接管法蘭內壁CO2藥芯焊絲堆焊工藝研究

喬巖莉 李利霞 權建軍 殷咸青

接管法蘭內壁CO2藥芯焊絲堆焊工藝研究

喬巖莉 李利霞 權建軍 殷咸青

【摘要】針對加氫反應器接管法蘭內壁堆焊309L+347L雙層不銹鋼的要求，選用藥芯焊絲CO2堆焊，采用正交試驗方法，對其堆焊參數進行了優化。通過焊接工藝評定及對實際產品進行堆焊試驗，各項性能檢測結果均滿足有關加氫設備技術條件要求，進一步證明了堆焊參數的合理性。

1. 概述

壓力容器接管法蘭內壁與密封面常堆焊不銹鋼耐蝕層, 以增加其耐蝕性。本文采用不銹鋼藥芯焊絲CO2氣體保護堆焊，選用309L和347L不銹鋼藥芯焊絲，以正交試驗方法為基礎，對其堆焊參數進行了優化。由于藥芯焊絲CO2氣體保護堆焊（FCAW）具有焊接質量良好、生產效率高、可連續施焊等優點，并且焊后熔渣薄，極易去除，所以在加氫反應設備中的應用極為廣泛。

2. 試驗材料與方法

（1）堆焊材料的選用試驗選用AT—Y309L及AT—Y347L，是由北京安泰科技股份有限公司焊接材料分公司生產的CO2氣體保護堆焊不銹鋼藥芯焊絲。規格：f1.2mm、15kg。其化學成分經過復檢，滿足標準，實測成分含量如表1所示。

（2）堆焊裝置設計堆焊試驗時，除了必需的CO2焊機以外，靈活、精確可調的焊槍夾具可以使我們方便的調節許多焊接參數。如圖1所示，在火焰切割用的小車上焊上夾具，既可以方便裝卸焊槍，又實現了連續焊接。最重要的是實現了一些焊接參數的可調性。

主要焊接參數如下：

焊接速度：主要影響堆焊焊道的幾何形狀及堆焊層的稀釋率，而堆焊層的稀釋率直接影響著焊縫組織中鐵素體的含量，進而影響奧氏體不銹鋼的焊接性和抗晶間腐蝕性能。

焊槍高度：直接反映電弧長度，從而影響到電弧的穩定性、熔深、電弧能量等。

焊槍傾角：焊槍與焊道行走方向的水平面呈80°～85°夾角為最優，與焊道的垂直線呈25° ～30°夾角最合適。堆焊時采用左焊法，這樣可以使堆焊焊縫均勻鋪展，成形美觀。

表1　焊材化學成分及實測值（質量分數）　(%)

圖1　堆焊裝置

圖2　堆焊試板尺寸

(3)試驗要求①堆焊前，待堆焊表面應除去鐵銹、油污等雜質，保證焊件表面光滑平整，呈金屬光澤。②待堆焊試件尺寸為320mm×220mm×20mm，如圖2所示。③事先準備好秒表、直尺、堆高測量儀和數顯測溫

表，以便測定焊接速度、堆焊層寬度和厚度、預熱溫度及層間溫度。④電源極性采用直流反接。⑤堆焊后應立即進行消應力熱處理。⑥CO2保護氣體純度保證在99.98%以上。⑦采用雙層堆焊。過渡層厚3mm，表面層厚3.5mm。保證表面層有效厚度>3mm，整個堆焊層厚度≥6.5mm。⑧堆焊過程中，嚴格控制層間溫度。過渡層控制層間溫度≤150℃，表面層控制層間溫度≤100℃。

（4）試驗方法設計正交試驗參數水平表（六因素五水平），如表2所示。

焊機采用kempomat3200，焊接時用左焊法，即焊絲指向焊接方向，因為左焊法可視性好，熔深也小，可以保證焊道寬而平，從而可以使下一道焊縫搭接平整。為了能夠看出堆焊效果，又能減少試驗時間和節約試驗材料，每個工藝堆焊三道，用堆高測量儀測量每道焊縫的高度，用直尺測量寬度，用秒表測量出焊每道焊縫的時間，進而計算出焊接速度。由于焊接速度用秒表測定，所以會有一定的誤差，整理數據時可用三道焊縫的平均焊速。另外，焊接時還要記錄每道焊縫的成形特征，看是否出現氣孔，以及氣孔的形狀、尺寸和數目。

3. 試驗結果

以堆焊層的高度、寬度以及表面成形作為試驗指標：

(1) 堆高HH≤3 mm。

(2) 堆寬DD≥12 mm。

(3) 堆焊表面成形從成形是否美觀，是否出現氣孔，與母材的過渡是否圓滑等特征給出綜合評分。

正交試驗中的數據分析依據：如果幾個指標在試驗中的地位不相上下，那么在綜合平衡較優水平時，既要看多數的傾向，也要看這個因素對哪個指標是主要因素。

對于每一個指標，將其因素的較優水平按照因素的主次順序排列，例如，對堆高來說，因素的主次順序是：B、C、E、F、A、D。對正交試驗進行數據分析后得到三個試驗指標按照因素的主次順序排列為：

對堆高來說：B3、C5、E4；F5；A4、D4。

對堆寬來說：B3；C2、E3、F2、A4；D2。

對焊縫成形來說：B3；C5、E4、F4；D4；A3。

綜合三個指標，因素B的水平最優，三個指標一致選取B4，而其他五個因素的較優水平，三個指標均有矛盾。根據正交試驗中的數據分析：如果幾個指標在試驗中的地位不相上下，那么在綜合平衡較優水平時，既要看多數的傾向，也要看這個因素對哪個指標是主要因素。最終得到本試驗較優工藝參數組合：A4、B3、C5、D4、E4、F4。經過綜合平衡，得到堆焊試驗中最優焊接參數，如表3所示。

表2　正交試驗參數水平表

表3　較優焊接參數

表4　化學成分檢測結果(質量分數)　(%)

4. 檢測項目及結果

按選定的工藝參數堆焊了工藝評定試板，試板材質為2.25 C r1 M o。試板焊后經620℃+2h消應力熱處理，按《加氫反應器堆焊技術條件》的要求進行試驗，試驗結果如下。

（1）PT和UT每層堆焊層按JB/T4730－2005進行PT檢測和UT檢測，結果PT-Ⅰ級、UT-Ⅰ級合格。

（2）化學成分及鐵素體含量對堆焊試板表面打磨1.5～2mm后進行化學成分檢測，其成分平均值如表4所示，結果滿足《加氫反應器堆焊技術條件》要求。

鐵素體含量：磁性法為

6.6%，賽費勒圖法為4%。慢速加氫反應器堆焊層的表面層通常要求含有3%～10% 鐵素體組織的要求。

（3）金相分析在試板上取金相試樣。磨金相后用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕液腐蝕，氯化鐵鹽酸水溶液配比：氯化鐵5g、鹽酸50mL、水100mL。腐蝕到可以用肉眼看到組織顯現為止，然后用清水沖洗，酒精擦拭，并烘干。

堆焊層有過渡層和表面層兩層堆焊，經氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕后，堆焊層宏觀斷面層次分明，如圖3所示。左側為表面層組織，右側為過渡層組織，均為奧氏體基體和少量δ-鐵素體組成，組織清晰，未發現焊接缺陷。

（4）晶間腐蝕試驗因為晶間腐蝕是不銹鋼材質制造的設備中常見的問題之一，是一種危險性很大的腐蝕破壞，所以采用不銹鋼制造的設備，要求母材和焊接接頭必須具有足夠的抗晶間腐蝕性能。

根據GB4334.5《不銹鋼硫酸一硫酸銅腐蝕試驗方法》進行腐蝕試驗，并進行金相分析，結果合格，晶界間沒有被腐蝕傾向，進一步證明了堆焊層抗晶間腐蝕的合格性。

（5）接頭力學性能在堆焊試板上切取側彎試樣、拉伸試樣、剪切試樣、高溫短時試樣進行堆焊層的力學性能試驗，結果如表5、表6所示。

剪切試驗主要檢測母材與堆焊層之間的結合度，要求剪切應力τ≥210 MPa。剪切試驗結果τ=386 MPa，滿足要求。

圖3　堆焊層層間組織

5. 產品堆焊

根據上文試驗研究所得出的焊接參數，對一臺加氫反應器上的六個不同尺寸的法蘭內壁和密封面進行堆焊，并根據《加氫反應器堆焊技術條件》進行各項檢測，堆焊層各項技術指標均滿足要求，進一步證明了此堆焊工藝的可行性。

6. 結語

(1) 用藥芯焊絲CO2堆焊，選用AT－Y309L+AT－Y347L焊絲，結合本文研究出來的堆焊接工藝，可獲得力學性能和成形性能良好的堆焊層。

(2) 通過對產品零件的施焊，證明所選用的焊接方法、堆焊材料、堆焊工藝的正確合理，堆焊成形及堆焊層質量良好，能滿足加氫反應器堆焊技術條件的各項要求。

表5　堆焊層側彎試驗參數（a：試樣厚度）

表6　堆焊層拉伸試驗結果

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20150308

作者簡介：李利霞，權建軍，中信重工機械股份有限公司焊接工藝研究所；殷咸青，西安交通大學金屬強度國家重點試驗室。