提高管件堵頭焊接質量的工藝試驗

黃星惠鄧云

（1.江陰中南重工有限公司 2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院江陰分院）

提高管件堵頭焊接質量的工藝試驗

黃星惠1鄧云2

（1.江陰中南重工有限公司 2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院江陰分院）

機械是十分傳統的工程學科，同時也是其他工程學科的基礎，其中焊接是機械工程中十分重要的工藝，焊接是通過加熱、加壓形式使兩種工件產生原子結合的工藝，焊接的應用領域非常廣泛。焊接零件不同，所需要的焊接工藝也存在很多的區別，以不銹鋼板材焊接為例，因此材料中含有大量Cr元素，且板材焊接接觸點較小，因此需要采用電焊、氬弧焊等。堵頭又稱為塞頭、螺塞等，其主要作用是封閉管件。下面將詳細分析30CrMo堵頭與P-110管材之間的焊接問題，并提出針對性的改進措施，為堵頭焊接提供參考。

管件；堵頭；焊接；工藝

堵頭是管件設計中常用零件，且材質為30CrMo的堵頭使用最廣泛，例如在進行油液管套試驗中，需要對管路進行封閉，另外，部分試驗需要利用堵頭將試樣管件固定在試樣架上。堵頭與管件的密封方式主要有三種：①利用焊接方式進行連接；②利用機械式螺紋接連；③通過過盈配合進行緊固連接，其中焊接方式是使用最廣泛地連接方式，一方面可以最大限度保證連接強度，另一方面可以保證連接的穩定性，不會出現連接松動的現象。焊接質量受焊接件材質以及焊接件結構的影響很大，下面將以30CrMo堵頭與P-110管材之間的焊接為例，探究可行的焊接優化措施。

1 材料焊接特性分析

1.1 焊件材料特性分析

焊件材料特性分析是焊接工藝設計的基礎，在制定焊接工藝流程前必須詳細分析材料的各種化學成分，30CrMo堵頭與P-110管件的化學成分如表1所示。含碳金屬焊接的核心問題是冷裂紋，因此，含碳量是衡量碳合金焊接特性的重要指標，從數據中可以看出，P-110管件淬硬特性不明顯，具備較好的焊接性，而30CrMo堵頭屬于中碳鋼，具有較高的淬硬特性，在對30CrMo堵頭進行焊接時容易出現馬氏體，因此30CrMo堵頭與P-110管件的焊接特性較差，另外，這兩種金屬均存在焊接區軟化導致的強度缺陷。

表1 30CrMo堵頭與P-110管件的成分分析

1.2 焊接工藝特點分析

針對P-110管件進行工藝分析，P-110經過淬火后出現強度高、韌性好的低碳馬氏體與貝氏體的聯合體，這種產物具備較好的金屬特性，因此P-110管件比較適合焊接加工，且經過電弧焊可以獲得與母件相似的熱影響區，對P-110管件焊接前必須進行預熱處理，防止焊接熱量對母件的影響，避免焊接熱量改變母件結構，針對P-110管件的焊接特性，應該盡量選擇小線能量的焊接模式，從而降低P-110管件軟化風險。

1.3 堵頭焊接工藝分析

30CrMo堵頭淬火后會產生結構脆硬的高碳馬氏體，如果在退火條件下焊接30CrMo堵頭，會影響30CrMo堵頭母件的強度，為了保證結構強度，需要對焊接后的30CrMo堵頭進行調質處理，但根據實際工藝條件，30CrMo堵頭一般是在調質后再焊接，無法實現焊后調質。針對30CrMo堵頭的焊接特性，需要對30CrMo堵頭進行預熱處理，防止30CrMo堵頭出現淬硬組織與裂紋，除此之外，焊接后需要對30CrMo堵頭進行整體回火處理。為了降低焊接對30CrMo堵頭的軟化影響，因此應該選擇線能力低、能量密度大的焊接模式，在進行30CrMo堵頭時往往使用氣體保護焊接模式。

2 焊接工藝制定

2.1 焊接質量要求

針對30CrMo堵頭與P-110管材的焊接特性制定相應的焊接質量標準，對焊接質量進行量化考評，30CrMo堵頭與P-110管材焊接的質量標準包括零件同軸度、零件焊接強度以及焊接影響區的裂紋情況。根據同類焊接標準，可以將30CrMo堵頭與P-110管材的焊接同軸度控制在5mm以內。

2.2 焊接工藝流程

根據30CrMo堵頭與P-110管材的焊接特性制定了焊接標準，再根據焊接指標進行定向優化，為了提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質量，本次試驗采用了V型焊接接頭的形式，具體焊接方案為對接環焊接，且焊接坡口角度介于37～45°，為了有效提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強度，可以采用塞焊或者焊接加強筋的方案。30CrMo堵頭與P-110管材的焊接方式采用常見的手工電弧焊、鎢極氬弧焊或者埋填自動焊等形式，采用的焊條為低氫型焊條。其中P-110管材的壁厚在6mm以上，因此需要使用多層焊形式，另外多層焊的預熱溫度顯著低于單層焊接，可以利用氧乙炔焰加熱30CrMo堵頭，30CrMo堵頭的預熱溫度控制在100～150℃之間，P-110管材的預熱溫度控制在50～100℃之間。

3 堵頭焊接工藝改良措施

3.1 焊接強度改良措施

為了提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強度，本次試驗中的塞焊形式具有較好的效果，因此可以通過塞焊提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強度，且強度可以提高20%以上。除此之外，塞焊孔的位置需要遠離焊縫，盡量選擇軸向錯開的形式，如果焊接點過于集中，將會降低焊接軟化區的強度，增加焊接裂縫風險，另外，焊接點過于集中將造成較強的焊接殘余應力，不利于焊接結構的可靠性。焊接加強筋也可以提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強度，但這種方式改變了焊接結構，不利于安裝。

3.2 其他改進措施

針對30CrMo堵頭與P-110管材焊接的其他改進措施包括焊接工藝指標制定、焊接環境控制以及焊接前期準備等。①焊接工藝標準制定，除了對30CrMo堵頭與P-110管材的焊接工藝進行改良外，還需要對焊接工藝進行考評，通過制定詳細的質量指標與操作流程提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質量。一方面嚴格把控焊接線能量，控制每次焊接的厚度，另外過多的焊接層數將增加焊接裂縫的風險，因此，應該嚴格控制焊接層數。②焊接環境控制，空氣濕度、大氣環境、灰塵等都可能影響30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質量，因此必須嚴格控制焊接環境，將焊接區域與外部環境進行隔離。③焊接前期準備，焊接前必須保證焊接清潔，另外需要對焊接表面進行檢查，保證焊件為缺陷，如果焊件存在缺陷，則必須將焊件返修。

4 總結

根據30CrMo堵頭與P-110管材的焊接實驗，可以從兩個方面加強30CrMo堵頭與P-110管材的焊接質量，一方面為了提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接特性，需要對30CrMo堵頭與P-110管材進行焊接預熱處理，另一方面針對30CrMo堵頭與P-110管材的焊接薄弱環節，可以通過塞焊孔以及焊接加強筋的方式提高30CrMo堵頭與P-110管材的焊接強度。除此之外，在進行30CrMo堵頭與P-110管材焊接時，必須保證焊接表面清潔，一旦發現焊接表面出現質量缺陷，必須將零件返修，另外，需要注意天氣、溫度等其他環境對焊接的影響。本文深入地研究了焊接特性，并根據焊接特性制定了焊接工藝標準以及焊接流程，提出了可行的焊接改進措施，希望本文的研究有利于我國堵頭焊接質量的提高。

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2016-5-22