隨焊超聲波在火力發電廠焊接的應用

趙飛　徐聰　劉廣勝　華磊

摘 ?要：火力發電廠的運行工況復雜，要求受熱面及汽水管道焊縫具有良好的焊接質量。本文綜述了在火力發電廠常見材質焊接中使用隨焊超聲波，將超聲引入到電弧焊接過程，改善電弧形態、熔滴過渡以及焊縫成型。結果表明，隨焊超聲波技術可以有效優化SA-210C、12Cr1MoVG、T91和TP347的組織，提高焊接接頭的力學性能，降低缺陷存在的比例，提升了焊接一次合格率。最后對隨焊超聲振動在火力發電廠手工電弧焊接中的應用進行了展望。

關鍵詞：火力發電廠;隨焊超聲; 電弧形態; 焊縫組織

0.前言

2018年全國發電量6.99萬億千瓦時，火力發電4.92萬億千瓦時，占比70.4%。火力發電廠在工、民用電中承擔主要電力供應，并在全國電網中承擔著調峰的重要作用[1]。火力發電廠以其巨大的裝機總量和強大的調控能力占據著舉足輕重的地位。作為火力發電廠安裝和檢修過程中的重要生產手段，焊接一直是國內外專家不斷研究和發展的重要課題。

超聲波是一種頻率高于20000Hz 的機械波，承載著能量的傳遞，具有傳播性好、振動頻率高等特點。研究表明，超聲波熔體處理在鑄造領域，是對于鑄件的晶粒細化的一種簡單而有效的方法，基于焊接和鑄造在成型階段有一定的共性，可以通過在熔體中產生的超聲傳動對焊接進行優化。本文研究了對不同材質施加接觸式隨焊超聲[2]輔助手工電弧焊接，直接或者間接作用于熔池[3]，影響焊縫的成型過程，改善焊縫組織，達到了提高焊接質量的作用。

1.接觸式超聲傳入設置

超聲波良好的傳播性，將超聲波施加在工件上，使主聲束沿工件向焊縫熔池傳播，電源采用12V直流電源，通過換能器產生超聲波振動，在濾波器保留22MHz的波，通過工具頭作用于工件，工具頭有一定的傾斜角度，使主聲束沿工件傳播到熔池，作用于焊接過程。隨焊超聲波改善電弧形態、熔滴過渡以及焊縫成型[4]，施加隨焊超聲利用其空化作用產生的過冷形核和破碎枝晶作用，提高形核率，抑制晶粒長大，降低焊接殘余應力。焊縫組織從柱狀晶轉變為等軸晶，提升拉伸強度和拉伸斷裂伸長率，提高了抗疲勞性能，同時還可以減少氣孔，最終提高焊接接頭力學性能。

2.火力發電廠常見金屬的超聲隨焊的研究

火力發電廠常見金屬材質包括SA210-C、15CrMo、12Cr1MoVG、T91、T92、SUS304、TP347、HR3C等，主要構件包括水冷壁、包墻、中隔墻、屏式過熱器、低溫過熱器、高溫過熱器、低溫再熱器、高溫再熱器、省煤器、集箱和連接管等，根據材料組織和性能的相似性[5]，選取SA210-C、12Cr1MoVG、T91、TP347四種材料的組件進行超聲隨焊的研究。

2.1 SA210-C施加隨焊超聲波

SA210-C是電廠常見的材質之一，常用于低溫過熱器下部、水冷壁下部、省煤器系統和連接管道等，組織為鐵素體加珠光體，焊縫硬度值為不大于母材硬度值加100HB，不低于母材的90%硬度值。選取規格Φ60×10，材質SA210-C，2G焊口，采用氬弧焊加電弧焊（GTAW+SMAW）的焊接方式。加載22KHz，功率1.8KW的超聲振動。保持其他條件不變，超聲隨焊與常規焊接相比，晶粒有明顯細化，熔深提高了近25%。焊接一次合格率從98.7%提升至99.2%，缺陷出現率從7.5%降低至5.0%，焊縫布氏硬度值225HB。

2.2 ?12Cr1MoVG施加隨焊超聲波

12Cr1MoVG是電廠常見的材質之一，常用于水冷壁上部，低溫過熱器上部，低溫再熱器下部、集箱以及連接管。組織為鐵素體加珠光體[6]，焊縫硬度值為不大于母材硬度值加100HB，不低于母材的90%硬度值[7]。選取規格Φ76×16，材質12Cr1MoVG，5G焊口，采用氬弧焊打底加手工電弧焊填充（GTAW+SMAW）的焊接方式。通過加載22KHz，功率1.8KW的超聲振動，保持其他條件不變，超聲隨焊與常規焊接相比，晶粒有明顯細化[8]，熔深提高了近25%。焊接一次合格率從98.5%提升至99.1%，缺陷出現率從7.5%降低至5.2%，焊縫布氏硬度值236HB。

2.3 ?T91施加隨焊超聲波

T91是電廠常見的材質之一，常用于低溫再熱器上部，高溫過熱器和連接管道等，組織為回火馬氏體[9]，焊縫硬度范圍185-290HB。選取規格Φ54×7.5，材質T91，6G焊口，采用氬弧焊（GTAW）的焊接方式。加載22KHz，功率2KW的超聲振動。保持其他條件不變，超聲隨焊與常規焊接相比，晶粒有一定程度細化，熔深提高了近15%。焊接一次合格率從97.2%提升至97.7%，缺陷出現率從12.8%降低至8.5%，焊縫布氏硬度值244HB。

2.4 TP347施加隨焊超聲波

TP347是電廠常見的材質之一[10，常用于屏式過熱器、高溫再熱器等，因其塑性較好，一般無硬度要求。選取規格Φ54×9，材質TP347，2G焊口，采用氬弧焊（GTAW）的焊接方式。加載22KHz，功率1.5KW的超聲振動。保持其他條件不變，超聲隨焊與常規焊接相比，晶粒有明顯細化，熔深提高了近23%。整個焊縫區元素分布均勻，從而提高了焊接接頭的耐蝕性。焊接一次合格率無明顯變化，維持在99.5%，焊縫布氏硬度值144HB。

3. 結論與展望

1.施加隨焊超聲的焊縫組織有明顯的晶粒細化，硬度值符合標準要求。

2.焊接一次合格率有較小程度提升，缺陷出現率有較大幅度降低。

3.由于焊接過程時間短、溫度變化快、且熔池體積小，超聲作用有限，所以熔池引入超聲振動的施加裝置和位置還需要進一步研究。

參考文獻：

張濤，王成，等，考慮虛擬電廠參與的售電公司雙層優化調度模型[J]，電網技術，2019 Vol.43，Issue（3）：852-960;

范成磊，超聲在電弧焊接中的應用[J]，精密成形工程，2017年11月，57-66;

劉偉，不同工藝參數對金屬熔滴沉積成形影響[J]，焊接學報，2018（39）12，82-88;

作者簡介：趙飛（出生年1989-）， 男， 安徽合肥， 本科， 工程師，安徽電建二公司金屬試驗室， 研究方向為無損檢測和焊接。