張 凱張建曉

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室培育基地，蘭州 730314)

1 加氫反應(yīng)器凸臺堆焊

加氫反應(yīng)器內(nèi)壁凸臺是用來安放冷氫盤、噴射盤、催化劑支持盤等塔盤內(nèi)件的支撐結(jié)構(gòu)[1-3]，是在筒體內(nèi)壁整圈堆焊成圖紙要求的高度和寬度，如圖1所示。傳統(tǒng)凸臺基層堆焊先采用焊條電弧焊進(jìn)行打底焊[3]，防止基層埋弧堆焊時由于熱輸入量較大而在凸臺根部產(chǎn)生裂紋[4-5]，焊條電弧焊打底完成后,采用絲極埋弧焊堆焊剩余的凸臺基層。凸臺的不銹鋼復(fù)層采用焊條電弧堆焊，所有焊接均在平焊位置進(jìn)行，如圖2所示。

圖1 筒體與凸臺結(jié)構(gòu)示意

圖2 堆焊凸臺結(jié)構(gòu)示意

在不銹鋼層焊條電弧堆焊時，由于焊條比較短，焊接時需頻繁更換，存在生產(chǎn)效率低[5]、操作者的勞動強(qiáng)度大等問題；而且焊條電弧焊堆焊一般是在平焊位置進(jìn)行操作，焊接過程中筒體需根據(jù)堆焊位置進(jìn)行調(diào)整，堆焊過渡層時筒體需翻轉(zhuǎn)3次才能將過渡層堆焊完成，堆焊表層時也需要調(diào)整3次焊接位置。這樣使得焊接過程不能持續(xù)進(jìn)行，浪費較多的工作時間，效率得不到提高。由于焊條電弧堆焊一層的厚度一般在2 mm左右，通常堆焊過渡層和面層分別需要堆焊2層，在堆焊時需增加堆焊厚度，以便在后續(xù)加工凸臺時留有足夠的量，使凸臺能加工成型，所以焊條電弧焊堆焊表層、過渡層時每一層次需堆焊2遍，并不能一次堆焊到位。針對上述問題，對凸臺堆焊工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過采用熔化極氣體保護(hù)焊在橫焊位置堆焊來提高堆焊效率。

2 熔化極氣體保護(hù)焊橫焊堆焊凸臺

按圖3所示熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行凸臺堆焊，將手工焊槍固定在較長的支架上，使得加長的焊槍能夠伸入筒體內(nèi)接觸到需要堆焊的凸臺部位。焊槍槍頭可任意轉(zhuǎn)動角度，支架可上下前后調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同規(guī)格的工件堆焊。堆焊前調(diào)節(jié)好滾輪架，注意筒體軸向竄動，調(diào)整好焊槍的位置、角度以及導(dǎo)電嘴與工件的距離。堆焊時，將焊機(jī)固定、調(diào)節(jié)到位，使筒體在水平位置進(jìn)行轉(zhuǎn)動，先在位置1堆焊過渡層，再調(diào)整焊槍，進(jìn)行位置2過渡層堆焊。在位置1，2部位堆焊時，焊肉應(yīng)高出位置3，為位置3表層堆焊打好基礎(chǔ)，隨后堆焊位置3的過渡層，表層堆焊時也采用與過渡層相同的方法及順序。

(a)用氣保焊槍進(jìn)行凸臺堆焊示意

(b)堆焊部位放大圖

3 工藝試驗

由于采用熔化極氣體保護(hù)焊在橫焊位置堆焊時,堆焊層厚度較難控制，而對于加氫反應(yīng)器凸臺堆焊，必須控制每層的厚度，以保證表層有效厚度不小于3 mm，所以，工藝試驗的主要目的是在橫焊位置堆焊出滿足加氫反應(yīng)器凸臺不銹鋼復(fù)層厚度要求的凸臺，同時保證焊道成型及其焊接質(zhì)量等。

3.1 試驗材料

(1)試件。本次試驗為模擬實際凸臺堆焊結(jié)構(gòu)，試件為圓形，方便轉(zhuǎn)動，試件材料Q345R，厚度δ=22 mm。

(2)焊接材料。實芯焊絲ER309L/ER347L，規(guī)格為?1.2 mm，保護(hù)氣體分別為純CO2氣體和80%Ar+20%CO2混合氣體。

3.2 試件焊接

對試件表面清理后，將其放置在變速滾輪架上，如圖4(a)所示，試件堆焊表面與水平方向垂直，焊槍垂直對準(zhǔn)試件表面；從試件底部邊緣沿圓周方向堆焊如圖4(b)所示，依次向圓心遞進(jìn)，堆焊位置為橫焊。保護(hù)氣體分別為CO2和80%Ar+20%CO2，氣體流量為20 L/min，焊接工藝規(guī)范如表1所示。

試件外圓堆焊時采用純CO2氣體保護(hù)，由于受電弧斑點作用，焊接過程中飛濺很大，焊縫成型差[6-8]，在表面不加工的情況下難以達(dá)到堆焊表層的質(zhì)量要求。改用80%Ar+20%CO2混合氣體對焊道進(jìn)行保護(hù)，外觀質(zhì)量得到了明顯的改善[9]，堆焊后的效果如圖5所示。

(a) (b)

圖5 不同保護(hù)氣體對應(yīng)堆焊焊道及外觀

在試件焊接過程中，堆焊層厚度是一個重要的控制因素，由于試件轉(zhuǎn)動時線速度不一致，每道堆焊層焊接速度逐漸提高，因此，必須根據(jù)焊道成型厚度調(diào)整滾輪架的旋轉(zhuǎn)速度。

4 試驗結(jié)果及分析

試件堆焊完畢后對堆焊層進(jìn)行厚度測量及無損檢測[10]，按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》進(jìn)行100%UT檢測，按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進(jìn)行100%PT檢測，合格后對表層的化學(xué)成分、鐵素體數(shù)、硬度及彎曲等性能進(jìn)行測量。

4.1 化學(xué)成分及鐵素體測量

(1)化學(xué)成分。

熱處理前，按GB/T223 規(guī)定的方法進(jìn)行化學(xué)分析，在距表面2.0～2.5 mm范圍內(nèi)取樣。表層化學(xué)成分見表2。

表2 堆焊表層化學(xué)成分 %

(2) 鐵素體測量。

鐵素體測量可采用鐵素體儀測量和用WRC-1992(FN)圖測算兩種方法。鐵素體測定儀在焊態(tài)下測量的數(shù)值為4.5，3.8，4.3，4.2，4.6，4.1，均值為4.25，其合格指標(biāo)為3～10。根據(jù)化學(xué)成分計算得到：Cr當(dāng)量=Cr+Mo+0.7Nb=19.865，Ni當(dāng)量=Ni+35C+20N+0.25Cu=13.122 5，在WRC-1992(FN)圖中確定鐵素體含量FN=5。

試驗測量得到的化學(xué)成分均在合格指標(biāo)范圍內(nèi)，鐵素體數(shù)也能滿足要求。

4.2 硬度及彎曲試驗

在堆焊試件斷面測量過渡層及表層的顯微硬度(HV)，測量得到過渡層硬度分別為194，195，191，表層硬度分別為208，202，206，合格指標(biāo)為≤248HV10，上述所測硬度值均能達(dá)到要求。

按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進(jìn)行彎曲試驗，彎曲試驗中取大小側(cè)彎各4件，彎心直徑d=4a，a=10 mm，彎曲角度α=180°。試樣的尺寸分別為10 mm×10 mm，3 mm×10 mm。試件在堆焊層和熔合線上均無任何開口缺陷和裂紋，其宏觀照片如圖6所示。

圖6 大小側(cè)彎試樣

4.3 金相組織及腐蝕試驗

試樣過渡層的金相組織見圖7，表層的金相組織見圖8。由圖7可以看出，過渡層組織為奧氏體加少量的鐵素體，表層的組織也是奧氏體加少量的鐵素體。一定量的鐵素體能夠增強(qiáng)不銹鋼焊道金屬的抗熱裂紋性能，且鐵素體可以提高焊道的強(qiáng)度。

圖7 過渡層金相組織

圖8 表層金相組織

腐蝕試驗按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E“不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法”進(jìn)行，腐蝕后試件表面無裂紋，表明熔化極氣體保護(hù)焊的堆焊層能達(dá)到規(guī)定的耐蝕要求。

5 結(jié)語

從以上數(shù)據(jù)可知，熔化極氣體保護(hù)焊橫焊堆焊各項指標(biāo)都能滿足要求，可以在產(chǎn)品中得到應(yīng)用，而且熔化極氣體保護(hù)焊與焊條電弧焊相比還有以下特點。

(1)使手工操作焊變?yōu)闄C(jī)械半自動焊，提高了焊接效率。焊條電弧焊在筒體堆焊一圈產(chǎn)生很多接頭，造成浪費且焊接效率低，而采用熔化極氣體保護(hù)焊堆焊的焊道整齊，并且可連續(xù)施焊。

(2)采用熔化極氣體保護(hù)焊堆焊時，筒體無需翻轉(zhuǎn)，在同一水平位置持續(xù)進(jìn)行焊接，堆焊一層的厚度可以達(dá)到3 mm左右，所以表層、過渡層的堆焊可以一次性堆焊到位。需要注意的是，熔化極氣體保護(hù)焊堆焊對筒體的橢圓度有較高的要求，在堆焊凸臺之間，需對筒體橢圓度進(jìn)行測量,使其盡量控制在20 mm以內(nèi)，防止在堆焊過程中部分位置堆焊不到。