隨焊超聲波在火力發(fā)電廠焊接的應(yīng)用

趙飛　徐聰　劉廣勝　華磊

摘 ?要：火力發(fā)電廠的運(yùn)行工況復(fù)雜，要求受熱面及汽水管道焊縫具有良好的焊接質(zhì)量。本文綜述了在火力發(fā)電廠常見材質(zhì)焊接中使用隨焊超聲波，將超聲引入到電弧焊接過程，改善電弧形態(tài)、熔滴過渡以及焊縫成型。結(jié)果表明，隨焊超聲波技術(shù)可以有效優(yōu)化SA-210C、12Cr1MoVG、T91和TP347的組織，提高焊接接頭的力學(xué)性能，降低缺陷存在的比例，提升了焊接一次合格率。最后對隨焊超聲振動在火力發(fā)電廠手工電弧焊接中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠;隨焊超聲; 電弧形態(tài); 焊縫組織

0.前言

2018年全國發(fā)電量6.99萬億千瓦時(shí)，火力發(fā)電4.92萬億千瓦時(shí)，占比70.4%。火力發(fā)電廠在工、民用電中承擔(dān)主要電力供應(yīng)，并在全國電網(wǎng)中承擔(dān)著調(diào)峰的重要作用[1]?；鹆Πl(fā)電廠以其巨大的裝機(jī)總量和強(qiáng)大的調(diào)控能力占據(jù)著舉足輕重的地位。作為火力發(fā)電廠安裝和檢修過程中的重要生產(chǎn)手段，焊接一直是國內(nèi)外專家不斷研究和發(fā)展的重要課題。

超聲波是一種頻率高于20000Hz 的機(jī)械波，承載著能量的傳遞，具有傳播性好、振動頻率高等特點(diǎn)。研究表明，超聲波熔體處理在鑄造領(lǐng)域，是對于鑄件的晶粒細(xì)化的一種簡單而有效的方法，基于焊接和鑄造在成型階段有一定的共性，可以通過在熔體中產(chǎn)生的超聲傳動對焊接進(jìn)行優(yōu)化。本文研究了對不同材質(zhì)施加接觸式隨焊超聲[2]輔助手工電弧焊接，直接或者間接作用于熔池[3]，影響焊縫的成型過程，改善焊縫組織，達(dá)到了提高焊接質(zhì)量的作用。

1.接觸式超聲傳入設(shè)置

超聲波良好的傳播性，將超聲波施加在工件上，使主聲束沿工件向焊縫熔池傳播，電源采用12V直流電源，通過換能器產(chǎn)生超聲波振動，在濾波器保留22MHz的波，通過工具頭作用于工件，工具頭有一定的傾斜角度，使主聲束沿工件傳播到熔池，作用于焊接過程。隨焊超聲波改善電弧形態(tài)、熔滴過渡以及焊縫成型[4]，施加隨焊超聲利用其空化作用產(chǎn)生的過冷形核和破碎枝晶作用，提高形核率，抑制晶粒長大，降低焊接殘余應(yīng)力。焊縫組織從柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，提升拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長率，提高了抗疲勞性能，同時(shí)還可以減少氣孔，最終提高焊接接頭力學(xué)性能。

2.火力發(fā)電廠常見金屬的超聲隨焊的研究

火力發(fā)電廠常見金屬材質(zhì)包括SA210-C、15CrMo、12Cr1MoVG、T91、T92、SUS304、TP347、HR3C等，主要構(gòu)件包括水冷壁、包墻、中隔墻、屏式過熱器、低溫過熱器、高溫過熱器、低溫再熱器、高溫再熱器、省煤器、集箱和連接管等，根據(jù)材料組織和性能的相似性[5]，選取SA210-C、12Cr1MoVG、T91、TP347四種材料的組件進(jìn)行超聲隨焊的研究。

2.1 SA210-C施加隨焊超聲波

SA210-C是電廠常見的材質(zhì)之一，常用于低溫過熱器下部、水冷壁下部、省煤器系統(tǒng)和連接管道等，組織為鐵素體加珠光體，焊縫硬度值為不大于母材硬度值加100HB，不低于母材的90%硬度值。選取規(guī)格Φ60×10，材質(zhì)SA210-C，2G焊口，采用氬弧焊加電弧焊（GTAW+SMAW）的焊接方式。加載22KHz，功率1.8KW的超聲振動。保持其他條件不變，超聲隨焊與常規(guī)焊接相比，晶粒有明顯細(xì)化，熔深提高了近25%。焊接一次合格率從98.7%提升至99.2%，缺陷出現(xiàn)率從7.5%降低至5.0%，焊縫布氏硬度值225HB。

2.2 ?12Cr1MoVG施加隨焊超聲波

12Cr1MoVG是電廠常見的材質(zhì)之一，常用于水冷壁上部，低溫過熱器上部，低溫再熱器下部、集箱以及連接管。組織為鐵素體加珠光體[6]，焊縫硬度值為不大于母材硬度值加100HB，不低于母材的90%硬度值[7]。選取規(guī)格Φ76×16，材質(zhì)12Cr1MoVG，5G焊口，采用氬弧焊打底加手工電弧焊填充（GTAW+SMAW）的焊接方式。通過加載22KHz，功率1.8KW的超聲振動，保持其他條件不變，超聲隨焊與常規(guī)焊接相比，晶粒有明顯細(xì)化[8]，熔深提高了近25%。焊接一次合格率從98.5%提升至99.1%，缺陷出現(xiàn)率從7.5%降低至5.2%，焊縫布氏硬度值236HB。

2.3 ?T91施加隨焊超聲波

T91是電廠常見的材質(zhì)之一，常用于低溫再熱器上部，高溫過熱器和連接管道等，組織為回火馬氏體[9]，焊縫硬度范圍185-290HB。選取規(guī)格Φ54×7.5，材質(zhì)T91，6G焊口，采用氬弧焊（GTAW）的焊接方式。加載22KHz，功率2KW的超聲振動。保持其他條件不變，超聲隨焊與常規(guī)焊接相比，晶粒有一定程度細(xì)化，熔深提高了近15%。焊接一次合格率從97.2%提升至97.7%，缺陷出現(xiàn)率從12.8%降低至8.5%，焊縫布氏硬度值244HB。

2.4 TP347施加隨焊超聲波

TP347是電廠常見的材質(zhì)之一[10，常用于屏式過熱器、高溫再熱器等，因其塑性較好，一般無硬度要求。選取規(guī)格Φ54×9，材質(zhì)TP347，2G焊口，采用氬弧焊（GTAW）的焊接方式。加載22KHz，功率1.5KW的超聲振動。保持其他條件不變，超聲隨焊與常規(guī)焊接相比，晶粒有明顯細(xì)化，熔深提高了近23%。整個(gè)焊縫區(qū)元素分布均勻，從而提高了焊接接頭的耐蝕性。焊接一次合格率無明顯變化，維持在99.5%，焊縫布氏硬度值144HB。

3. 結(jié)論與展望

1.施加隨焊超聲的焊縫組織有明顯的晶粒細(xì)化，硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.焊接一次合格率有較小程度提升，缺陷出現(xiàn)率有較大幅度降低。

3.由于焊接過程時(shí)間短、溫度變化快、且熔池體積小，超聲作用有限，所以熔池引入超聲振動的施加裝置和位置還需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

張濤，王成，等，考慮虛擬電廠參與的售電公司雙層優(yōu)化調(diào)度模型[J]，電網(wǎng)技術(shù)，2019 Vol.43，Issue（3）：852-960;

范成磊，超聲在電弧焊接中的應(yīng)用[J]，精密成形工程，2017年11月，57-66;

劉偉，不同工藝參數(shù)對金屬熔滴沉積成形影響[J]，焊接學(xué)報(bào)，2018（39）12，82-88;

作者簡介：趙飛（出生年1989-）， 男， 安徽合肥， 本科， 工程師，安徽電建二公司金屬試驗(yàn)室， 研究方向?yàn)闊o損檢測和焊接。