如圖7所示。

由圖7a可以看到，管排由A到D，撓曲1的撓曲量分別為1.5mm、2mm、2mm、2.5mm；撓曲2的撓曲量分別為2mm、1.5mm、1.5mm、2mm；先堆焊的部位變形較小，后堆焊的部位受前面變形的影響，撓曲量緩慢增加。管排兩側(cè)的管背面撓曲量比較大；自由變形時管排由A到D的軸向收縮分別為3mm、4mm、4mm、5mm，管排的軸向收縮量呈增長趨勢。

圖5 單根管無拘束堆焊的變形情況

3 剛性固定法控制鍋爐水冷壁堆焊變形

由于無拘束堆焊單根管與管排的變形程度較大，為減小堆焊變形，采用剛性固定法對堆焊變形進行控制。分別對單根管和管排進行剛性固定，測量堆焊后變形，與無拘束堆焊時做對比。剛性固定方式如圖8所示。將鋼管焊在測量變形的單根管與管排后面進行剛性固定。單根管剛性固定將一根管焊在待堆焊管的后面。水冷壁管排剛性固定是將管排的每根管后面焊一根管，在管排的上下兩側(cè)焊接一根水平方向的管。

圖6 鍋爐水冷壁管排的堆焊

圖7 水冷壁管排無拘束堆焊的變形情況

3.1 單根水冷壁管剛性固定堆焊的變形量及分析

單根水冷壁管剛性固定的變形情況如圖9所示。

由圖9a可知，撓曲1和撓曲2分別為1mm和2mm，管的堆焊側(cè)的撓曲量小于背面的撓曲量；與圖5a相比撓曲1減少1mm，撓曲2減少0.5mm，明顯減小了撓曲量。圖9b的軸向收縮從第1道到第5道的收縮量分別為1mm、1mm、2mm、1.5mm、2mm，第1、2道收縮量小，后面三道收縮量大，但整體上小于圖5b的收縮量。圖9c剛性固定堆焊后的直徑與圖5c相比，直徑1增加0.5mm，直徑2減少了1mm，變形程度大于自由變形時的變形量；出現(xiàn)這種情況的原因可能是剛性固定時堆焊層的后面用一根管子固定起來，焊接時由于焊縫部位冷卻收縮，但固定位置阻止堆焊部位收縮，導致圓管變形嚴重，所以直徑1方向被拉長，直徑2被縮短；自由變形冷卻收縮時，沒有剛性阻擋，任由其收縮撓曲，所以徑向變形不大。

圖8 單根管和管排的剛性固定

圖9 單根管剛性固定堆焊時的變形情況

3.2 水冷壁管排剛性固定堆焊的變形量及分析

水冷壁管排剛性固定時的變形情況如圖10所示。

圖10 水冷壁管排剛性固定堆焊時的變形情況

由圖10可知，管排每根管的撓曲1分別為1mm、2mm、1.5mm、1mm，剛性固定時管排的撓曲中間稍大，兩側(cè)稍?。粨锨?分別為1.5mm、1mm、1mm、1.5mm，撓曲2兩側(cè)稍大中間稍??；撓曲量均明顯小于圖7a時的變形量，解決了無拘束堆焊時越到后面變形程度越大的問題。圖10b為每根管的軸向收縮，第A～D根管的軸向收縮量分別為2mm、2mm、3mm、3mm，管排的軸向收縮量呈增長趨勢，與圖7b相比，剛性固定明顯減小了管排的軸向收縮量。由圖10c可知，管排無拘束變形時的橫向收縮量為6mm；管排剛性固定的橫向收縮量為5mm，與無拘束變形相比，收縮量略有改善，但改善程度不是很明顯。

4 結(jié)論

(1)單根鍋爐水冷壁管堆焊時，最上面一道焊縫的撓曲量和軸向收縮量最大，側(cè)面的兩道軸向收縮量最小，第2道的軸向收縮量要略小于第1道。單根管堆焊后直徑1減小，直徑2增加，呈橢圓形。

(2)單根管剛性固定時，撓曲和軸向收縮量明顯比無拘束變形時減小，可有效控制焊接變形。

(3)剛性固定堆焊鍋爐水冷壁管排的堆焊變形量比無拘束堆焊時的變形量小。

此種剛性固定方法雖然不能完全消除堆焊變形，但能有效減小堆焊變形。