800MW機組下環補焊修復探討

中國第一重型機械（集團）有限責任公司 （黑龍江齊齊哈爾 161041） 蔡建明

1.概述

下環材質為馬氏體不銹鋼（ ZG00Cr13Ni4Mo），用于水電站，主要為起保護和支撐作用，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，鑄造時補縮比較困難，容易在中間部位形成微小的縮孔及縮松，嚴重影響鑄件強度；而且此鑄件補焊比較困難，補焊時容易產生淬硬組織，產生焊后裂紋。我公司采用專用鑄造工藝，成功鑄造了下環，但在后續機加后，超聲探傷還是發現了超標缺陷，為此我公司采用專用補焊工藝，成功焊接了超標缺陷。下環三維照片及實體照片如圖1、圖2所示。

圖1 下環三維圖

圖2 下環實體照片

2.補焊工藝及操作過程

此鑄件已經進行了精加工，沒有任何加工余量，補焊溫度過高會產生變形，補焊溫度低會產生裂紋。

為此，我公司焊接專業人員制定的補焊工藝如下：①局部預熱溫度控制在70～110℃。②層間溫度要嚴格控制80～160℃。③焊條進行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生夾渣缺陷。⑤補焊時采用單道多層操作，嚴禁擺動，每層焊縫厚度應小于6mm，以減小焊接應力。⑥焊接參數：φ4mm焊條，焊接電流150～170A，短弧操作。⑦補焊時應及時進行錘擊，以求達到釋放焊接應力的目的。⑧補焊時應嚴格控制層間溫度80～160℃，嚴禁連續、快速施焊造成大的焊接應力和變形。⑨補焊時起、收弧及運條要特別注意坡口邊緣的熔合情況，確保焊透和不產生夾渣等缺陷。⑩補焊時一旦發現熔合不良，尤其是裂紋時應立即停下來，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。鑄件現場補焊照片如圖3、圖4所示。

圖3 焊工用風靶子進行消應力處理

圖4 補焊溫度為76℃左右

為了防止變形，補焊預熱溫度采用工藝預熱溫度的下線即為70～100℃，由于補焊過程中有斷續現象，沒有持續補焊，所以焊后打磨探傷發現補焊8處有6處不合格。

我公司總結經驗教訓后，又重新定制了如下補焊工藝：

（1）清除缺陷及焊前坡口準備 ①由于該下環已經精加工完，為減小變形，依超聲波探傷確定的缺陷位置決定采用機械加工方法進行清除，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，清除缺陷時刀具盡量向下有一角度，若機械加工難以實現，可用砂輪（磨頭）打磨圓滑過渡。③缺陷清除后對坡口進行磁粉或滲透探傷，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°，以便補焊操作，坡口示意如圖5所示。

圖5 坡口示意

（2）焊前預熱及層間溫度 補焊前用燃氣局部預熱下環待焊處130～150℃。層間溫度要嚴格控制在160～200℃之間。

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

（4）焊工資格 選用補焊下環的焊工應有較強的責任心，并具有船檢焊工資格。

（5）補焊前準備 ①補焊現場應配備風耙、小磨頭、砂輪等工具。②工件置于合適位置放穩并進行預熱。③焊條按使用說明進行350℃×2h烘干，并放在保溫桶中。

（6）補焊工藝要求 ①開始底層的補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生夾渣缺陷。②補焊時采用單道多層操作，嚴禁擺動，每層焊縫厚度應＜6mm，以減小焊接應力，如圖6所示。③焊接參數：φ4mm焊條，焊接電流160～180A（可適當放大），短弧操作。④補焊時應及時進行錘擊，以求達到釋放焊接應力的目的（錘擊操作和要求由技術人員現場指導），如圖7所示。⑤補焊時應嚴格控制層間溫度＜200℃，嚴禁連續、快速施焊造成大的焊接應力和變形，如圖8所示。⑥補焊時起、收弧及運條要特別注意坡口邊緣的熔合情況，確保焊透和不產生夾渣等缺陷。⑦補焊時一旦發現熔合不良，尤其是裂紋時應立即停下來，視情況采用砂輪或磨頭清除干凈后再焊。⑧補焊完成后，進行6h消氫處理。對坡口邊緣的咬邊和低點部位用氬弧焊補焊平整。

圖6 焊道布置示意

圖7 捶擊消除焊接應力

圖8 補焊層間溫度約為169℃符合工藝要求

此次補焊，我公司專門安排專業人士現場跟蹤，嚴格按照工藝要求進行補焊，使補焊預熱溫度達到140℃左右，保持持續焊，在間歇期間補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，采用風靶子及時排應力，每焊1h采用烤槍烘烤補焊部位10min左右，達到消應力，補焊完成后及時按照工藝進行消應力。打磨探傷后，補焊缺陷全部合格。

3.對比兩次補焊工藝

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

（2）兩次補焊不同點 ①首要不同點就是預熱溫度的變化，第一次預熱溫度在70～100℃，第二次預熱溫度在140℃左右，兩者相差70℃左右。②操作者對待補焊缺陷的態度不同，第二次比第一次更認真謹慎。③在補焊過程中，第二次采用連續施焊，但又保持層間溫度不超過規定層間溫度，而且在工人休息時或換班時補焊處用石棉布及時覆蓋，防止了急劇冷卻。④第二次每補焊1h左右用烤槍烘烤補焊處30min左右，達到去除補焊應力的目的。⑤第二次補焊后進行了消應力處理，第一次補焊后只用石棉布覆蓋。第二次補焊后，及時采用消應力熱處理，消應力時間為6h左右，然后用石棉布覆蓋緩冷。

4.經驗及探討

在這兩次補焊過程中，筆者作為技術員進行了全程的跟蹤。現總結如下幾點經驗，與大家分享：

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

（2）預熱溫度 補焊首要條件就是預熱溫度，預熱溫度與補焊件材質有密切關系，而材質的預熱溫度和碳當量密切相關.

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

美國金屬學會提出的用于計算預熱溫度的碳當量CE經驗公式：

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

當CE＜0.45%時，可不預熱；當CE在0.45%～0.60%之間時，預熱100～200℃；當CE＞0.60%時，預熱200～370℃。該式適用于碳鋼和低合金高強度鋼。

（3）焊材選用 根據補焊件材質選擇合適的補焊焊絲或焊條。

（4）補焊過程 焊工要根據實際經驗定時進行消應力處理。盡量連續補焊，但是層間溫度也不可以太高，間歇補焊時，一定要用石棉布覆蓋補焊處及周圍200mm范圍，防止急劇降溫，產生應力。

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

5.結語

經過兩次補焊，我公司成功焊接了下環超標缺陷，此后測量雖有少許變形，但不影響使用。我公司采用重新制定的補焊工藝，成功焊接了超接缺陷，不僅為公司積累了補焊馬氏體不銹鋼的經驗，而且為以后可能出現的類似焊接缺陷打下了堅實的基礎。