自動FCAW堆焊法蘭密封面(槽)的國產化研究

顧曉軍(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

自動FCAW堆焊法蘭密封面(槽)的國產化研究

顧曉軍(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

本文通過國產的密封面自動堆焊設備堆焊法蘭密封面(槽)耐蝕層，改善CO2氣體保護藥芯焊絲(FCAW)堆焊密封面(槽)的質量，提高生產效率，降低生產成本；選用國內外不銹鋼CO2氣體保護藥芯焊絲，采用合適的焊接工藝規程堆焊法蘭密封面(槽)耐蝕層，使其滿足有關加氫設備的技術要求。

FCAW自動堆焊；法蘭密封面(槽)；國產堆焊設備；焊接技巧

0 前言

加氫設備密封面(槽)通常采用堆焊奧氏體不銹鋼耐蝕層的方式來增加其耐蝕性。在諸多成熟堆焊技術之一中，CO2氣體保護藥芯焊絲堆焊(FCAW)因具有生產效率高、焊后熔渣薄且易去除、焊縫成形美觀、易于進行半自動和自動化的焊接等諸多優點，在加氫設備密封面(槽)堆焊領域得到的廣泛應用[1-2]。本文通過使用國產的密封面自動堆焊設備，選用國內外不銹鋼CO2氣體保護藥芯焊絲，對國產自動化氣體保護焊堆焊法蘭密封面(槽)進行了研究，獲得了良好的堆焊質量和堆焊效果。

1 國產自動化氣體保護焊堆焊法蘭密封面(槽)堆焊過程研究

1.1 堆焊的技術要求

按目前常用的加氫設備堆焊技術條件，在距耐蝕層表面2．5～3．0mm范圍內取樣，按GB223進行化學分析，其化學成分應滿足表1要求。

表1 堆焊層化學成分(%)

1.2 焊接設備

FCAW自動堆焊機為“小管徑及密封面堆焊設備(TIG/CO2)”，通過焊接控制系統配合精密變位機，利用傾翻完成工件焊縫位置的變換，通過旋轉完成工件自動堆焊。

1.3 試驗材料

試驗母材12CrMo1III鍛件，厚度為 50mm，共4件；兩件加工成平面(試件S1/S2)，模擬平面法蘭密封面；另外兩件加工T形槽密封槽(試件S3/S4， T形槽寬度20mm，T形槽深度10mm，T形槽處倒角為23°)，模擬T形槽密封槽，見圖1。

圖1 模擬試件

1.4 試板S1/S3采用國產品牌焊材，S2/S4采用進口品牌焊材，具體焊接工藝參數見表2

1.5 堆焊過程

法蘭平面密封面堆焊過程，清理待堆焊面，并按NB/T47013．4進行100%MT檢測合格；固定工件，堆焊過渡層309L，通過設定焊縫間距(即焊接當前焊道時焊絲所在位置，與焊接前一道時焊絲所在位置見的距離)實現焊道的自動連續堆焊和焊道搭接量的控制，單層堆焊厚度控制在3．0mm，堆焊完過渡層，清理焊渣，并加工去除0．5mm～1mm，并按NB/T47013．5進行100%PT檢測合格；同樣方法堆焊表層；

法蘭T形槽密封面槽堆焊過程，清理待堆焊面，并進行100%PT檢測合格；固定工件，堆焊過渡層309L，堆焊順序如下：CD間拐角處—BC間拐角處—C面—D面—B面。每焊完一道，清理焊渣，在同一面焊道搭接時，焊絲對準前一焊道邊緣向內0．5mm～1．5mm，單層堆焊厚度控制在3．0mm，堆焊完過渡層，并加工去除0．5mm～1mm，并按NB/T47013．5進行100%PT檢測合格；同樣方法堆焊表層；

1.6 焊后熱處理工藝

焊 后熱處理工藝為(690±14)℃×32hr，裝爐溫度≤400℃，升、降溫速度≤55℃/hr，試板隨爐冷至400℃以下出爐空冷。

表2 試板焊接工藝

2 實驗結果與分析

2.1 焊接工藝性

按上述焊接工藝通過國產密封面(槽)堆焊設備，可實現法蘭密封面(槽)不銹鋼耐蝕層的FCAW自動堆焊，焊接電弧穩定性較好，焊縫成型美觀，表面光滑，無氣孔、裂紋、夾渣等明顯缺陷產生。

2.2 耐蝕層表面鐵素體檢測

焊態下采用磁性法，按《GB/T1954-2008 鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》檢測S1、S2耐蝕層表面鐵素體，具體檢測結果如表3所示。

表3 耐蝕層表面鐵素體數

2.3 耐蝕層化分檢測

耐蝕層化學成分檢測位置為不銹鋼耐蝕層表面下2．5mm～3mm，按《GB/T11170-2008不銹鋼多元素含量的測定火花源原子發射光譜法分析方法》和《GB/T20124-2006鋼鐵氮含量的測定惰性氣體熔融導熱法》檢測S1、S2耐蝕層化學成分，化學成分檢測結果見表4。

表4 耐蝕層化學成分(%)

表4中鐵素體數依據“不銹鋼焊縫金屬WRC-1992(Fn)”計算得出。從表3、表4數據可看出：S1、S2試板熔敷金屬中主要化學元素滿足表1的要求，鐵素體數均在3～8之間，滿足加氫堆焊技術條件的要求。

2.4 耐蝕層力學性能檢測

垂直于焊道方向自S1、S2試板截取大側彎和小側彎側彎試樣各兩件，按《GB/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法》進行常溫彎曲180°試驗，均合格。

1.2.4.2 懸浮細胞干重變化 懸浮細胞干重的測定方法：每隔2 d，將懸浮培養物全部傾倒至50 mL離心管中，靜置1 h，盡量去除上清液，放置60℃烘干箱中，烘至恒重記錄數據。每次試驗設置3組重復。

按照《GB/4340-20091金屬材料維氏硬度試驗》對S1、S2耐蝕層橫截面進行硬度HV10 檢測，耐蝕層表層HV10 平均值181．7 ； 耐蝕層過渡層HV10平均值為184．0。加氫堆焊技術條件要求堆焊層硬度 HV10應大于 180，堆焊層硬度HV10≤245。

圖2 法蘭梯形槽密封面(槽)示意圖及焊接圖

2.5 焊接接頭金相組織分析

按照《GB/T13298-1991金屬顯微組織檢驗方法》對耐蝕層金組織相分析，S1/S2堆焊層表層金相組織為奧氏體+少量鐵素體，S1/S2過渡層金相組織為奧氏體+少量鐵素體，如圖3所示。

圖3 S1、S2金相組織

2.6 晶間腐蝕試驗

平行于焊道方向自S1、S2試板耐蝕層截取各兩件試樣，按照《GB/T13298-1991金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中硫酸-硫酸銅法試驗：兩件試樣經硫酸-硫酸銅腐蝕后，彎曲180°外表面均為出現晶間腐蝕產生的裂紋，均合格。

2.7 T型槽密封槽的試驗

2．7．1焊態下采用磁性法，按《GB/T1954-2008 鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》檢測分別檢測S3、S4試板T型槽B、C、D面的表面鐵素體，檢測結果如表5所示。

表5 耐蝕層表面鐵素體數

從表5數據可看出：S3、S4鐵素體數均鐵素體數均在3～8之間，滿足加氫堆焊技術條件的要求。

2．7．2對S3、S4試板T型槽密封槽在小立車上分層解剖[3]，堆焊層每車去1mm按NB/T47013．5進行一次100% PT檢驗，均合格。

3 產品密封面(槽)的焊接技巧

通過上述試驗證明，通過該國產的密封面自動堆焊設備，國產和進口不銹鋼CO2氣體保護藥芯焊絲均可以實現平面法蘭密封面和T形槽法蘭密封槽的自動堆焊。通過實際在生產中總結，下列焊接技巧可進一步提高焊接質量：

(1)在產品焊接過程中，引弧前通氣5s，引弧時間1．5s，?；r間2．0s，焊絲干伸長度為(15～25)mm。

(2)法蘭平面密封面，同層焊接過程中，若逐道清除藥皮，需打磨清除焊接飛濺，且會損傷耐蝕層表面；不逐道清除藥皮，并不會在耐蝕層內部及表面造成焊接缺陷。

(3)法蘭T型槽密封槽，密封槽B、C、D面，耐蝕層內部易出現夾渣、氣孔等焊接缺陷。在焊接過程中逐道清理藥皮，并焊接完畢一層后采用不銹鋼專用砂輪打磨或機加工該層表面，可大幅提高焊接質量。

4 結論

(1)國產的密封面自動堆焊設備可實現法蘭密封面(槽)的FCAW自動堆焊，堆焊法蘭密封面(槽)的不銹鋼耐蝕層均滿足目前加氫設備堆焊技術條件要求。

(2)國產的密封面自動堆焊設備對焊材及工件形狀適用較廣，對于法蘭平面密封面可實現完全自動自動堆焊，對于法蘭T形槽密封槽在人工輔助下完成自動堆焊。

(3)國產FCAW自動堆焊堆焊設備已在法蘭密封面(槽)耐蝕層堆焊的實際生產中得到穩定的應用，采用合理的焊接規程，可較大提高了法蘭密封面(槽)的堆焊質量和生產效率。

[1]張鵬林,趙文軍,周濤,等.不銹鋼藥芯焊絲堆焊技術在在壓力容器中的應用[J].電焊機,2006,(12):60-62.

[2]李文霞,喬巖莉,殷咸青.加氫反應器接管法蘭內壁藥芯焊絲堆焊工藝研究[J].現代焊接,2015，(4)：31-J34.

[3]張璞臨,蘭明,栗卓新.CO2氣體保護不銹鋼藥芯焊絲用于法蘭密封面(槽)堆焊的工藝[J].焊接技,1999,(3):14-16.

Application of overlay welding technique using FCAW in fl ange sealing surface

LIU Bao-jian Kang Jian-qiang Qin Zhi-kang

The anticorrosion layer of flange sealing surface(groove) is welded by the domestic automatic overlay welding equipment to improve the welding quality of FCAW,increase production ef fi ciency and reduce cost of production. The anticorrosion layer of fl ange sealing surface(groove)is welded with the domestic and foreign CO2gas shielded fl ux cored wire and the appropriate welding process to meet the technical requirements of the hydrogenation equipment.

FCAW automatic welding;Flange sealing surface; Domestic welding equipment;Welding skill

顧曉軍，中國石化上海高橋石油化工有限公司物資裝備中心 設備電儀部部長。