T24鋼超超臨界鍋爐膜式壁管屏多頭埋弧焊工藝分析

謝志勇

（中國中車集團(tuán)天津電力機(jī)車有限公司，天津 300452）

T24鋼超超臨界鍋爐膜式壁管屏多頭埋弧焊工藝分析

謝志勇

（中國中車集團(tuán)天津電力機(jī)車有限公司，天津 300452）

本文通過對德國的曼海姆9超超臨界塔式鍋爐制造項(xiàng)目中的T24鋼膜式壁管屏多頭埋弧焊工藝的解析，深入分析了多頭埋弧焊焊槍角度、焊槍位移、焊接電流、焊接電壓、焊前預(yù)熱溫度、焊接速度、焊劑使用溫度、管屏裝配尺寸偏差等主要工藝參數(shù)對T24鋼膜式壁管屏焊縫質(zhì)量的影響和合理選擇范圍。

T24鋼；膜式壁管屏；多頭埋弧焊；工藝參數(shù)；焊縫質(zhì)量

T24（7CrMoVTiB10-10）鋼是由德國瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司開發(fā)出的一種新型鐵素體高強(qiáng)耐熱鋼，具有優(yōu)良的韌性、相對良好的焊接性、充分高的高溫蠕變強(qiáng)度和多數(shù)情況下可免除焊后熱處理等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于目前國際上最先進(jìn)的超臨界和超超臨界大型火電鍋爐膜式壁管屏等管系產(chǎn)品制造。在安裝在德國的曼海姆9—90萬千瓦歐標(biāo)超超臨界塔式鍋爐制造項(xiàng)目中，鍋爐膜式壁管屏為T24鋼母材，是由國內(nèi)某制造工廠采用多頭埋弧焊工藝嚴(yán)格按歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制造完成，筆者有幸參加了該產(chǎn)品在國內(nèi)的生產(chǎn)制造。T24管屏焊接所采用的工藝參數(shù)均通過了德國第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)TüV Rheinland的焊接工藝評定，生產(chǎn)工藝優(yōu)良，品質(zhì)可靠。

1 管屏概述

曼海姆9項(xiàng)目膜式壁管屏由光管和扁鋼間隔拼焊組成，光管和扁鋼母材均為T24（7CrMoVTiB10-10）鋼，兩管組理論節(jié)距60 mm。T24母材主要化學(xué)成分見表1。T24母材機(jī)械力學(xué)性能見表2。T24管屏光管和扁鋼規(guī)格見表3。T24管屏焊接工藝采用多頭埋弧焊，焊接填充金屬采用Union S P24 Ф2.0mm焊絲，焊劑采用UV305。

2 焊接設(shè)備

T24鋼膜式壁管屏焊接采用多頭埋弧焊設(shè)備焊接。該設(shè)備最多可配備12頭焊槍，焊槍錯位排列，兩列焊槍前后距離大于 40mm，實(shí)際生產(chǎn)最多采用8頭焊槍同時(shí)施焊，余下焊槍為生產(chǎn)備用，見圖1示。同時(shí)該設(shè)備配備4組上、下壓輥對管子和扁鋼實(shí)行定位，并通過上、下壓輥同步轉(zhuǎn)動帶動管屏自動前進(jìn)焊接。此外，設(shè)備焊接電源選用美國 LINCOLN 公司 AC/DC-1000 型，可提供CCDC+ 恒流模式下的直流反接（工件接負(fù)）和CVDC+ 恒壓模式下的直流反接等八種電流波形選擇。設(shè)備還自帶焊劑回收通道，可分別回收焊接時(shí)的焊劑和焊渣藥皮。設(shè)備焊劑倉自帶加熱保溫功能，可使焊劑使用溫度達(dá)到 120℃。設(shè)備靠自帶封閉加熱爐，可實(shí)現(xiàn)管屏焊接前的自動預(yù)熱，爐內(nèi)偏差溫度小于50℃，滿足焊接過程管屏1000～1100mm/min焊接速度下預(yù)熱溫度可達(dá)150～250℃的要求。

表1 母材化學(xué)成分

表2 母材機(jī)械力學(xué)性能

表3 T24管屏光管和扁鋼規(guī)格

圖1 管屏焊接示意圖

3 主要工藝參數(shù)對管屏焊接質(zhì)量的影響

3.1 工藝參數(shù)對焊縫熔深及形狀的影響

3.1.1 焊縫熔深技術(shù)要求

按歐標(biāo)產(chǎn)品訂單的管屏焊接技術(shù)要求，該管屏焊縫需同時(shí)滿足《EN12952-5 附錄 C》和《VdTUVMb1.451-68/1 標(biāo)準(zhǔn)》對焊縫熔深的技術(shù)要求，即er≥2 mm，α1+α2≥1.25S，C≤0.3S，b ≥2 mm，焊縫熔深測量值見圖2。

圖2 焊縫熔深測量值

3.1.2 焊槍角度（Y 軸）對焊縫熔深的影響

焊槍角度對焊縫熔深的影響，其實(shí)質(zhì)是電弧中心的指向性對電弧能量分配的影響。焊槍角度小分配給扁鋼的電弧能量多，對扁鋼的熔透深；反之，焊槍角度大，電弧能量分配給管子的就多，對管壁的熔透深。對于管屏焊縫希望得到的熔深是在滿足a1+a2值的前提下，C值盡量小，而er值和b值盡量大。經(jīng)焊槍角度的工藝性對比試驗(yàn)研究，將管屏多頭埋弧焊焊接工藝所有焊槍的角度（Y 軸）固定在12°，見圖3。該焊槍角度在扁鋼不開坡口的情況下，能夠允許用較大的電流進(jìn)行管屏焊接，得到盡量小的C值和足夠大的er值和b值。

3.1.3 焊槍位移對熔深的影響

焊槍位移是指焊絲離開管壁的距離，見圖3。通過位移使電弧中心指向管子與扁鋼接觸的交點(diǎn)上，其目的是讓扁鋼比管子獲得更多的熱輸入，增加扁鋼熔深，減小C值，增加er值和b值安全裕度。焊槍位移量決定了焊縫外觀尺寸，即焊縫截面光管邊熔高和扁鋼邊熔寬的比例，通過對比性工藝試驗(yàn)，這個比例在2:3成型較好。焊槍位移的控制需要一定的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，合適的位移可以得到滿意的熔深，較好的焊縫外觀。

圖3 焊槍Y軸角度及位移

3.1.4 焊槍傾角（X 軸）對焊縫成型的影響

焊槍傾角在8°時(shí)，焊縫外觀呈凹形,焊趾過渡圓滑，焊縫表面光滑，應(yīng)力集中小。未設(shè)置焊槍傾角，即焊槍在0°角時(shí)，焊縫表面作MT檢查會發(fā)現(xiàn)焊趾處產(chǎn)生磁粉堆積現(xiàn)象。而設(shè)置焊槍傾角 8°時(shí)，MT檢查磁粉堆積現(xiàn)象消失。在曼海姆9項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中，選用8°焊槍傾角，見圖4。

圖4 焊槍傾角（X 軸）

3.1.5 焊接電流對熔深的影響

埋弧焊電流的大小必須保證焊絲有足夠的電流密度。如直徑2mm焊絲，電流小于300A，焊縫表面成形粗糙，易出現(xiàn)氣孔，焊趾過渡不圓滑，焊縫熔深淺。較大的電流可以獲得較大的熔深。當(dāng)采用CVDC+恒壓電源模式時(shí)，提高送絲速度意味著提高焊接電流。當(dāng)采用CCDC+恒流電源模式時(shí)，電流可以直接設(shè)置。在曼海姆9項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中，采用CCDC+電源模式，12°角焊槍焊接，電流選擇在380～410A可以獲得穩(wěn)定的熔深數(shù)據(jù)。

3.1.6 焊接電壓對焊縫成形的影響

焊接電壓影響焊縫寬度。電壓升高，焊縫寬度增加。合適的電壓使焊縫表面光滑。當(dāng)采用CVDC+恒壓電源模式時(shí)，提高電壓可增加一定焊接電流。電壓自恢復(fù)靈敏度比CCDC+恒流電源模式時(shí)快。但在 LINCOLN電源上，CVDC+模式和 CCDC+模式對焊接質(zhì)量的影響區(qū)別不大，CCDC+直接反映的是焊接電流，而CVDC+直接反映的是送絲速度。在曼海姆9項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中，采用CCDC+模式便于工藝參數(shù)直觀檢查，并將T24管屏焊接電壓參數(shù)嚴(yán)格控制在27～28V之間。

3.1.7 焊接速度對焊縫成形的影響

焊接T24管屏?xí)r，焊接速度受到加熱爐升溫的限制，為了使管屏預(yù)熱溫度保持在150～200℃，管屏移動最大速度限制為1200mm/min。焊接速度影響焊縫寬度及焊縫熔深，較快的焊接速度減少焊縫寬度比電弧電壓的作用強(qiáng)，而對熔深的影響和焊接電流的作用相當(dāng)。較慢的焊接速度有利于氣孔浮出，減少氣孔的生成，增加熔深。但過低的焊接速度容易使熔池鐵水表面淤集，在靠扁鋼一側(cè)的焊趾處，MT檢查有磁粉堆積現(xiàn)象。在施焊過程中必須保證焊接速度均勻，不發(fā)生停頓、抖動、速度不均勻，否則容易焊穿管壁。在曼海姆9項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中，將T24管屏焊接速度控制在了950～1050mm/min之間。

3.2 焊劑類型及使用溫度對焊縫性能的影響

T24管屏焊接配合的焊劑是UV305，按照BS EN760-1996標(biāo)準(zhǔn)，焊劑類型為SA AR 1 76 AC H5。根據(jù)T24鋼的焊接性，T24管屏需要一個低氫焊縫，低氫焊縫可避免出現(xiàn)延遲裂紋，以及減少焊接氣孔，焊劑的H5 指標(biāo)（表示全焊縫金屬最高含氫量5ml/100g）對于焊劑的去氫（焊劑中的結(jié)晶水）是至關(guān)重要的。必須靠嚴(yán)格的烘干條件來實(shí)現(xiàn)。因此，在曼海姆9項(xiàng)目中，T24管屏在操作上分兩個步驟嚴(yán)格控制焊劑的溫度：一是采用攪拌式的烘干機(jī)烘焙焊劑300～350℃/≥2h，二是防止使用過程中焊劑冷卻，增加焊機(jī)自帶的保溫桶加熱功率，同時(shí)規(guī)定使用溫度大于120℃。具體操作就是規(guī)定焊接前必須放掉冷焊劑，直到從保溫桶放出的焊劑溫度達(dá)到120℃，才允許進(jìn)行焊接。而且需要不斷增添新焊劑，使回收焊劑和新鮮焊劑比率大約保持在2：3左右。

3.3 預(yù)熱溫度對焊縫性能的影響

據(jù)瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司T24鋼手冊各項(xiàng)研究試驗(yàn)結(jié)論，廠家推薦T24鋼焊接可選擇焊前不預(yù)熱。在曼海姆9項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)中選擇了保守工藝，對T24管屏進(jìn)行了嚴(yán)格的150～200℃焊前預(yù)熱，這對防止T24鋼焊接裂紋的產(chǎn)生取得了良好的效果。

3.4 焊后冷卻時(shí)間對焊縫硬度的影響

根據(jù)CCT-T24材料的連續(xù)溫度冷卻轉(zhuǎn)變曲線，理論上講T24鋼可在一個很大的冷卻速度范圍（0.8～200K/s）內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w-馬氏體組織，最大硬度可在350HV左右。實(shí)際生產(chǎn)中，為獲得與CCT-T24曲線比較吻合的較好的焊縫組織和硬度值，采取將管組焊后冷卻到200℃的焊縫冷卻時(shí)間控制在10～30min。這種冷卻時(shí)間的要求，對多管組管屏焊接，一般空冷即可實(shí)現(xiàn)，只有當(dāng)室溫較低時(shí)（5℃以下），需采取焊縫表面覆蓋保溫棉等緩冷措施實(shí)現(xiàn)。另外采取適當(dāng)提高焊前預(yù)熱溫度和焊后不馬上去除焊渣和延遲回收焊劑等措施，也有利于保障管屏焊后冷卻時(shí)間。

3.5 管屏裝配尺寸偏差對焊縫質(zhì)量的影響

對T24管屏來說，各管組裝配尺寸偏差對焊縫質(zhì)量有較大影響。因?yàn)門24材料焊后熱影響區(qū)硬度的急劇升高，增加了材料脆性。為了最小化管屏焊接區(qū)域發(fā)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，必須嚴(yán)格控制管屏裝配尺寸偏差，減小因尺寸偏差過大產(chǎn)生的焊后殘余應(yīng)力。在曼海姆9實(shí)際生產(chǎn)中，為達(dá)到這一目的，將T24管屏扁鋼寬度嚴(yán)格精整到26.9～27.0mm范圍內(nèi)，并根據(jù)測得的管屏不同管組的焊后收縮量數(shù)據(jù)，增加設(shè)備U型壓輪節(jié)距的工藝補(bǔ)償量，保證了管屏焊接后管組累計(jì)節(jié)距公差和單個節(jié)距公差都在±1mm內(nèi)。在管子與扁鋼裝配時(shí)，使用專用工裝夾具進(jìn)行組對點(diǎn)焊，焊接前對扁鋼中心位置進(jìn)行多次、多點(diǎn)檢測，保證焊接前扁鋼中心偏移和中心傾斜都控制在1mm公差范圍內(nèi)，充分減少管屏裝配尺寸偏差對焊縫質(zhì)量的影響。

4 結(jié)語

經(jīng)曼海姆9項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)踐證明，對業(yè)內(nèi)公認(rèn)的焊接制造難度較高的T24鋼膜式壁管屏，只要充分掌握好多頭埋弧焊工藝參數(shù)對其焊縫質(zhì)量的各項(xiàng)影響因素，制定出適合制造廠自身設(shè)備情況，經(jīng)焊接工藝評定和產(chǎn)前工作試件驗(yàn)證合格的工藝規(guī)范，并在生產(chǎn)中嚴(yán)格遵守這些工藝參數(shù)，就可以生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)良的T24鋼膜式壁管屏。

[1]楊富，章應(yīng)霖，任永寧，李為民. 新型耐熱鋼焊接 [M]. 北京：中國電力出版社，2006 .

[2]瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司. T23/ T24 鋼管手冊. 2004.

[3]韓肇俊. ASME批準(zhǔn)和認(rèn)可的第三代新型鐵素體耐熱鋼的性能及應(yīng)用. ASME在中國，2004.2.

[4]太田定雄. 鐵素體系耐熱鋼—向世界前沿不懈攀登的研究與開發(fā)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2003 .

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