大型筒體埋弧自動焊的焊接工藝

李玉柱,于華

(1.鄭州華電鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有限公司,河南 鄭州 450052;2.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

1 16Mo3耐熱鋼筒體的焊接工藝評定

?6m×8.2m窯筒體是大型回轉(zhuǎn)窯,其主要技術(shù)難點(diǎn)是:

(1)筒體中有相當(dāng)部分的筒體板的材質(zhì)為16Mo3,該鋼種為珠光體耐熱鋼,耐熱鋼的埋弧自動焊沒有成熟經(jīng)驗(yàn)。

(2)輪帶筒節(jié)上的墊板為螺栓堅(jiān)固結(jié)構(gòu),即為活墊板,為確保活墊板加工后的薄厚差≤3mm,必須嚴(yán)格控制輪帶筒節(jié)外徑為?5000mm的筒體橢圓度≤3mm,該產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程均由外商現(xiàn)場監(jiān)制。該產(chǎn)品圖紙技術(shù)要求高,制作難度大,因此,制作合理的焊接工藝規(guī)程非常關(guān)鍵。

1.1 試板的焊接

(1)焊接性分析。對 16Mo3鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析可知,該鋼中 C,Mn,Si,Ni,Cr,Mo,P,S,Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.172%,0.770%,0.260%,0.060%,0.040%,0.330%,0.013%,0.001%,0.030%;進(jìn)行力學(xué)性能分析可知,σb為 505MPa,σs為 360MPa。

1)16Mo3中的 Mo元素是中強(qiáng)碳化物形成元素,在鋼中與碳結(jié)合生成細(xì)小的碳化物,起彌散強(qiáng)化作用。同時(shí),能夠推遲珠光體的轉(zhuǎn)變,細(xì)化珠光體晶粒,提高鋼的強(qiáng)度。Mo溶解在 α固溶體時(shí),固溶體發(fā)生晶格畸變,以提高晶格原子鍵引力,增強(qiáng) α鐵素體的再結(jié)晶溫度,析出較穩(wěn)定的碳化物,從而提高鋼的中溫強(qiáng)度。

2)根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式,其碳當(dāng)量為 0.38%時(shí),16Mo3具有良好的焊接性,與低合金結(jié)構(gòu)鋼相似。

3)16Mo3鋼在焊接過程中有一定的淬硬傾向、冷裂傾向,當(dāng)室溫≤20℃時(shí)應(yīng)考慮焊前預(yù)熱;當(dāng)筒體板厚分別為 δ=45mm,δ=75mm時(shí),考慮到其鋼板拘束度大,焊前均應(yīng)預(yù)熱并合理選擇焊接工藝參數(shù)。

(2)焊接材料及方法。工藝評定用 2塊試板,試板尺寸為 40mm×400mm×400mm,打底、填充及蓋面全部采用埋弧自動焊,直流反接。選擇焊接材料時(shí),為提高焊縫金屬抗裂性能,所選焊縫金屬的含碳量應(yīng)略低于母材,鉚工定位焊時(shí)用 R102焊條,直徑 ?4mm;埋弧自動焊時(shí)材料選用 H08MnMoA焊絲,直徑 ?4mm,配 HJ350焊劑。為確保焊縫質(zhì)量滿足探傷要求,采用全焊透的雙 V形坡口,邊緣及坡口內(nèi)部應(yīng)無金屬屑、毛刺、氣割熔渣及缺陷,試板坡口形式如圖 1所示。

圖1 試板坡口形式

(3)焊接工藝規(guī)程。焊前準(zhǔn)備。檢查坡口尺寸及裝配質(zhì)量,要求錯(cuò)邊量≤1.5mm,筒體裝配必須保證間隙均勻、高低平整,在坡口處和坡口邊緣10～20mm范圍內(nèi)將銹蝕、油污、氧化皮、水分等雜質(zhì)清理干凈,露出金屬光澤;焊條經(jīng) 350～400℃烘干 2h,隨取隨用;將焊絲表面的銹蝕、油污清理干凈,有局部折彎時(shí)應(yīng)在盤絲機(jī)上校直,露出金屬光澤;焊劑經(jīng) 250～350℃烘干。

試板的焊接為短弧多層多道焊。雙面對稱施焊,反面嚴(yán)格清根,以徹底清除氧化皮,每層焊完后要清除熔渣,合理運(yùn)條,防止在層間邊緣出現(xiàn)未熔合、咬邊、氣孔等缺陷,焊前要預(yù)熱 100～150℃,層間溫度控制在 100～200℃之間。焊接工藝規(guī)范參數(shù)見表 1。

表1 焊接工藝規(guī)范參數(shù)

1.2 工藝評定結(jié)果

WAW-Y500微機(jī)控制電流伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了拉伸、彎曲試驗(yàn),沖擊試驗(yàn)是在 JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果詳見表 2、表 3、表 4。

表2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 焊接接頭的側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

表4 焊接接頭的沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

上述焊縫的機(jī)械性能均滿足丹麥 F.L.SMITH公司圖紙技術(shù)要求,焊縫探傷也達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,說明試板的焊接工藝可行,用該焊接工藝規(guī)程對窯筒體進(jìn)行施焊焊縫質(zhì)量可靠。

1.3 沖擊斷口形貌分析

圖2為試樣 2、試樣 3中斷區(qū)的微觀斷口形貌,由斷口微觀形貌分析原理可知,河流花樣是脆性斷裂斷口微觀形貌的一種標(biāo)志,而韌性斷裂微觀形貌多表現(xiàn)為韌窩。很明顯可以看出,圖 2a斷口形貌為大量的韌窩,且是拉長的,表明塑性變形量比較大,而在試樣 3的終斷區(qū)發(fā)現(xiàn)了河流花樣較多,表明試樣 3有脆性斷裂特征,這與沖擊試驗(yàn)結(jié)果試樣 3的沖擊韌度值較低是相吻合的。

通過掃描電鏡對沖擊斷口形貌進(jìn)行觀察分析可知,缺口在焊縫區(qū)的試樣,其斷口形貌主要為韌窩,而缺口在熱影響區(qū)的試樣,斷口形貌出現(xiàn)很多河流花樣,有脆性斷裂特征,其沖擊韌性低,雖然熱影響區(qū)的沖擊斷口的微觀形貌中出現(xiàn)脆性斷裂特征,但其沖擊韌度值符合圖紙技術(shù)要求。

2 筒體裝焊時(shí)的工藝

2.1 輪帶筒節(jié)橢圓度的控制

(1)嚴(yán)格控制筒體板備料時(shí)的尺寸精度和形位公差,加強(qiáng)過程控制,制定筒體關(guān)鍵件工序跟蹤卡,對備料階段的每一道工序(下料→氣割→刨邊)層層控制,嚴(yán)格把關(guān),確保備料件筒體板的尺寸精度和形位公差符合下列要求:對角線差≤1.5mm、兩長邊(短邊)差≤0.5mm、周邊直線度≤1mm。

(2)為保證外圓周長誤差 ±5mm,考慮到筒體板在卷制過程中會被碾長,下料階段的筒體板展開長按直徑 -5mm備制。

(3)鉚工滾圓時(shí)盡可能減少滾制遍數(shù),以減少筒體的碾長量。

圖2 終斷區(qū)形貌

(4)下料所做的卡樣板的長度為 2m,滾圓曲率應(yīng)達(dá)到樣板與筒體貼合嚴(yán)密,其間隙不大于 1mm。

(5)裝焊縱縫并在意大利三輥卷板機(jī)壓焊縫找圓后,應(yīng)在筒體兩端裝焊“米”字支撐。

2.2 各運(yùn)輸段的裝配工藝

裝配運(yùn)輸段時(shí)首先要根據(jù)簡體的直徑、筒節(jié)、運(yùn)輸段及簡體長度調(diào)整裝配輪胎。然后,按照設(shè)計(jì)圖紙及排料圖的順序把筒節(jié)放到輪胎上,在裝配過程中,要注意輪帶筒節(jié)的檔次、筒節(jié)方向基準(zhǔn)中心線標(biāo)注的正確性。在筒內(nèi)進(jìn)行操作時(shí)要將 4條中心對齊 ,先固定 2點(diǎn)(如 0°,90°),轉(zhuǎn)動 90°后再點(diǎn)焊其余2點(diǎn) (如 90°,270°),保證對口間隙為 0 ～1mm。其相臨簡節(jié)內(nèi)壁的平直度是靠平尺(長度 1000～2000 mm)來控制的。調(diào)整好后,先用工藝連接板固定再點(diǎn)焊坡口。焊接后,要保證在任一運(yùn)輸段的端面處的圓周長度公差為 0.25%D,兩相臨運(yùn)輸段在接縫處的周長差≤0.2%D且不得大于 7mm;長度公差為運(yùn)輸段的 0.025%;兩端面的偏差≤1mm。運(yùn)輸段或筒體裝配焊接后,卸掉工藝支撐保留運(yùn)輸支撐,并磨掉點(diǎn)焊疤。

3 結(jié)束語

(1)?5m×80m窯筒體材質(zhì)為珠光體耐熱鋼(16Mo3),其縱、環(huán)縫等關(guān)鍵焊縫均采用埋弧自動焊,焊接材料選用 H 08MnMoA焊絲,直徑 ?4mm,焊劑 HJ 350。工藝評定中各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果都滿足圖紙技術(shù)要求,筒體的焊接工藝規(guī)程切實(shí)可行。

(2)通過掃描電鏡對沖擊斷口形貌進(jìn)行觀分析,缺口在焊縫斷的試樣斷口形貌主要為韌窩,而缺口熱影響區(qū)的試樣斷口形貌出現(xiàn)了河流花樣,有脆性斷裂特征,其沖擊韌性低,微觀分析結(jié)果與工藝評定試驗(yàn)結(jié)果一致。

(3)該類鋼的大型結(jié)構(gòu)件埋弧自動焊的生產(chǎn)制作,為類似產(chǎn)品的生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]張曉娟,馮啟華,姚鵬武.埋弧焊焊縫沖擊斷口評定簡析[J].焊管,2005(6):100-102.

[2]于華,權(quán)建軍,李偉武,等.壓力鋼管的焊接工藝規(guī)程[J].焊接技術(shù),2002(6):44-46.

[3]陳裕川.焊接工藝評定手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:240-241.

[4]俞逢英.焊接接頭實(shí)驗(yàn)方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:35-53.