SA-213TP347H不銹鋼與06Cr18Ni11Ti不銹鋼管屏焊接工藝研究

費鼎

(無錫華光鍋爐股份有限公司，江蘇無錫214028)

0 前言

隨著高參數(shù)大容量發(fā)電機組的需要，新型鋼種相繼出現(xiàn)，并被廣泛使用。在某些特殊情況下，電站鍋爐爐膛核心部位受熱的高溫過熱器管屏現(xiàn)已采用奧氏體不銹鋼管屏。奧氏體不銹鋼管屏是為了提高火力發(fā)電機組的效率而研制，因其導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大。如何采用脈沖GMAW雙面焊拼焊好奧氏體不銹鋼管屏在鍋爐制造行業(yè)是個難點，到目前為止還沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒。某鍋爐過熱器管屏中鋼管和扁鋼的材料分別為SA-213TP347H奧氏體不銹鋼管和06Cr18Ni11Ti不銹鋼，為了保證管屏的焊接質(zhì)量，對SA-213TP347H奧氏體不銹鋼管和06Cr18Ni11Ti不銹鋼進(jìn)行了焊接性分析和焊接工藝研究，對影響管屏焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析和討論［1］。

1 SA-213TP347H不銹鋼與06Cr18Ni11Ti不銹鋼的特性

某鍋爐過熱器管屏中鋼管和扁鋼的材料分別為SA-213TP347H奧氏體不銹鋼和06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼，節(jié)距為55 mm，該管屏截面示意圖如圖1所示。試驗采用扁鋼尺寸規(guī)格寬度為13 mm，厚度為6 mm;管材尺寸規(guī)格 42 mm×7 mm。管屏制造時一般先將鋼管和扁鋼焊接成小單元，然后再將小單元拼焊成較寬管屏。兩種鋼具有較高的高溫強度和良好的抗氧化性能、耐腐蝕性能，其力學(xué)性能見表1。由于該類鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中，焊縫區(qū)域在電弧的熱作用下發(fā)生局部塑性變形。在隨后的冷卻過程中，由于受到周圍金屬的限制，無法自由膨脹和收縮，導(dǎo)致焊后接頭中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力;奧氏體不銹鋼焊縫易于產(chǎn)生方向性強的柱狀晶，利于有害雜質(zhì)偏析而形成晶間液膜;一些合金元素也會形成易溶共晶，因此奧氏體不銹鋼焊接具有較大的熱裂紋傾向。焊接時應(yīng)盡量采用較小的焊接熱輸入，且不能預(yù)熱，并降低層間溫度。為了減小焊接熱輸入，不能過分增大焊接速度，而應(yīng)適當(dāng)降低焊接電流。因為過高的焊接速度，必然加快高溫冷卻速率，使焊縫在凝固過程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)變。同時，降低焊接電流可減少熔深，熱裂傾向?。?］。

圖1 過熱器管屏截面示意圖(mm)

表1 SA-213TP347H和06Cr18Ni11Ti鋼力學(xué)性能

2 評定試驗及焊接工藝

2.1 焊接材料

由于母材均為奧氏體不銹鋼，為防止增碳，保護(hù)氣體不宜含CO2氣體，采用98%Ar+2%O2兩元混合保護(hù)氣體，可避免純Ar保護(hù)由陰極斑點漂移引起的電弧不穩(wěn)定、潤濕性差、焊縫中間凸起、焊縫成形差的問題。若O2含量過大，合金元素易燒損。

由于管屏表面要耐腐蝕，為了減少晶間碳化鉻沉淀產(chǎn)生的可能性，進(jìn)而降低晶間腐蝕的敏感性，焊縫熔敷金屬應(yīng)采用與母材成分相似、用Nb或Ti穩(wěn)定的Ni-Cr合金。同時，焊絲要有優(yōu)良的焊接性，需含有一定量的Si，可改善焊縫金屬的洗凈和濕潤行為［3］。因此，焊絲選用與SA-213TP347H不銹鋼的化學(xué)成分相近的ER347Si(ASME SFA5．9)焊絲，規(guī)格為 1．2mm，其化學(xué)成分見表2。

表2 母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 焊接方法

過熱器管屏中不銹鋼管和扁鋼連接焊縫為3 mm的角焊縫，因此，單道焊就可以滿足要求。目前大多數(shù)制造廠主要采用埋弧焊(SAW)和熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)兩種方法焊制管屏。由于SAW焊接熱輸入較高，對焊劑處理和保存要求較高，只能采用單面焊且焊接變形大;為了滿足雙面成形，還需將管屏翻轉(zhuǎn)進(jìn)行反面焊接，這些因素均不利于不銹鋼的焊接。GMAW能夠同時實現(xiàn)雙面焊接，免翻轉(zhuǎn);焊接過程中的焊接熱輸入小，工件受熱均勻，管屏變形小，生產(chǎn)效率高，因而被廣泛采用。

根據(jù)公司實際情況和產(chǎn)品的焊接特點，試驗采用8極GMAW焊接生產(chǎn)線進(jìn)行焊接工藝評定試驗和實際生產(chǎn)，即管屏上、下均布置了數(shù)量相同的4把焊槍施焊;焊接電源為芬蘭KEMPPI PRO5200型IGBT逆變數(shù)控焊接電源，試驗現(xiàn)場如圖2所示。試驗方案:先焊兩管一扁鋼組合兩件和兩管三扁鋼組合1件，最后拼排成六管五扁鋼，如圖3所示。試驗材料與管屏同材質(zhì)、同規(guī)格，焊前鋼管校直并清理，扁鋼表面平整，無扭曲。

圖2 焊接試驗現(xiàn)場

圖3 管屏拼接示意圖

2.3 焊接規(guī)范參數(shù)設(shè)定

奧氏體不銹鋼管屏的焊接采用直流反接脈沖GMAW雙面焊，在低電流區(qū)可得到穩(wěn)定的噴射電弧，此時電弧穩(wěn)定，飛濺小，下部焊槍群仰焊時電弧剛性較好。由于母材的導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大，要嚴(yán)格控制焊接熱輸入，以防止產(chǎn)生焊接變形、熔穿和熱裂紋等。因此，焊接參數(shù)的選擇范圍較窄，尤其是下部焊槍群仰焊電流不能高于200 A，否則極易產(chǎn)生焊瘤、凸起、與母材熔合不良等缺陷。電壓以弧長達(dá)4～6 mm為準(zhǔn)，弧長過短易產(chǎn)生氣孔等缺陷，過長則潤濕性變差，焊縫成形差。焊絲伸出長度對焊接電壓、電弧挺度、實現(xiàn)噴射過渡的電流均有影響，是影響焊接質(zhì)量的重要參數(shù)之一。焊絲伸出長度過長或過短，都將減弱保護(hù)氣體對熔池的保護(hù)作用。推薦焊絲的伸出長度為10～20 mm。工藝評定試驗用焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

表3 焊接規(guī)范參數(shù)

2.4 模具的裝配及調(diào)整

為保證管屏的節(jié)距，采用固定節(jié)距的槽輪組對鋼管和扁鋼進(jìn)行精確定位，精度為±0．1 mm。扁鋼寬度應(yīng)在節(jié)距計算尺寸基礎(chǔ)上按0～0．2 mm公差控制，避免扁鋼受熱膨脹變形?？紤]到不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大的影響，應(yīng)適當(dāng)放大節(jié)距0．3～0．5 mm，以避免鋼管表面產(chǎn)生壓痕和焊后管屏節(jié)距收縮變小。因管屏上部焊槍群在前先焊，焊縫向上收縮導(dǎo)致扁鋼中心偏移，焊后管屏產(chǎn)生變形，因此扁鋼中心應(yīng)比鋼管中心低0．1 ～0．2 mm 左右。

2.5 焊槍的傾角調(diào)整

施焊前應(yīng)調(diào)整焊槍的空間角度，由縱向法線前傾角α和橫向法線傾角β所組成，如圖4所示?？v向法線前傾角α影響焊縫的成形。α過大時，氣體保護(hù)效果變差，焊縫成形不良，易出現(xiàn)氣孔，熔深過淺;α過小時，限制熔敷金屬的流動，焊道中間凸出，故α=15°±3°為宜。焊槍橫向法線傾角β影響角焊縫焊腳尺寸的對稱性，并會引起咬邊。β過大時，容易在鋼管側(cè)發(fā)生咬邊，嚴(yán)重時會出現(xiàn)超標(biāo)缺陷;β過小時，使焊縫偏向扁鋼側(cè)，甚至?xí)霈F(xiàn)管壁未熔合現(xiàn)象，故 β=23°±3°為宜。

圖4 管屏焊接時焊槍的傾角

2.6 焊前清理

奧氏體不銹鋼焊縫受到污染后，其強度和耐蝕性能均會變差，外來的污染因素有碳、氮、氧、水等。焊前，必須對焊接區(qū)表面作徹底的清理，清除全部碳?xì)浠衔锛捌渌廴疚?。薄的氧化膜可用浸蝕(酸性)的方法去除，也可用機械方法去除。模具槽輪、壓緊輪等與不銹鋼接觸的部位應(yīng)清理，無油污。同時，操作工的手套等也應(yīng)干凈，無油污。

2.7 焊接

焊前徹底清理干凈后，按設(shè)定的規(guī)范組合進(jìn)行焊接。施焊過程中，焊絲的對中性對焊縫的成形及焊腳的對稱性具有直接的影響。由于機械振動的作用焊槍可能出現(xiàn)松動，鋼管與扁鋼中心線也可能會發(fā)生偏移，都將導(dǎo)致焊絲對中發(fā)生偏移。因此，在施焊過程中不斷微調(diào)焊絲的對中位置，是保證焊縫成形質(zhì)量的重要手段。

3 試驗結(jié)果

焊后對不銹鋼管屏進(jìn)行表面PT探傷檢測，無咬邊、裂紋等缺陷，管屏的幾何尺寸也能夠符合圖紙等標(biāo)準(zhǔn)要求，管屏評定試件如圖5所示。

圖5 管屏評定試件

按照J(rèn)B 4420—1989《鍋爐焊接工藝評定》對所焊試件進(jìn)行了取樣檢測。結(jié)果顯示，按照設(shè)定的規(guī)范參數(shù)焊接的管屏，其焊縫焊腳高度、熔池尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16507—2013《水管鍋爐》的要求。

4 結(jié)論

(1)SA-213TP347H不銹鋼管屏采用脈沖GMAW雙面焊接方法，通過焊接工藝評定試驗獲得了合理的焊接電流、電弧電壓以及焊接速度規(guī)范參數(shù)組合范圍。與此同時，焊絲伸出長度、鋼管和扁鋼的裝配間隙、焊前清理、焊槍傾角等關(guān)鍵因素將會對管屏焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。

(2)經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證，該焊接工藝完全能保證SA-213TP347H奧氏體不銹鋼管和06Cr18Ni11Ti不銹鋼組成管屏的焊接質(zhì)量，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖紙要求。