陶質(zhì)襯墊在壓力容器筒體焊接中的應(yīng)用研究

吳戰(zhàn)飛,葛祖明,林家斌

(上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090)

0 前 言

埋弧焊作為目前壓力容器焊接制造中普遍使用的焊接方法，由于其具有機械化程度高、生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點， 被廣泛應(yīng)用于壓力容器制造行業(yè)中。上海電站輔機廠作為國內(nèi)壓力容器及換熱器的主要供應(yīng)商之一，每年承接大量的高壓加熱器訂單，傳統(tǒng)的高壓加熱器筒身縱環(huán)縫焊接方式是采用一側(cè)埋弧焊對接，反面碳刨清根及打磨后再次采用埋弧焊填充蓋面，由于碳刨清根及打磨會產(chǎn)生較大的噪聲及金屬粉塵等，對車間環(huán)境帶來污染，對工人的身心健康帶來一定的危害。為了進一步響應(yīng)公司除塵降噪的號召，引入陶質(zhì)襯墊使打底焊縫可以單面焊雙面成型，避免或減少碳刨清根的工作量。

本文主要以高壓加熱器產(chǎn)品的筒體縱環(huán)縫為依托，研究埋弧焊帶襯墊單面焊雙面成型的工藝，根據(jù)筒體裝配要求，確定了陶質(zhì)襯墊的種類，固化了打底的焊接工藝相關(guān)參數(shù)及要求。

1 襯墊類型及坡口形狀確認

在前期采用焊接試板初步試驗的基礎(chǔ)上，選取一臺在制高壓加熱器筒身縱縫進行試運用。該筒身材料為Q345鋼，厚度25 mm，坡口為X型坡口，鈍邊約6 mm，采用兩側(cè)引熄弧板及坡口內(nèi)點焊來裝配固定，坡口根部無間隙，在坡口背面采用圓棒襯墊。具體裝配如下圖1所示。

圖1 坡口裝配及陶質(zhì)襯墊種類

考慮到要將6 mm鈍邊全部熔透，采用了WPS規(guī)定的熱輸入上限，電流640 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。

焊接完成后，焊縫正面成型良好，如圖2所示。

圖2 焊縫正面成型

觀察焊縫背面，有一處位置陶質(zhì)襯墊未托住熔覆金屬，導(dǎo)致熔穿。去除陶質(zhì)襯墊后發(fā)現(xiàn)坡口點焊處未完全焊透，其余未點焊位置有熔覆金屬析出，但熔覆金屬熔透不足，未達到預(yù)期的目的，焊縫根部還是需要碳刨清根，具體如圖3所示。

圖3 焊縫熔穿及反面焊縫成型

根據(jù)上述結(jié)果進行分析，尋求改進措施：

采用現(xiàn)有坡口的6 mm鈍邊，即使采用熱輸入量上限，也不能使鈍邊熔透，鈍邊厚度考慮減小至4 mm，且考慮到背面焊縫熔透的問題，需考慮增加根部間隙。

筒身縱縫裝配時，坡口內(nèi)點焊位置無法焊透，應(yīng)該避免在坡口內(nèi)點焊，擬計劃增加兩側(cè)引熄弧板與筒身焊接強度(原為點焊固定，需改為滿焊)替代坡口內(nèi)的點焊。

圓棒型襯墊裝配時與X型坡口根部部分區(qū)域貼合不是很緊密，導(dǎo)致一處焊縫根部熔穿，若后續(xù)整條焊縫全部焊透，預(yù)計熔穿位置會更多，因此考慮更換襯墊類型，并將坡口形式由X型改為Y型坡口，將陶質(zhì)襯墊由圓棒性改為平板型。

2 工藝驗證

按上述改進方向，另選一節(jié)筒身，該筒身材料為15CrMoR鋼，厚度22 mm，坡口Y型坡口，鈍邊約4 mm，裝配間隙約1 mm，采用兩側(cè)引熄弧板固定，坡口不點焊。焊接參數(shù)640 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。焊接完成后，去除襯墊，焊縫成型如下圖4所示。

圖4 焊縫背面成型

總體上焊縫成型滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，僅需對焊縫表面進行局部適當(dāng)修磨，對該焊縫按標(biāo)準(zhǔn)要求進行100%RT檢測，結(jié)果合格。

基于縱縫的焊縫反面成型情況及其工藝參數(shù)，再選取了另一在制高壓加熱器筒身環(huán)縫進行試運用。該筒身材料為Q345R鋼，厚度25 mm，坡口為Y型坡口，鈍邊約4 mm，裝配不放間隙，采用兩側(cè)坡口內(nèi)焊條定位焊+馬腳板固定(如圖5所示)，在反面(筒身內(nèi)部)貼陶質(zhì)襯墊(如圖7所示)。第一焊道的焊接參數(shù)：電流650 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。焊接完成后，正面焊縫成型良好，如圖6所示；去除襯墊之后，反面焊縫只有局部成型(如圖8所示)，大部分焊縫未焊透。經(jīng)分析，認為坡口內(nèi)定位焊位置焊縫太厚，約 3～4 mm，這是導(dǎo)致熔池鐵水無法熔透到反面的主要原因，另外筒身本身鈍邊4 mm，加上裝配有1～2 mm的錯邊量，加大了熔透的難度。

為保證環(huán)縫反面焊縫形成，需采用合理的焊接工藝參數(shù)(電流、電壓、速度、鈍邊、焊縫根部間隙等)?；谲囬g反饋的筒身環(huán)縫裝配時 “零間隙”是最方便的，也最有可行性的要求，故在研究反面焊縫成型時，試驗側(cè)重點放在焊接電流、電壓、速度等焊接工藝參數(shù)的調(diào)整。實際生產(chǎn)過程中，由于兩節(jié)筒身裝配時通常采用“豎裝”方式，為保證筒身裝配的牢固性，會采用在坡口內(nèi)定位焊及12塊馬腳板固定。但馬腳板數(shù)量較多，馬腳板的拆裝影響了裝配效率，故考慮采用氣保焊進行打底焊，此時反面未完全透出來(如圖9所示)，再用較高熱輸入量的埋弧焊熔化氣保焊打底焊道，并通過背面的陶質(zhì)襯墊強制熔池反面成型。試驗時采用的兩組焊接工藝參數(shù)，見表1。

表1 焊縫反面成型參數(shù)試驗

對比兩組焊接參數(shù)得到的焊縫反面成型(如圖10和圖12)，可以發(fā)現(xiàn)，兩組焊接參數(shù)焊縫反面都能熔透成型，但第一組焊縫反面的余高為4～6 mm，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，且焊縫表面氧化嚴(yán)重，已明顯“發(fā)藍”，同時陶質(zhì)襯墊熔化量較大(如圖11)，第二組焊縫反面余高在3 mm以內(nèi)。另經(jīng)多次焊接參數(shù)微調(diào)，最終確定焊接電流為620～630 A范圍能夠或取滿足要求的焊縫熔透及焊縫成型。

圖10 第一組焊縫

圖11 襯墊熔化量較大

圖12 第二組焊縫

3 工藝固化

通過一系列的試驗驗證，固化了陶質(zhì)襯墊埋弧焊工藝，具體如下：

坡口規(guī)格。殼體縱縫采用Y型外坡口(保證外側(cè)成型)，鈍邊厚度4 mm，坡口間隙1～3 mm；如果不留坡口間隙，鈍邊厚度改為2 mm；環(huán)縫則基本不留鈍邊和間隙。

陶質(zhì)襯墊粘貼于筒體內(nèi)側(cè)，受裝配質(zhì)量的影響，存在局部不能焊透可能，可手工補焊。

縱縫裝配時采用兩側(cè)引熄弧板固定，坡口內(nèi)不點焊；環(huán)縫在基本無裝配間隙時采用氣保焊在坡口內(nèi)焊接打底道，再使用埋弧焊填充蓋面。

焊接參數(shù)620～630 A，電壓30 V，焊接速度400 mm/min。

筒身縱、環(huán)縫陶質(zhì)襯墊規(guī)格如圖13、圖14所示。

圖13 筒體縱縫所用陶質(zhì)襯墊規(guī)格(mm) 圖14 筒體環(huán)縫所用陶質(zhì)襯墊規(guī)格(mm)

4 應(yīng)用情況

采用陶質(zhì)襯墊埋弧焊工藝對多臺高壓加熱器筒體縱縫的焊接實踐中，焊縫成型良好，未出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，焊縫均無損檢測一次性合格。

5 結(jié) 論

帶陶質(zhì)襯墊埋弧焊工藝，焊接時電弧穩(wěn)定，可以滿足單面焊雙面成型，焊縫成型飽滿、整齊、美觀，焊縫表面無氣孔、裂紋、未熔合等缺陷，且焊縫與母材圓滑過渡。

采用帶陶質(zhì)襯墊薄板埋弧焊工藝，焊縫經(jīng)射線檢測后未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。

帶陶質(zhì)襯墊埋弧焊工藝適用于高壓加熱器及同類產(chǎn)品筒體焊縫的焊接，能減少碳刨清根及打磨，綜合提高焊接效率，并且具有節(jié)能環(huán)保、降低成本等優(yōu)點。