800MW機(jī)組下環(huán)補(bǔ)焊修復(fù)探討

中國第一重型機(jī)械（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （黑龍江齊齊哈爾 161041） 蔡建明

1.概述

下環(huán)材質(zhì)為馬氏體不銹鋼（ ZG00Cr13Ni4Mo），用于水電站，主要為起保護(hù)和支撐作用，由于性能要求較高，故需要專用的鑄造工藝和熱處理工藝。此鑄件比較薄，平均壁厚約為106mm，鑄造時(shí)補(bǔ)縮比較困難，容易在中間部位形成微小的縮孔及縮松，嚴(yán)重影響鑄件強(qiáng)度；而且此鑄件補(bǔ)焊比較困難，補(bǔ)焊時(shí)容易產(chǎn)生淬硬組織，產(chǎn)生焊后裂紋。我公司采用專用鑄造工藝，成功鑄造了下環(huán)，但在后續(xù)機(jī)加后，超聲探傷還是發(fā)現(xiàn)了超標(biāo)缺陷，為此我公司采用專用補(bǔ)焊工藝，成功焊接了超標(biāo)缺陷。下環(huán)三維照片及實(shí)體照片如圖1、圖2所示。

圖1 下環(huán)三維圖

圖2 下環(huán)實(shí)體照片

2.補(bǔ)焊工藝及操作過程

此鑄件已經(jīng)進(jìn)行了精加工，沒有任何加工余量，補(bǔ)焊溫度過高會(huì)產(chǎn)生變形，補(bǔ)焊溫度低會(huì)產(chǎn)生裂紋。

為此，我公司焊接專業(yè)人員制定的補(bǔ)焊工藝如下：①局部預(yù)熱溫度控制在70～110℃。②層間溫度要嚴(yán)格控制80～160℃。③焊條進(jìn)行350℃×1.5h烘干，并放在保溫桶中。④打底特別注意焊縫與母材的熔合情況，特別要注意根部和搭接處不得產(chǎn)生夾渣缺陷。⑤補(bǔ)焊時(shí)采用單道多層操作，嚴(yán)禁擺動(dòng)，每層焊縫厚度應(yīng)小于6mm，以減小焊接應(yīng)力。⑥焊接參數(shù)：φ4mm焊條，焊接電流150～170A，短弧操作。⑦補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行錘擊，以求達(dá)到釋放焊接應(yīng)力的目的。⑧補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度80～160℃，嚴(yán)禁連續(xù)、快速施焊造成大的焊接應(yīng)力和變形。⑨補(bǔ)焊時(shí)起、收弧及運(yùn)條要特別注意坡口邊緣的熔合情況，確保焊透和不產(chǎn)生夾渣等缺陷。⑩補(bǔ)焊時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)熔合不良，尤其是裂紋時(shí)應(yīng)立即停下來，視情況采用砂輪或磨頭清除干凈后再焊；焊后使用石棉氈保溫緩冷。鑄件現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊照片如圖3、圖4所示。

圖3 焊工用風(fēng)靶子進(jìn)行消應(yīng)力處理

圖4 補(bǔ)焊溫度為76℃左右

為了防止變形，補(bǔ)焊預(yù)熱溫度采用工藝預(yù)熱溫度的下線即為70～100℃，由于補(bǔ)焊過程中有斷續(xù)現(xiàn)象，沒有持續(xù)補(bǔ)焊，所以焊后打磨探傷發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊8處有6處不合格。

我公司總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，又重新定制了如下補(bǔ)焊工藝：

（1）清除缺陷及焊前坡口準(zhǔn)備 ①由于該下環(huán)已經(jīng)精加工完，為減小變形，依超聲波探傷確定的缺陷位置決定采用機(jī)械加工方法進(jìn)行清除，原則是在保證缺陷清除干凈的前提下盡量少去掉完好金屬。②為了便于焊接操作，清除缺陷時(shí)刀具盡量向下有一角度，若機(jī)械加工難以實(shí)現(xiàn)，可用砂輪（磨頭）打磨圓滑過渡。③缺陷清除后對(duì)坡口進(jìn)行磁粉或滲透探傷，確保無任何裂紋和夾渣等缺陷。④坡口底部要平整，根部要修出大于5mm的圓角。

角度α=15°～25°，以便補(bǔ)焊操作，坡口示意如圖5所示。

圖5 坡口示意

（2）焊前預(yù)熱及層間溫度 補(bǔ)焊前用燃?xì)饩植款A(yù)熱下環(huán)待焊處130～150℃。層間溫度要嚴(yán)格控制在160～200℃之間。

（3）焊接方法與焊接材料的選擇 焊接方法選擇質(zhì)量可靠，便于實(shí)現(xiàn)的焊條電弧焊。焊條選擇自行研制的本體電焊條TY00Cr13Ni4。

（4）焊工資格 選用補(bǔ)焊下環(huán)的焊工應(yīng)有較強(qiáng)的責(zé)任心，并具有船檢焊工資格。

（5）補(bǔ)焊前準(zhǔn)備 ①補(bǔ)焊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備風(fēng)耙、小磨頭、砂輪等工具。②工件置于合適位置放穩(wěn)并進(jìn)行預(yù)熱。③焊條按使用說明進(jìn)行350℃×2h烘干，并放在保溫桶中。

（6）補(bǔ)焊工藝要求 ①開始底層的補(bǔ)焊要特別注意焊縫與母材的熔合情況，特別要注意根部和搭接處不得產(chǎn)生夾渣缺陷。②補(bǔ)焊時(shí)采用單道多層操作，嚴(yán)禁擺動(dòng)，每層焊縫厚度應(yīng)＜6mm，以減小焊接應(yīng)力，如圖6所示。③焊接參數(shù)：φ4mm焊條，焊接電流160～180A（可適當(dāng)放大），短弧操作。④補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行錘擊，以求達(dá)到釋放焊接應(yīng)力的目的（錘擊操作和要求由技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)），如圖7所示。⑤補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度＜200℃，嚴(yán)禁連續(xù)、快速施焊造成大的焊接應(yīng)力和變形，如圖8所示。⑥補(bǔ)焊時(shí)起、收弧及運(yùn)條要特別注意坡口邊緣的熔合情況，確保焊透和不產(chǎn)生夾渣等缺陷。⑦補(bǔ)焊時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)熔合不良，尤其是裂紋時(shí)應(yīng)立即停下來，視情況采用砂輪或磨頭清除干凈后再焊。⑧補(bǔ)焊完成后，進(jìn)行6h消氫處理。對(duì)坡口邊緣的咬邊和低點(diǎn)部位用氬弧焊補(bǔ)焊平整。

圖6 焊道布置示意

圖7 捶擊消除焊接應(yīng)力

圖8 補(bǔ)焊層間溫度約為169℃符合工藝要求

此次補(bǔ)焊，我公司專門安排專業(yè)人士現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行補(bǔ)焊，使補(bǔ)焊預(yù)熱溫度達(dá)到140℃左右，保持持續(xù)焊，在間歇期間補(bǔ)焊處及周圍用石棉布蓋上，外圍用火苗烘烤，使其溫度保持在120℃左右，每焊一層，采用風(fēng)靶子及時(shí)排應(yīng)力，每焊1h采用烤槍烘烤補(bǔ)焊部位10min左右，達(dá)到消應(yīng)力，補(bǔ)焊完成后及時(shí)按照工藝進(jìn)行消應(yīng)力。打磨探傷后，補(bǔ)焊缺陷全部合格。

3.對(duì)比兩次補(bǔ)焊工藝

（1）兩次補(bǔ)焊相同點(diǎn) 即補(bǔ)焊操作者相同、補(bǔ)焊場(chǎng)地相同、補(bǔ)焊所用焊條相同，以及缺陷破口以及深度大致相同。

（2）兩次補(bǔ)焊不同點(diǎn) ①首要不同點(diǎn)就是預(yù)熱溫度的變化，第一次預(yù)熱溫度在70～100℃，第二次預(yù)熱溫度在140℃左右，兩者相差70℃左右。②操作者對(duì)待補(bǔ)焊缺陷的態(tài)度不同，第二次比第一次更認(rèn)真謹(jǐn)慎。③在補(bǔ)焊過程中，第二次采用連續(xù)施焊，但又保持層間溫度不超過規(guī)定層間溫度，而且在工人休息時(shí)或換班時(shí)補(bǔ)焊處用石棉布及時(shí)覆蓋，防止了急劇冷卻。④第二次每補(bǔ)焊1h左右用烤槍烘烤補(bǔ)焊處30min左右，達(dá)到去除補(bǔ)焊應(yīng)力的目的。⑤第二次補(bǔ)焊后進(jìn)行了消應(yīng)力處理，第一次補(bǔ)焊后只用石棉布覆蓋。第二次補(bǔ)焊后，及時(shí)采用消應(yīng)力熱處理，消應(yīng)力時(shí)間為6h左右，然后用石棉布覆蓋緩冷。

4.經(jīng)驗(yàn)及探討

在這兩次補(bǔ)焊過程中，筆者作為技術(shù)員進(jìn)行了全程的跟蹤?，F(xiàn)總結(jié)如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，與大家分享：

（1）焊前準(zhǔn)備 補(bǔ)焊前一定要確保補(bǔ)焊處缺陷清除干凈，不準(zhǔn)有氣孔及夾渣和其他雜物，如灰塵，油漬等。

（2）預(yù)熱溫度 補(bǔ)焊首要條件就是預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度與補(bǔ)焊件材質(zhì)有密切關(guān)系，而材質(zhì)的預(yù)熱溫度和碳當(dāng)量密切相關(guān).

國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式CE(IIW)：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)主要適用于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼（σb=500～900MPa）。當(dāng)板厚小于20mm，CE(IIW)＜0.40%時(shí)，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱；當(dāng)CE(IIW)=0.40%～0.60%，特別是＞0.5%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接前需預(yù)熱。

美國金屬學(xué)會(huì)提出的用于計(jì)算預(yù)熱溫度的碳當(dāng)量CE經(jīng)驗(yàn)公式：

CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13(%)

當(dāng)CE＜0.45%時(shí)，可不預(yù)熱；當(dāng)CE在0.45%～0.60%之間時(shí)，預(yù)熱100～200℃；當(dāng)CE＞0.60%時(shí)，預(yù)熱200～370℃。該式適用于碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼。

（3）焊材選用 根據(jù)補(bǔ)焊件材質(zhì)選擇合適的補(bǔ)焊焊絲或焊條。

（4）補(bǔ)焊過程 焊工要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)定時(shí)進(jìn)行消應(yīng)力處理。盡量連續(xù)補(bǔ)焊，但是層間溫度也不可以太高，間歇補(bǔ)焊時(shí)，一定要用石棉布覆蓋補(bǔ)焊處及周圍200mm范圍，防止急劇降溫，產(chǎn)生應(yīng)力。

（5）焊后處理 焊后一定要及時(shí)消應(yīng)力熱處理，如果不能及時(shí)消應(yīng)力熱處理也要及時(shí)用石棉布蓋上，緩冷降溫。

5.結(jié)語

經(jīng)過兩次補(bǔ)焊，我公司成功焊接了下環(huán)超標(biāo)缺陷，此后測(cè)量雖有少許變形，但不影響使用。我公司采用重新制定的補(bǔ)焊工藝，成功焊接了超接缺陷，不僅為公司積累了補(bǔ)焊馬氏體不銹鋼的經(jīng)驗(yàn)，而且為以后可能出現(xiàn)的類似焊接缺陷打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。