集箱短管接頭內(nèi)孔氬弧焊工藝及接頭性能

武云龍，徐祥久，黃超，陳怡

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046)

0 前言

集箱是電站鍋爐中重要的受壓元件，通常與水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器以及連接管道相連，起著工作介質(zhì)的匯集和分配的作用。電站鍋爐集箱一般由筒體、三通、彎頭、端蓋、大管接頭、小管接頭及附件等部分組成。其中以小管接頭的數(shù)量為最多，且制造過程中與集箱筒身焊接難度大，大部分仍只能采用手工操作的方法進(jìn)行焊接，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，已成為目前制約電站鍋爐集箱機(jī)械化和自動(dòng)化制造的一個(gè)瓶頸環(huán)節(jié)［1－4］。

一些塔式結(jié)構(gòu)的電站鍋爐中，集箱多設(shè)計(jì)為短管接頭的形式，管接頭的長度一般在80～150 mm范圍內(nèi)，并且管接頭為無彎曲部分的直管接頭，這為其與集箱筒身焊接提供了足夠的外圍操作空間。一些設(shè)備制造廠家研究的特種鎢極氬弧焊設(shè)備，可由管端部插入到管接頭內(nèi)部，通過調(diào)整鎢極位置到待焊部位，在管接頭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)小管接頭與集箱筒體之間的打底焊接，并將這種焊接方法稱之為內(nèi)孔氬弧焊。

1 短管接頭的內(nèi)孔焊接

根據(jù)集箱在電站鍋爐中的位置和作用的不同，其結(jié)構(gòu)尺寸以及材料會(huì)有較大差別，但小管接頭均為成排布置，有的一個(gè)集箱上就多達(dá)20排管接頭，數(shù)量可達(dá)近千個(gè)。圖1a為鍋爐集箱中常見短管接頭布置的簡圖，僅示出1排管接頭;圖1b為實(shí)際短管接頭集箱照片。

圖1 集箱成排短管接頭

根據(jù)集箱設(shè)計(jì)溫度和壓力的不同，這種小管接頭的焊接結(jié)構(gòu)也會(huì)采用不同的形式，對于要求全焊透的小管接頭，需用鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊，焊接過程中采用單面焊雙面成形的操作技巧，保證焊縫背面成形和根部的全焊透。

圖2為內(nèi)孔氬弧焊這種小管接頭時(shí)采用的焊接坡口形式，焊接接頭為角接結(jié)構(gòu)的對接焊縫。焊接過程中焊槍在管接頭內(nèi)部引弧并旋轉(zhuǎn)，在無填充金屬的情況下通過電弧加熱兩側(cè)被焊材料并使其熔化，形成焊接熔池，電弧經(jīng)過后熔池中液態(tài)金屬凝固形成打底焊縫。

圖2 內(nèi)孔氬弧焊坡口形式

這種焊接方法的生產(chǎn)效率約為手工氬弧焊的3倍，且機(jī)械化焊接工人勞動(dòng)強(qiáng)度較低，在相同的工藝參數(shù)下可獲得質(zhì)量穩(wěn)定優(yōu)良焊縫，同時(shí)克服了焊接過程中因管接頭之間距離過小而造成的操作困難問題。

2 試驗(yàn)材料及方法

SA－213T91小口徑鋼管為電站鍋爐集箱管接頭常用的材料，且其焊接難度及焊接接頭質(zhì)量要求在鍋爐集箱的制造中均較常規(guī)材料高，因此能實(shí)現(xiàn)該材料的內(nèi)孔氬弧焊接對電站鍋爐集箱制造有重要意義。試驗(yàn)采用直徑為51 mm，壁厚為13 mm的SA－213T91小口徑管進(jìn)行焊接及接頭性能研究，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 SA－213T91力學(xué)性能

為便于分析焊接接頭的力學(xué)性能，采用對接接頭形式代替角接(圖3)，但焊接坡口的角度、鈍邊厚度、裝配間隙與產(chǎn)品角接接頭一致。

圖3 試驗(yàn)所用焊接坡口形式

焊接過程中首先采用內(nèi)孔氬弧焊機(jī)在管接頭內(nèi)部進(jìn)行打底焊，采用純氬作為焊槍保護(hù)氣體，氣體流量8～10 L/min，管接頭外側(cè)同樣采用氬氣進(jìn)行背面保護(hù)，以防焊縫背面氧化。然后采用焊條電弧焊填充和蓋面焊接，以獲得完整的焊接接頭。為防止在焊接過程中產(chǎn)生裂紋，焊前預(yù)熱溫度控制在200℃以上，層間溫度控制在200～300℃范圍內(nèi)。

表2為內(nèi)孔氬弧焊工藝參數(shù)，表3為焊條電弧焊工藝參數(shù)。焊后對焊接接頭進(jìn)行RT檢測，合格后進(jìn)行755±15℃，保溫8 h的消應(yīng)力熱處理，降低焊接接頭應(yīng)力。

表2 內(nèi)孔氬弧焊工藝參數(shù)

表3 焊條電弧焊工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 金相組織

圖4為焊接接頭的斷面宏觀照片，根部內(nèi)孔氬弧焊區(qū)焊縫成形優(yōu)良，焊接接頭內(nèi)側(cè)有0.2～0.5 mm的余高，且與兩側(cè)母材過渡平滑，不存在咬邊、未焊透、未熔合以及氣孔等缺陷。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

圖5為焊接接頭內(nèi)孔氬弧焊區(qū)域的微觀組織照片。焊縫和熱影響區(qū)的組織均為回火馬氏體組織，晶粒及組織尺寸均勻細(xì)小，為SA－213T91焊接接頭正常組織。

3.2 力學(xué)性能

焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)兩個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度分別為695 MPa和730 MPa，均高于SA－213T91管子標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值585 MPa，而且兩試樣均首先在焊縫旁的母材位置出現(xiàn)頸縮，說明焊接接頭強(qiáng)度滿足使用要求。焊接接頭的4個(gè)橫向側(cè)彎試樣，在經(jīng)歷180°彎曲后，在彎曲受拉面及其棱角上均未發(fā)現(xiàn)任何開口缺陷(圖6)，焊接接頭表現(xiàn)出優(yōu)良的塑性。

圖5 焊接接頭金相組織

圖6 彎曲試樣

4 結(jié)束語

SA－213T91小口徑管自身對接焊試驗(yàn)表明，采用內(nèi)孔氬弧焊方法進(jìn)行集箱小管接頭的打底焊是一種正確選擇。然后采用SMAW，F(xiàn)CAW，SAW等方法進(jìn)行填充和蓋面焊，既可保證小管接頭與集箱筒體之間的全焊透焊接，又可提高焊接效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，內(nèi)孔氬弧焊已成功應(yīng)用于電站鍋爐集箱短管接頭的焊接生產(chǎn)中，用于焊接 SA－210C，SA－213T12，15CrMoG，12Cr1MoVG，SA－213T91等材料管接頭與集箱筒身之間的全焊透打底焊接。

目前內(nèi)孔氬弧焊技術(shù)只適用于長度在一定范圍內(nèi)的直管接頭與集箱筒體焊接，受不同鍋爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，并非所有集箱管接頭均可采用這種焊接方式，另外，采用內(nèi)孔氬弧焊方法，對焊接坡口的加工及裝配精度要求較高，焊前需嚴(yán)格控制管接頭的長度、內(nèi)徑和鈍邊厚度等關(guān)鍵尺寸。

［1］ 張瑋，劉自軍，潘乾剛，等.12Cr1MoV鋼藥芯焊絲工藝試驗(yàn)研究及其在鍋爐集箱上的應(yīng)用［J］.電焊機(jī)，2010，40(2):100－104.

［2］ 萬軍，李宜男，楊松，等.機(jī)器人在集箱管接頭焊接制造中的應(yīng)用［J］.焊接，2001(11):30－32.

［3］ 劉富君，唐萍，凌張偉，等.電站鍋爐集箱管座角焊縫缺陷安全性分析方法［J］.焊接學(xué)報(bào)，2013(10):83－86.

［4］ 陳二松.電站鍋爐集箱管座接頭焊縫裂紋分析［J］.熱加工工藝，2013，42(13):209－213.