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        SA-213TP347H不銹鋼與06Cr18Ni11Ti不銹鋼管屏焊接工藝研究

        2018-08-08 02:11:04費(fèi)鼎
        機(jī)械制造文摘(焊接分冊) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼焊縫

        費(fèi)鼎

        (無錫華光鍋爐股份有限公司,江蘇無錫214028)

        0 前言

        隨著高參數(shù)大容量發(fā)電機(jī)組的需要,新型鋼種相繼出現(xiàn),并被廣泛使用。在某些特殊情況下,電站鍋爐爐膛核心部位受熱的高溫過熱器管屏現(xiàn)已采用奧氏體不銹鋼管屏。奧氏體不銹鋼管屏是為了提高火力發(fā)電機(jī)組的效率而研制,因其導(dǎo)熱系數(shù)小,線膨脹系數(shù)大。如何采用脈沖GMAW雙面焊拼焊好奧氏體不銹鋼管屏在鍋爐制造行業(yè)是個難點(diǎn),到目前為止還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。某鍋爐過熱器管屏中鋼管和扁鋼的材料分別為SA-213TP347H奧氏體不銹鋼管和06Cr18Ni11Ti不銹鋼,為了保證管屏的焊接質(zhì)量,對SA-213TP347H奧氏體不銹鋼管和06Cr18Ni11Ti不銹鋼進(jìn)行了焊接性分析和焊接工藝研究,對影響管屏焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析和討論[1]。

        1 SA-213TP347H不銹鋼與06Cr18Ni11Ti不銹鋼的特性

        某鍋爐過熱器管屏中鋼管和扁鋼的材料分別為SA-213TP347H奧氏體不銹鋼和06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼,節(jié)距為55 mm,該管屏截面示意圖如圖1所示。試驗(yàn)采用扁鋼尺寸規(guī)格寬度為13 mm,厚度為6 mm;管材尺寸規(guī)格 42 mm×7 mm。管屏制造時一般先將鋼管和扁鋼焊接成小單元,然后再將小單元拼焊成較寬管屏。兩種鋼具有較高的高溫強(qiáng)度和良好的抗氧化性能、耐腐蝕性能,其力學(xué)性能見表1。由于該類鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大,在焊接過程中,焊縫區(qū)域在電弧的熱作用下發(fā)生局部塑性變形。在隨后的冷卻過程中,由于受到周圍金屬的限制,無法自由膨脹和收縮,導(dǎo)致焊后接頭中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力;奧氏體不銹鋼焊縫易于產(chǎn)生方向性強(qiáng)的柱狀晶,利于有害雜質(zhì)偏析而形成晶間液膜;一些合金元素也會形成易溶共晶,因此奧氏體不銹鋼焊接具有較大的熱裂紋傾向。焊接時應(yīng)盡量采用較小的焊接熱輸入,且不能預(yù)熱,并降低層間溫度。為了減小焊接熱輸入,不能過分增大焊接速度,而應(yīng)適當(dāng)降低焊接電流。因?yàn)檫^高的焊接速度,必然加快高溫冷卻速率,使焊縫在凝固過程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)變。同時,降低焊接電流可減少熔深,熱裂傾向?。?]。

        圖1 過熱器管屏截面示意圖(mm)

        表1 SA-213TP347H和06Cr18Ni11Ti鋼力學(xué)性能

        2 評定試驗(yàn)及焊接工藝

        2.1 焊接材料

        由于母材均為奧氏體不銹鋼,為防止增碳,保護(hù)氣體不宜含CO2氣體,采用98%Ar+2%O2兩元混合保護(hù)氣體,可避免純Ar保護(hù)由陰極斑點(diǎn)漂移引起的電弧不穩(wěn)定、潤濕性差、焊縫中間凸起、焊縫成形差的問題。若O2含量過大,合金元素易燒損。

        由于管屏表面要耐腐蝕,為了減少晶間碳化鉻沉淀產(chǎn)生的可能性,進(jìn)而降低晶間腐蝕的敏感性,焊縫熔敷金屬應(yīng)采用與母材成分相似、用Nb或Ti穩(wěn)定的Ni-Cr合金。同時,焊絲要有優(yōu)良的焊接性,需含有一定量的Si,可改善焊縫金屬的洗凈和濕潤行為[3]。因此,焊絲選用與SA-213TP347H不銹鋼的化學(xué)成分相近的ER347Si(ASME SFA5.9)焊絲,規(guī)格為 1.2mm,其化學(xué)成分見表2。

        表2 母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        2.2 焊接方法

        過熱器管屏中不銹鋼管和扁鋼連接焊縫為3 mm的角焊縫,因此,單道焊就可以滿足要求。目前大多數(shù)制造廠主要采用埋弧焊(SAW)和熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)兩種方法焊制管屏。由于SAW焊接熱輸入較高,對焊劑處理和保存要求較高,只能采用單面焊且焊接變形大;為了滿足雙面成形,還需將管屏翻轉(zhuǎn)進(jìn)行反面焊接,這些因素均不利于不銹鋼的焊接。GMAW能夠同時實(shí)現(xiàn)雙面焊接,免翻轉(zhuǎn);焊接過程中的焊接熱輸入小,工件受熱均勻,管屏變形小,生產(chǎn)效率高,因而被廣泛采用。

        根據(jù)公司實(shí)際情況和產(chǎn)品的焊接特點(diǎn),試驗(yàn)采用8極GMAW焊接生產(chǎn)線進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn),即管屏上、下均布置了數(shù)量相同的4把焊槍施焊;焊接電源為芬蘭KEMPPI PRO5200型IGBT逆變數(shù)控焊接電源,試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。試驗(yàn)方案:先焊兩管一扁鋼組合兩件和兩管三扁鋼組合1件,最后拼排成六管五扁鋼,如圖3所示。試驗(yàn)材料與管屏同材質(zhì)、同規(guī)格,焊前鋼管校直并清理,扁鋼表面平整,無扭曲。

        圖2 焊接試驗(yàn)現(xiàn)場

        圖3 管屏拼接示意圖

        2.3 焊接規(guī)范參數(shù)設(shè)定

        奧氏體不銹鋼管屏的焊接采用直流反接脈沖GMAW雙面焊,在低電流區(qū)可得到穩(wěn)定的噴射電弧,此時電弧穩(wěn)定,飛濺小,下部焊槍群仰焊時電弧剛性較好。由于母材的導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大,要嚴(yán)格控制焊接熱輸入,以防止產(chǎn)生焊接變形、熔穿和熱裂紋等。因此,焊接參數(shù)的選擇范圍較窄,尤其是下部焊槍群仰焊電流不能高于200 A,否則極易產(chǎn)生焊瘤、凸起、與母材熔合不良等缺陷。電壓以弧長達(dá)4~6 mm為準(zhǔn),弧長過短易產(chǎn)生氣孔等缺陷,過長則潤濕性變差,焊縫成形差。焊絲伸出長度對焊接電壓、電弧挺度、實(shí)現(xiàn)噴射過渡的電流均有影響,是影響焊接質(zhì)量的重要參數(shù)之一。焊絲伸出長度過長或過短,都將減弱保護(hù)氣體對熔池的保護(hù)作用。推薦焊絲的伸出長度為10~20 mm。工藝評定試驗(yàn)用焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

        表3 焊接規(guī)范參數(shù)

        2.4 模具的裝配及調(diào)整

        為保證管屏的節(jié)距,采用固定節(jié)距的槽輪組對鋼管和扁鋼進(jìn)行精確定位,精度為±0.1 mm。扁鋼寬度應(yīng)在節(jié)距計算尺寸基礎(chǔ)上按0~0.2 mm公差控制,避免扁鋼受熱膨脹變形??紤]到不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大的影響,應(yīng)適當(dāng)放大節(jié)距0.3~0.5 mm,以避免鋼管表面產(chǎn)生壓痕和焊后管屏節(jié)距收縮變小。因管屏上部焊槍群在前先焊,焊縫向上收縮導(dǎo)致扁鋼中心偏移,焊后管屏產(chǎn)生變形,因此扁鋼中心應(yīng)比鋼管中心低0.1 ~0.2 mm 左右。

        2.5 焊槍的傾角調(diào)整

        施焊前應(yīng)調(diào)整焊槍的空間角度,由縱向法線前傾角α和橫向法線傾角β所組成,如圖4所示。縱向法線前傾角α影響焊縫的成形。α過大時,氣體保護(hù)效果變差,焊縫成形不良,易出現(xiàn)氣孔,熔深過淺;α過小時,限制熔敷金屬的流動,焊道中間凸出,故α=15°±3°為宜。焊槍橫向法線傾角β影響角焊縫焊腳尺寸的對稱性,并會引起咬邊。β過大時,容易在鋼管側(cè)發(fā)生咬邊,嚴(yán)重時會出現(xiàn)超標(biāo)缺陷;β過小時,使焊縫偏向扁鋼側(cè),甚至?xí)霈F(xiàn)管壁未熔合現(xiàn)象,故 β=23°±3°為宜。

        圖4 管屏焊接時焊槍的傾角

        2.6 焊前清理

        奧氏體不銹鋼焊縫受到污染后,其強(qiáng)度和耐蝕性能均會變差,外來的污染因素有碳、氮、氧、水等。焊前,必須對焊接區(qū)表面作徹底的清理,清除全部碳?xì)浠衔锛捌渌廴疚?。薄的氧化膜可用浸蝕(酸性)的方法去除,也可用機(jī)械方法去除。模具槽輪、壓緊輪等與不銹鋼接觸的部位應(yīng)清理,無油污。同時,操作工的手套等也應(yīng)干凈,無油污。

        2.7 焊接

        焊前徹底清理干凈后,按設(shè)定的規(guī)范組合進(jìn)行焊接。施焊過程中,焊絲的對中性對焊縫的成形及焊腳的對稱性具有直接的影響。由于機(jī)械振動的作用焊槍可能出現(xiàn)松動,鋼管與扁鋼中心線也可能會發(fā)生偏移,都將導(dǎo)致焊絲對中發(fā)生偏移。因此,在施焊過程中不斷微調(diào)焊絲的對中位置,是保證焊縫成形質(zhì)量的重要手段。

        3 試驗(yàn)結(jié)果

        焊后對不銹鋼管屏進(jìn)行表面PT探傷檢測,無咬邊、裂紋等缺陷,管屏的幾何尺寸也能夠符合圖紙等標(biāo)準(zhǔn)要求,管屏評定試件如圖5所示。

        圖5 管屏評定試件

        按照J(rèn)B 4420—1989《鍋爐焊接工藝評定》對所焊試件進(jìn)行了取樣檢測。結(jié)果顯示,按照設(shè)定的規(guī)范參數(shù)焊接的管屏,其焊縫焊腳高度、熔池尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16507—2013《水管鍋爐》的要求。

        4 結(jié)論

        (1)SA-213TP347H不銹鋼管屏采用脈沖GMAW雙面焊接方法,通過焊接工藝評定試驗(yàn)獲得了合理的焊接電流、電弧電壓以及焊接速度規(guī)范參數(shù)組合范圍。與此同時,焊絲伸出長度、鋼管和扁鋼的裝配間隙、焊前清理、焊槍傾角等關(guān)鍵因素將會對管屏焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。

        (2)經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證,該焊接工藝完全能保證SA-213TP347H奧氏體不銹鋼管和06Cr18Ni11Ti不銹鋼組成管屏的焊接質(zhì)量,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖紙要求。

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