15CrMoR薄壁封頭堆焊工藝

張洪昌，周禮新，冷雪峰，王鴻雁，李 欣，王紅亮

（開封空分集團有限公司，河南開封475000）

15CrMoR薄壁封頭堆焊工藝

張洪昌，周禮新，冷雪峰，王鴻雁，李 欣，王紅亮

（開封空分集團有限公司，河南開封475000）

對15CrMoR進行耐蝕堆焊工藝評定，確定了帶極堆焊的焊接工藝。進行薄壁封頭的堆焊工藝性試驗，分析薄壁封頭容易發生堆焊變形的情況，設計制作薄壁封頭的堆焊工裝。分析薄壁封頭產生焊接變形原因，確定采取焊前預熱、焊后加熱緩冷等工藝手段。針對高溫焊道找水平難的問題，設計制作了焊道找水平工具。結果表明，選擇合理的堆焊工藝及堆焊工裝，能夠獲得符合要求的薄壁堆焊封頭。

薄壁封頭；帶極埋弧堆焊；堆焊工裝；焊接變形

0 前言

壓力容器生產廠家為降低成本，減少不銹鋼鋼板的使用量，在高壓大噸位耐腐蝕容器的制造過程中，容器筒體大多為不銹鋼復合鋼板卷制，而容器封頭可使用復合板壓制，也可以通過封頭內表面堆焊實現。容器封頭在使用不銹鋼復合鋼板壓制時，存在復層減薄和開裂分層現象，可以采用在封頭內表面堆焊的方法解決這些問題。常見的堆焊方法為焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊和帶極堆焊等，與焊條電弧焊和熔化極氣體保護焊相比，帶極堆焊具有焊接效率高、堆焊質量好、焊縫平整光滑和稀釋率較低等優點，且焊縫與母材結合處不易產生焊接缺陷和質量問題[1-2]，因此，直徑較大的封頭堆焊一般使用帶極堆焊方法。

文獻[3]介紹了核電站設備封頭堆焊的情況，產品堆焊使用帶極埋弧堆焊，封頭規格φ2134 mm× 119mm，可能因為封頭的壁厚較厚，堆焊變形量小，文中沒有專門介紹防止堆焊變形的措施。文獻[4]介紹了薄壁筒體（40 mm）內壁堆焊的情況，產品堆焊使用帶極電渣堆焊方法，因該產品結構的特殊性，無法采取剛性固定防變形措施，通過控制焊接工藝參數和焊接順序減少焊接應力、控制焊接變形。文獻[5]介紹了15CrMoR復合鋼板焊接時，基層中Cr、Ni等合金元素含量增高，使基層焊縫中形成脆硬組織，產生了裂紋，復層增碳而大大降低復層的耐腐蝕性。

對于15CrMoR鋼板壓制的薄壁封頭來說，如何通過剛性固定措施，以達到控制堆焊變形的目的；如何降低15CrMoR鋼焊接的裂紋傾向、提高耐腐蝕性能等。在此通過耐蝕堆焊工藝評定、封頭堆焊試驗和產品封頭堆焊等方面對薄壁封頭的堆焊進行工藝研究。

1 耐蝕堆焊工藝評定

按NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》進行焊接工藝評定，15CrMoR焊接試件厚度20mm，在15CrMoR鋼上堆焊06Cr18Ni11Ti不銹鋼金屬，焊接方法為帶極埋弧堆焊，選擇相應焊材，并按要求施焊。焊后立即進行消氫處理，保溫溫度350℃，保溫2 h，進行焊后消除應力熱處理，保溫溫度670℃，保溫2 h。

（1）焊接試件進行滲透檢驗，檢查結果為焊縫表面無氣孔、裂紋等焊接缺陷。

（2）按要求進行彎曲試驗：取4個側彎試樣，在支座距離L=63 mm、彎曲直徑D=40 mm、彎曲角度α=180°的條件下進行彎曲，4個試樣均無缺陷。

（3）焊接試件的堆焊層金屬進行化學成分分析試驗，結果符合相關要求。

根據上述試驗結果可知，15CrMoR鋼的耐蝕堆焊工藝評定項目達到合格要求，可以用于15CrMoR鋼薄壁封頭的堆焊。

2 封頭堆焊試驗

2.1 焊接設備

帶極堆焊設備主要由焊接操作機、焊接系統和變位機系統等組成。焊接系統主要包括伊薩LAF-1601焊接電源、蘇多凱125-ESI-300機頭和伊薩PEK控制器等，可選焊帶寬度35～90mm。

2.2 封頭

封頭材料為15CrMoR，規格φ1400mm×32mm，堆焊層金屬為06Cr18Ni11Ti，堆焊層厚度大于等于6mm。

2.3 焊材

焊材包括焊帶和焊劑，焊材廠家已對焊帶和焊劑進行了匹配試驗。焊材進廠后，按要求進行了入廠復驗，結果符合NB/T 47018.1～47018.7-2011《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》標準要求，焊材如表1所示。

表1 焊材

2.4 堆焊工裝

堆焊工裝主要由底板、頂板、側板和筋板組成。封頭堆焊前，應將封頭與堆焊工裝組焊在一起，兩者之間的焊縫應該滿焊，使堆焊工裝達到更好的防變形效果。堆焊工裝如圖1所示。

圖1 產品封頭堆焊工藝

2.5 堆焊工藝

堆焊開始前，將封頭內表面的油污、氧化皮、水分等清除干凈，并使用履帶式電加熱器對封頭進行焊前預熱，預熱溫度150℃～200℃。在焊接過程中，過渡層焊縫道間溫度150℃～200℃，每道焊縫焊完后進行消氫處理，溫度350℃，保溫2 h，并用石棉包裹封頭進行保溫處理。根據堆焊層厚度要求，堆焊兩層可達到要求（1層過渡層和1層復層）。堆焊順序為從封頭頂部到端部，以達到減少變形的目的。焊接工藝參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數

2.6 遇到的問題及解決方法

2.6.1 薄壁封頭的堆焊變形問題

對于薄壁封頭來說，在大量的焊接熱輸入和受熱不均的影響下，會產生較大焊接應力，從而使薄壁封頭發生嚴重變形。通過使用專用封頭堆焊工裝后，薄壁封頭的堆焊變形問題得到徹底解決。

2.6.2 高溫焊道的找水平問題

封頭堆焊一般采用沿封頭圓周方向周圈堆焊，因此，每道焊縫施焊前必須調整堆焊點使其兩側處于同一水平位置，以防止熔融的金屬液流向較低側。隨著焊接過程的進行，封頭溫度逐步升高，一般塑料制成的水平儀肯定無法滿足高溫使用要求。因此，設計制作了高溫焊道的找平工具。焊道找平工具如圖2所示。

圖2 焊道找水平工具

2.6.3 封頭拆除堆焊工裝后的變形問題

薄壁封頭在拆除堆焊工裝后發生了嚴重變形，嘗試使用2 000 t油壓機對變形封頭進行強制整形，整形效果較差，局部焊縫發現存在細小裂紋。分析變形產生原因，制定相應工藝方案。具體方法是：在拆除堆焊工裝前進行整體去應力熱處理，保溫溫度670℃±20℃，保溫2 h。通過測量拆除堆焊工裝前后封頭的主要尺寸變化，發現堆焊封頭基本無變形。

2.6.4 焊縫檢查

薄壁封頭堆焊完成后，對焊縫表面進行滲透檢測，未發現裂紋、氣孔等焊接缺陷。在封頭外側進行超聲檢測，未發現內部焊接缺陷。在無損檢測過程中，發現焊縫存在焊接缺陷時，應按要求將缺陷清除后進行補焊，重復進行無損檢測。

3 生產應用

采用該工藝方案堆焊了6件薄壁封頭，封頭直徑φ1 400～2 200mm，厚度32～36mm。封頭的堆焊質量好，堆焊封頭與筒體組焊尺寸精度高。通過測量組焊后兩者對口錯邊量，發現對口錯邊量的最大值僅為2mm，符合設計圖紙及GB150.1～150.4-2011《壓力容器》標準制造要求。

4 結論

（1）堆焊工裝解決了薄壁封頭堆焊變形問題，使用堆焊工裝的薄壁封頭，堆焊變形小，裝配對口錯邊量小。

（2）薄壁封頭堆焊采取了焊前預熱、焊后加熱緩冷等工藝手段，不僅降低了焊接應力，控制了焊接變形，而且降低了裂紋傾向。

（3）焊道找水平工具解決了高溫焊道的找水平問題，該工具具有耐高溫、操作簡便和適用性強等優點。

（4）薄壁封頭進行焊后去應力熱處理工藝，釋放了焊接應力，解決了封頭在拆除堆焊工裝后產生的變形問題。

[1]賴乾尚，蔣延中.自動帶極堆焊機在核電設備制造中的應用[J].電焊機，2009，39（8）：17-22.

[2]Martin Kubenka，Gabriellf Galazzi，Solveig Rigdal.帶極堆焊技術的應用[J].電焊機，2010，40（8）：59-63.

[3]廖國平.核電站穩壓器封頭帶極埋弧堆焊工藝技術[J].壓力容器，2008，25（5）：21-25.

[4]邱振生.大直徑薄壁筒身內壁不銹鋼堆焊變形規律的試驗研究[J].焊接技術，2002，31（2）：48-49.

Overlaying procedure of 15CrM oR thin-wall head

ZHANG Hongchang，ZHOU Lixin，LENG Xuefeng，WANG Hongyan，LIXin，WANG Hongliang
（Kaifeng Air Separation Group Co.，Ltd.，Kaifeng 475000，China）

：The band electrode overlaying procedure is selected through the overlaying welding procedure qualification of 15CrMoR. After overlaying welding technological experimenton the thin-wall head，analyze welding deformation easily occur on thin-wall head，a special overlaying welding tool is designed and made.By analyzing the overlaying deformation cause of thin-wall head，some procedures like preheating before welding and slowly cooling down after welding etc.are taken.Focusing on the leveling of hightemperature welding pass，a leveling tool is specially designed and made.It finally turns out that with proper and reasonable overlaying procedures and welding tools，the acceptable thin-wall head by overlaying welding can be obtained with satisfactory requirements.

thin-wall head；band electrode submerged arc surfacing；overlaying welding tool；welding deformation

TG455

A

1001-2303（2015）07-0129-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.28

2014-12-03；

2015-02-15

張洪昌（1982—），男，河南開封人，工程師，學士，主要從事空分設備及壓力容器的焊接工藝和焊接技術研發工作。