淺析FCAW在鍋爐制造中的應(yīng)用

徐祥久

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046; 2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 前言

藥芯焊絲電弧焊(Flux-cored arc welding, FCAW)，因具有焊接生產(chǎn)效率高、焊縫成形美觀、焊接飛濺少等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)制造中被廣泛應(yīng)用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等材料的焊接，尤其是在船舶、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)[1-2]。FCAW是一種熔化極電弧焊工藝，一般分為氣體保護(FCAW-G)和自保護(FCAW-S)兩種形式，氣體保護FCAW為氣、渣雙重保護模式，焊接工藝性優(yōu)良，可以獲得理想的焊縫形貌，在實際焊接生產(chǎn)中應(yīng)用更為普遍[3-5]。

目前，國外一些企業(yè)已在鍋爐承壓部件中廣泛使用FCAW方法[6-7]。然而，國內(nèi)在鍋爐、壓力容器等承壓設(shè)備制造時使用FCAW方法，行業(yè)內(nèi)仍存在不同意見[8-9]，文中結(jié)合具體材料、焊接結(jié)構(gòu)和應(yīng)用實踐，針對氣體保護FCAW在國內(nèi)鍋爐制造中的應(yīng)用進(jìn)行簡要分析。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

NB/T 47018.1—2017《承壓設(shè)備焊接材料訂貨技術(shù)條件 第1部分：采購?fù)▌t》中規(guī)定碳鋼和低合金鋼藥芯焊絲應(yīng)為堿性渣系，并要求在訂貨合同中包含保證藥芯成分、藥芯填充均勻性的具體內(nèi)容和檢驗方法，以及打開真空包裝后保證熔敷金屬擴散氫含量的措施。一是考慮酸性渣藥芯焊絲熔敷金屬含氧量高，焊后熱處理后沖擊韌性差，抗裂性不佳；二是通過對焊絲制造過程控制，保證藥芯成分、藥芯填充均勻性，以獲得成分均勻、性能穩(wěn)定的熔敷金屬；三是避免在使用過程中，受環(huán)境因素等影響，開包焊絲熔敷金屬擴散氫含量超標(biāo)。

關(guān)于國外標(biāo)準(zhǔn)對FCAW的在承壓設(shè)備制造中的使用要求，文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了系統(tǒng)分析。目前，國外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并未禁止FCAW方法用于鍋爐、壓力容器等承壓設(shè)備的焊接，但是相應(yīng)的提出了一些使用限制條件。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

21世紀(jì)初，氣體保護FCAW便已在國內(nèi)鍋爐制造行業(yè)中開始應(yīng)用[10-11]。目前，一些鍋爐廠已將氣體保護FCAW作為成熟工藝用于碳鋼、鉻鉬鋼(15CrMoG，12Cr1MoVG，SA-335 P91)材料集箱、鍋筒等部件接管和附件的焊接[12-14]，因焊接生產(chǎn)效率和成本與埋弧焊比存在差距等因素，罕有采用氣體保護FCAW焊接鍋筒、集箱等部件的縱縫和環(huán)縫。由于施焊工藝性能好，焊縫表面成形美觀，目前所用焊絲大多為酸性渣系藥芯焊絲。2017年，新版《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》(NB/T 47018.1～47018.5—2017)發(fā)布并實施以來，酸性渣系藥芯焊絲不再被允許用于鍋爐、壓力容器等承壓設(shè)備，各鍋爐廠開始考慮如何進(jìn)行酸性渣系藥芯焊絲的替代問題，但因堿性渣系藥芯焊絲施焊工藝性不良、生產(chǎn)廠家少等原因，堿性渣系藥芯焊絲至今仍未在鍋爐制造行業(yè)廣泛應(yīng)用[15]。

3 實際情況

鍋爐產(chǎn)品實際焊接生產(chǎn)時，筒體的縱縫、環(huán)縫焊接以埋弧焊方法為主，小口徑管對接環(huán)縫以鎢極氬弧焊方法為主，很少采用FCAW方法。目前，F(xiàn)CAW在鍋爐制造中仍主要用來焊接鍋筒、集箱的大管接頭、集箱小管接頭、耳板及一些附件。

3.1 大管接頭的焊接

大管接頭是鍋爐集箱和鍋筒常見的結(jié)構(gòu)形式，大管接頭與筒體之間一般為座式馬鞍形焊接坡口，通常要求全焊透，如圖1a所示。大管接頭采用氣體保護FCAW焊接之前需采用鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊，保證首層焊縫單面焊雙面成形，然后采用FCAW進(jìn)行填充和蓋面焊接，否則易產(chǎn)生根部未焊透缺陷[16-17]。此類焊接接頭焊后可采用超聲波進(jìn)行無損檢測，能保證最終產(chǎn)品焊縫無缺陷，圖1b為采用氣體保護FCAW焊接的15CrMG大管接頭焊縫截面照片。需要注意的是，TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》發(fā)布實施以來，A級鍋爐鍋筒、合金鋼集箱類部件和管道對焊縫熔敷金屬和熱影響區(qū)沖擊韌性進(jìn)行了要求，使用FCAW方法焊接大管接頭時應(yīng)保證所用焊材熱處理后的沖擊韌性符合要求。

圖1 大管接頭焊接結(jié)構(gòu)

3.2 耳板的焊接

耳板采用氣體保護FCAW方法進(jìn)行焊接，比傳統(tǒng)焊條電弧焊的效率提高一倍以上，因此各鍋爐制造廠的耳板焊接大多采用FCAW工藝。因耳板一般為承載件，采用FCAW與承壓的筒體焊接時既要保證焊接接頭的沖擊韌性滿足要求，還要保證焊縫根部無缺陷。耳板焊縫通常要求全焊透(圖2)，在采用小角度坡口焊接時，焊縫根部極易產(chǎn)生未焊透、未熔合和夾渣等缺陷。因此雙面焊接時，背面需進(jìn)行清根保證焊縫根部無缺陷后再焊接，厚板采用K形坡口時，適當(dāng)加大根部間隙和坡口角度有利于減少根部缺陷，焊后可對焊縫進(jìn)行超聲波檢測，保證焊縫內(nèi)部無缺陷。

圖2 耳板焊接結(jié)構(gòu)

3.3 小接管的焊接

集箱為鍋爐中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜一種部件，其上通常布置一定數(shù)量的小管接頭。20世紀(jì)，國內(nèi)對于集箱管接對的焊接主要為焊條電弧焊一種方法。隨著焊接工藝裝備和技術(shù)的不斷進(jìn)步，新工藝方法開始逐步在集箱管接頭焊接中應(yīng)用，主要包括內(nèi)孔氬弧焊、埋弧焊、FCAW，以及一些采用機器人焊接的嘗試[18]。

對于集箱小管接頭采用氣體保護FCAW焊接，需特別注意焊接坡口對焊縫質(zhì)量的影響。一般情況下，為降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，往往選擇小角度窄坡口。當(dāng)采用FCAW工藝時，窄坡口對電弧位置精度要求會較高，根據(jù)最小電壓原理，電弧不易到達(dá)窄坡口內(nèi)理想的位置，操作不當(dāng)會在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生夾渣、未熔合、根部未焊透等缺陷。另外，由于集箱管接頭直徑一般在28～76 mm范圍內(nèi)，且小管接頭多為密排布置，焊接操作空間受限，每道焊縫焊接過程中均需大幅度調(diào)整焊槍姿態(tài)，以適應(yīng)焊縫在圓周方向的曲率變化。因此，采用手工操作的氣體保護FCAW焊接集箱管接頭時，電弧位置、焊接速度、焊絲伸出長度等不易控制，更容易導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。圖3為采用牌號為E501T-1焊絲CO2氣體保護FCAW所獲得的集箱管接頭角焊縫截面照片。從焊縫截面看缺陷多為點狀，通過對焊縫進(jìn)行切片檢查發(fā)現(xiàn)，這些缺陷沿焊接方向均有一定長度，甚至可在焊縫內(nèi)整圈存在。在實際鍋爐集箱生產(chǎn)制造時，往往只對集箱管接頭焊縫進(jìn)行表面檢測，焊縫內(nèi)部缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。因此，需謹(jǐn)慎采用手工操作的FCAW方法用于集箱管接頭焊接，尤其不宜采用熱處理后韌性和抗裂性較差的酸性渣系焊絲。在采用機械化、自動化焊接設(shè)備可保證電弧位置精確、焊接速度可控、焊絲伸出長度穩(wěn)定的情況下，則可匹配氣體保護FCAW方法用于集箱管接頭的焊接。目前，一些鍋爐廠已有相應(yīng)工藝裝備，并取得了較好的應(yīng)用效果[19]。

圖3 集箱小管接頭FCAW焊接缺陷

3.4其他結(jié)構(gòu)的焊接

在鍋爐制造中，對于非承載且非承壓件與承壓件之間的焊接，例如鍋筒、集箱等部件上的臨時或永久性附件的角焊縫，以及非承壓件之間的焊接，基于FCAW操作方便、焊縫成形美觀的優(yōu)點而被廣泛采用。

4 幾點建議

(1) FCAW在鍋爐制造中用于焊接碳鋼和低合金鋼，應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求選用堿性渣系藥芯焊絲，以保證焊縫具有較好的沖擊韌性和較強的抗裂性。

(2)嚴(yán)格控制藥芯焊絲的使用過程，特別關(guān)注潮濕環(huán)境下有縫藥芯焊絲開包后的儲存和使用，防止長時間放置于大氣環(huán)境后用于產(chǎn)品，保證焊縫金屬中擴散氫含量可控。

(3)對于坡口焊縫的焊接，F(xiàn)CAW不宜采用小角度窄坡口，以防焊縫根部產(chǎn)生未焊透或未熔合等缺陷。

(4)對于鍋爐承壓部件的焊接，為保證采用FCAW所焊接的接頭內(nèi)部無缺陷，焊后應(yīng)對接頭進(jìn)行體積型無損檢測，對于無法采用體積型無損檢測的結(jié)構(gòu)則不宜采用FCAW方法焊接。

(5)選擇優(yōu)秀的焊絲供方，定期對焊絲廠家進(jìn)行評價，嚴(yán)格地控制藥芯焊絲品質(zhì)，按批次對焊絲進(jìn)行驗收，保證焊絲藥芯成分穩(wěn)定、藥粉填充均勻、焊縫性能可靠。

(6)在FCAW使用前應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行焊接工藝評定，除考核標(biāo)準(zhǔn)基本要求外，還應(yīng)考慮實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、坡口形式、產(chǎn)品工藝過程等因素的影響。

5 結(jié)論

(1)氣體保護FCAW可以用于鍋爐承壓件的焊接，在焊接大管接頭、耳板等結(jié)構(gòu)時具有一定的效率優(yōu)勢，但不宜采用該方法手工操作焊接鍋爐集箱小管接頭。

(2)鍋爐制造中使用FCAW方法時，焊后焊縫應(yīng)經(jīng)體積型無損檢測，以保證產(chǎn)品焊接接頭內(nèi)部無缺陷。

(3)用于鍋爐制造的藥芯焊絲應(yīng)為堿性渣系，藥芯焊絲的制造、儲存和使用過程均會對焊縫性能產(chǎn)生影響，各個環(huán)節(jié)均需加強過程控制，才能保證焊縫性能的穩(wěn)定可靠。