張 凱張建曉

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室培育基地，蘭州 730314)

1 加氫反應器凸臺堆焊

加氫反應器內(nèi)壁凸臺是用來安放冷氫盤、噴射盤、催化劑支持盤等塔盤內(nèi)件的支撐結構[1-3]，是在筒體內(nèi)壁整圈堆焊成圖紙要求的高度和寬度，如圖1所示。傳統(tǒng)凸臺基層堆焊先采用焊條電弧焊進行打底焊[3]，防止基層埋弧堆焊時由于熱輸入量較大而在凸臺根部產(chǎn)生裂紋[4-5]，焊條電弧焊打底完成后,采用絲極埋弧焊堆焊剩余的凸臺基層。凸臺的不銹鋼復層采用焊條電弧堆焊，所有焊接均在平焊位置進行，如圖2所示。

圖1 筒體與凸臺結構示意

圖2 堆焊凸臺結構示意

在不銹鋼層焊條電弧堆焊時，由于焊條比較短，焊接時需頻繁更換，存在生產(chǎn)效率低[5]、操作者的勞動強度大等問題；而且焊條電弧焊堆焊一般是在平焊位置進行操作，焊接過程中筒體需根據(jù)堆焊位置進行調(diào)整，堆焊過渡層時筒體需翻轉3次才能將過渡層堆焊完成，堆焊表層時也需要調(diào)整3次焊接位置。這樣使得焊接過程不能持續(xù)進行，浪費較多的工作時間，效率得不到提高。由于焊條電弧堆焊一層的厚度一般在2 mm左右，通常堆焊過渡層和面層分別需要堆焊2層，在堆焊時需增加堆焊厚度，以便在后續(xù)加工凸臺時留有足夠的量，使凸臺能加工成型，所以焊條電弧焊堆焊表層、過渡層時每一層次需堆焊2遍，并不能一次堆焊到位。針對上述問題，對凸臺堆焊工藝進行改進，通過采用熔化極氣體保護焊在橫焊位置堆焊來提高堆焊效率。

2 熔化極氣體保護焊橫焊堆焊凸臺

按圖3所示熔化極氣體保護焊進行凸臺堆焊，將手工焊槍固定在較長的支架上，使得加長的焊槍能夠伸入筒體內(nèi)接觸到需要堆焊的凸臺部位。焊槍槍頭可任意轉動角度，支架可上下前后調(diào)節(jié)，以適應不同規(guī)格的工件堆焊。堆焊前調(diào)節(jié)好滾輪架，注意筒體軸向竄動，調(diào)整好焊槍的位置、角度以及導電嘴與工件的距離。堆焊時，將焊機固定、調(diào)節(jié)到位，使筒體在水平位置進行轉動，先在位置1堆焊過渡層，再調(diào)整焊槍，進行位置2過渡層堆焊。在位置1，2部位堆焊時，焊肉應高出位置3，為位置3表層堆焊打好基礎，隨后堆焊位置3的過渡層，表層堆焊時也采用與過渡層相同的方法及順序。

(a)用氣保焊槍進行凸臺堆焊示意

(b)堆焊部位放大圖

3 工藝試驗

由于采用熔化極氣體保護焊在橫焊位置堆焊時,堆焊層厚度較難控制，而對于加氫反應器凸臺堆焊，必須控制每層的厚度，以保證表層有效厚度不小于3 mm，所以，工藝試驗的主要目的是在橫焊位置堆焊出滿足加氫反應器凸臺不銹鋼復層厚度要求的凸臺，同時保證焊道成型及其焊接質(zhì)量等。

3.1 試驗材料

(1)試件。本次試驗為模擬實際凸臺堆焊結構，試件為圓形，方便轉動，試件材料Q345R，厚度δ=22 mm。

(2)焊接材料。實芯焊絲ER309L/ER347L，規(guī)格為?1.2 mm，保護氣體分別為純CO2氣體和80%Ar+20%CO2混合氣體。

3.2 試件焊接

對試件表面清理后，將其放置在變速滾輪架上，如圖4(a)所示，試件堆焊表面與水平方向垂直，焊槍垂直對準試件表面；從試件底部邊緣沿圓周方向堆焊如圖4(b)所示，依次向圓心遞進，堆焊位置為橫焊。保護氣體分別為CO2和80%Ar+20%CO2，氣體流量為20 L/min，焊接工藝規(guī)范如表1所示。

試件外圓堆焊時采用純CO2氣體保護，由于受電弧斑點作用，焊接過程中飛濺很大，焊縫成型差[6-8]，在表面不加工的情況下難以達到堆焊表層的質(zhì)量要求。改用80%Ar+20%CO2混合氣體對焊道進行保護，外觀質(zhì)量得到了明顯的改善[9]，堆焊后的效果如圖5所示。

(a) (b)

圖5 不同保護氣體對應堆焊焊道及外觀

在試件焊接過程中，堆焊層厚度是一個重要的控制因素，由于試件轉動時線速度不一致，每道堆焊層焊接速度逐漸提高，因此，必須根據(jù)焊道成型厚度調(diào)整滾輪架的旋轉速度。

4 試驗結果及分析

試件堆焊完畢后對堆焊層進行厚度測量及無損檢測[10]，按NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》進行100%UT檢測，按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進行100%PT檢測，合格后對表層的化學成分、鐵素體數(shù)、硬度及彎曲等性能進行測量。

4.1 化學成分及鐵素體測量

(1)化學成分。

熱處理前，按GB/T223 規(guī)定的方法進行化學分析，在距表面2.0～2.5 mm范圍內(nèi)取樣。表層化學成分見表2。

表2 堆焊表層化學成分 %

(2) 鐵素體測量。

鐵素體測量可采用鐵素體儀測量和用WRC-1992(FN)圖測算兩種方法。鐵素體測定儀在焊態(tài)下測量的數(shù)值為4.5，3.8，4.3，4.2，4.6，4.1，均值為4.25，其合格指標為3～10。根據(jù)化學成分計算得到：Cr當量=Cr+Mo+0.7Nb=19.865，Ni當量=Ni+35C+20N+0.25Cu=13.122 5，在WRC-1992(FN)圖中確定鐵素體含量FN=5。

試驗測量得到的化學成分均在合格指標范圍內(nèi)，鐵素體數(shù)也能滿足要求。

4.2 硬度及彎曲試驗

在堆焊試件斷面測量過渡層及表層的顯微硬度(HV)，測量得到過渡層硬度分別為194，195，191，表層硬度分別為208，202，206，合格指標為≤248HV10，上述所測硬度值均能達到要求。

按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行彎曲試驗，彎曲試驗中取大小側彎各4件，彎心直徑d=4a，a=10 mm，彎曲角度α=180°。試樣的尺寸分別為10 mm×10 mm，3 mm×10 mm。試件在堆焊層和熔合線上均無任何開口缺陷和裂紋，其宏觀照片如圖6所示。

圖6 大小側彎試樣

4.3 金相組織及腐蝕試驗

試樣過渡層的金相組織見圖7，表層的金相組織見圖8。由圖7可以看出，過渡層組織為奧氏體加少量的鐵素體，表層的組織也是奧氏體加少量的鐵素體。一定量的鐵素體能夠增強不銹鋼焊道金屬的抗熱裂紋性能，且鐵素體可以提高焊道的強度。

圖7 過渡層金相組織

圖8 表層金相組織

腐蝕試驗按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E“不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法”進行，腐蝕后試件表面無裂紋，表明熔化極氣體保護焊的堆焊層能達到規(guī)定的耐蝕要求。

5 結語

從以上數(shù)據(jù)可知，熔化極氣體保護焊橫焊堆焊各項指標都能滿足要求，可以在產(chǎn)品中得到應用，而且熔化極氣體保護焊與焊條電弧焊相比還有以下特點。

(1)使手工操作焊變?yōu)闄C械半自動焊，提高了焊接效率。焊條電弧焊在筒體堆焊一圈產(chǎn)生很多接頭，造成浪費且焊接效率低，而采用熔化極氣體保護焊堆焊的焊道整齊，并且可連續(xù)施焊。

(2)采用熔化極氣體保護焊堆焊時，筒體無需翻轉，在同一水平位置持續(xù)進行焊接，堆焊一層的厚度可以達到3 mm左右，所以表層、過渡層的堆焊可以一次性堆焊到位。需要注意的是，熔化極氣體保護焊堆焊對筒體的橢圓度有較高的要求，在堆焊凸臺之間，需對筒體橢圓度進行測量,使其盡量控制在20 mm以內(nèi)，防止在堆焊過程中部分位置堆焊不到。