高压合金阀门焊接工艺研究

54 2010 年第 33 卷第 1 期 高压合金阀门 焊接 工艺研究 徐寿华 （ 攀钢钒 维检中心 ） 摘 要 ： 分析了高压合金阀门 (焊接性 ,对焊接过程中可能出现的问题进行了阐述，并针对这些问题制定了可行的解决方案，在实际的焊接作业中取得了良好效果。 关键词： 冷裂纹 ； 淬透性 ； 淬硬性 0 引 言 为提高 主蒸汽管道安全运行 可靠性，延长设备检修周期， 需 将部分主蒸汽管道阀门更换为高压合金阀门，阀门与管道的联接方式采用焊接。阀门材质为 珠 光体耐热钢，与阀门焊接的管道材质为 “ 20 g 钢 ” 。阀门工作环境为：工作压力 工作温度 450 ；工作介质为蒸汽。1有良好的抗氧化性和抗高温蠕变能力，同时具有良好的抗硫、氢腐蚀能力。但由于合金元素总含量较高，其焊接性能较差。如焊接工艺选择不当会产生以下焊接缺陷：焊接热影响区硬化；冷裂纹 ， 粗晶软化等。另外，焊缝为 “ 10 g”异种钢接头。两种被焊金属存在熔点、导热性、电磁性能和线膨胀系数的差异 ,极易导致焊接过程中出现偏弧现象 ,使施焊困难，焊缝成形变差。因此针对以上问题，焊前需要制定合理的焊接工艺以确保获得优质的焊接接头。 1 焊接性分析 由 表 1 阀门 材质 的化学成分，根据冷裂纹敏感指数公式： 冷裂纹敏感指数为 根据此数据可判断其焊接性能较差。主要是因为钢材中的合金元素加大了其淬硬倾向，尤其是铬、钼显著提高了钢的淬硬性。同时合金元素增大了过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体等温转变曲线 (C 曲线 )在 “温度 时间 ”坐标中的位置右移 ,降低了马氏体临界冷却速度，提高了淬透性。在焊接热源的作用下 ,焊接热影响区经历了冷却速度很快的热循环 ,因此易形成淬硬组织马氏体 ,其硬度高于母材。 若 采取的焊接工艺不当，焊缝氢含量较高时 ,焊缝对冷裂纹将更为敏感。另外，在焊接热影响区的过热区，由于奥氏体晶粒严重长大，使此处母材的韧性下降而脆化。并且由于碳化物的积聚长大使钢材的强度和硬度明显下降而软化，当温度越接近 域软化越严重，根据强度理论，软化区是热影响区一个薄弱环节。因此焊接热影响区是整个接头组织性能最差的区域 ， 所以在焊接工艺中需制定合理措施来改善焊接热影响区的组织性能。 表 1 阀门 材质 1 % n o S P 焊接工艺选择 接方法 根据 硬倾向大，对冷裂纹敏感，宜选用低氢的焊接方法。手工钨极氩弧焊因其保护效果好，可减少焊缝中扩散氢的溶入量，从而有效防止对氢特别敏感的冷裂纹的产生。同时，手工钨极氩弧焊的热源集中程度高，可减小焊接热影响区范围及焊接变形。因此，手工钨极氩弧焊为理想的焊接方法。但由于工件的厚度较大，完全采用手工钨极氩弧焊势必降低生产效率。综合以上因素，采用氩弧焊打底手工电弧焊盖面的焊接方法。焊接过程 中采用短弧焊来增加保护效果，为防止焊缝氧化在焊缝的背面 (管道内 )通氩气进行保护。 攀 钢 技 术 55 前准备 合理的焊缝坡口形式是确保焊接质量的重要因素。在本焊接工艺中，管道侧采用单边 “V”型坡口(如图 1)。焊件的位置为垂直固定。为了减少焊缝填充金属量和焊接热源能量 的输入，在不影响焊接作业、保证焊透的情况下，坡口角度应尽量小， 采用452。焊前将坡口两侧 20 围内的水、锈、油等脏物清理干净，并将其打磨出金属光泽。 图 焊件坡口型式 接材料 为了保证焊缝具有与母材相同的高温抗氧化能力和高温蠕变强度，提高焊接接头的抗裂性能，防止焊缝成分被稀释，填充金属可选用与母材 (阀门 )成分相同的超低氢型焊材，也可选用高铬镍奥氏体钢焊材。后者虽然可以有效防止合金钢焊接接头热影响区的裂纹问题，并且既不用焊前预热也不用进行焊后热处理， 还 可以大大 减 化焊接工艺，但是由于铬镍钢的热膨胀系数与母材有较大差异，在高温下长期工作时，接头将受到较大的热应力作用，易导致接头提前失效。所以，本焊接工艺选用与母材(阀门 )成分相同的超低氢型焊丝 前预热及焊后热处理 焊前预热可减少焊缝淬硬组织的产生及其应力峰值， 有效防止冷裂纹的产生。根据公式：440392，可粗略估算预热温度为 380 。为了降低焊接劳动强度，预热温度不宜过高，且应低于母材回火脆性敏感区的温度。 故 采取的预热温度为 200 ， 并保持焊道层间温度在 200 250 之间。 为了消除焊缝中的扩散氢，改善焊缝金属及热影响区组织，提高接头韧性，消除焊缝中的残余应力。焊后进行 740 高温回火处理，回火保温时间为 1 h，热处理参数曲线如图 2 所示。 图 热处理参数曲线图 图 热处理参数曲线图 3 焊接工艺参数的选择 手工钨极氩弧焊（打底焊）选用铈钨电极，氩气纯度为 氩气流量正面为 10 14 L/面 (管内 )为 8 10 L/极直径为 2.5 出长度为 6 右。选用直径为 2.5 丝 ,采用直流正接。焊前用气焊火焰进行均匀预热，预热范围为焊缝两侧 200 区域。手工电弧焊（盖面焊）选用 条，焊条直径为 3.2 使用前需进行 150 250 烘干，烘干时间为 2 h。焊接过程中应选 用小电流进行焊接，以减少热量的输入。 焊接电流及电弧电压等 工艺参数如表 2 所 示。 表 2 焊接工艺参数 焊道 名称 焊接 方法 焊 焊 接速度/(mm焊接 电流 /A 电弧 电压 /V 定位焊 手工钨极氩弧焊 35 40 60 80 12 14 打底焊 手工钨极氩弧焊 40 45 75 85 盖面焊 手工电弧焊 40 50 100 120 20 24 4 焊接操作 位焊 定位焊缝共 4 处，均匀分布于焊缝圆周上，每空冷 h 740 480 200 T/t / h 短管 阀门 23 2 219 10 5 2 56 2010 年第 33 卷第 1 期 处长度为 10 用的焊丝应与正式焊接时所用的焊丝相同。焊缝要求 单面焊双面成型，定位焊缝必须焊透 ,并且不能太厚 ,以免打底焊时在定位焊缝的接头处产生焊接缺陷。定位焊缝两端要磨成斜坡状 ,使焊缝接头过渡良好。定位焊缝是正式焊缝的一部分 ,不允许有气孔、裂纹等焊接缺陷。 底焊 打底焊引弧应在氩气将短管内空气排净后进行。焊接时焊枪与管子切线方向成 70 80夹角，钨极端部与工件间距为 1 2.5 接过程中采用断续送丝法 ,运丝不作横向摆动，焊丝在氩气保护区内往复断续 地 送入熔池 ,在此过程中应避免焊丝与钨极接触和深 入 电弧的弧柱区 ,否则易造成焊缝夹钨和破坏电弧稳定。 焊丝端部不得抽离保护区 ,以免因其被氧化而影响焊缝质量。当焊至定位焊缝斜坡处时电弧在接头处应稍作停留 ,使熔池与定位焊缝头部全部熔合后再添加焊丝。为了避免出现弧坑、裂纹及缩孔 ,收弧时应快速送进 2 3 滴填充金属 ,然后切断控制开关，电弧熄弧后应延迟对弧坑的氩气保护 ,避免其被氧化。 面焊 焊前和焊接过程中应清理打底层和盖面层各焊道表面，避免焊缝夹渣，并按照前面所述工艺控制 层间温度。盖面层的接头与打底层接头要错开。焊后立即进行高温回火处理。 5 焊后检验 1) 焊后对焊缝进行外观检查 ,焊缝表面不 得有裂纹、未熔合、咬边等焊接缺陷。 2) 外观检查合格后 ,进行 100射线探伤和表面渗透探伤，射线探伤必须按 熔化焊对接接