淺析FCAW在鍋爐制造中的應用

徐祥久

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046; 2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 前言

藥芯焊絲電弧焊(Flux-cored arc welding, FCAW)，因具有焊接生產效率高、焊縫成形美觀、焊接飛濺少等優點，在工業生產制造中被廣泛應用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等材料的焊接，尤其是在船舶、鋼結構等行業[1-2]。FCAW是一種熔化極電弧焊工藝，一般分為氣體保護(FCAW-G)和自保護(FCAW-S)兩種形式，氣體保護FCAW為氣、渣雙重保護模式，焊接工藝性優良，可以獲得理想的焊縫形貌，在實際焊接生產中應用更為普遍[3-5]。

目前，國外一些企業已在鍋爐承壓部件中廣泛使用FCAW方法[6-7]。然而，國內在鍋爐、壓力容器等承壓設備制造時使用FCAW方法，行業內仍存在不同意見[8-9]，文中結合具體材料、焊接結構和應用實踐，針對氣體保護FCAW在國內鍋爐制造中的應用進行簡要分析。

1 標準規定

NB/T 47018.1—2017《承壓設備焊接材料訂貨技術條件 第1部分：采購通則》中規定碳鋼和低合金鋼藥芯焊絲應為堿性渣系，并要求在訂貨合同中包含保證藥芯成分、藥芯填充均勻性的具體內容和檢驗方法，以及打開真空包裝后保證熔敷金屬擴散氫含量的措施。一是考慮酸性渣藥芯焊絲熔敷金屬含氧量高，焊后熱處理后沖擊韌性差，抗裂性不佳；二是通過對焊絲制造過程控制，保證藥芯成分、藥芯填充均勻性，以獲得成分均勻、性能穩定的熔敷金屬；三是避免在使用過程中，受環境因素等影響，開包焊絲熔敷金屬擴散氫含量超標。

關于國外標準對FCAW的在承壓設備制造中的使用要求，文獻[8]進行了系統分析。目前，國外標準和規范并未禁止FCAW方法用于鍋爐、壓力容器等承壓設備的焊接，但是相應的提出了一些使用限制條件。

2 應用現狀

21世紀初，氣體保護FCAW便已在國內鍋爐制造行業中開始應用[10-11]。目前，一些鍋爐廠已將氣體保護FCAW作為成熟工藝用于碳鋼、鉻鉬鋼(15CrMoG，12Cr1MoVG，SA-335 P91)材料集箱、鍋筒等部件接管和附件的焊接[12-14]，因焊接生產效率和成本與埋弧焊比存在差距等因素，罕有采用氣體保護FCAW焊接鍋筒、集箱等部件的縱縫和環縫。由于施焊工藝性能好，焊縫表面成形美觀，目前所用焊絲大多為酸性渣系藥芯焊絲。2017年，新版《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》(NB/T 47018.1～47018.5—2017)發布并實施以來，酸性渣系藥芯焊絲不再被允許用于鍋爐、壓力容器等承壓設備，各鍋爐廠開始考慮如何進行酸性渣系藥芯焊絲的替代問題，但因堿性渣系藥芯焊絲施焊工藝性不良、生產廠家少等原因，堿性渣系藥芯焊絲至今仍未在鍋爐制造行業廣泛應用[15]。

3 實際情況

鍋爐產品實際焊接生產時，筒體的縱縫、環縫焊接以埋弧焊方法為主，小口徑管對接環縫以鎢極氬弧焊方法為主，很少采用FCAW方法。目前，FCAW在鍋爐制造中仍主要用來焊接鍋筒、集箱的大管接頭、集箱小管接頭、耳板及一些附件。

3.1 大管接頭的焊接

大管接頭是鍋爐集箱和鍋筒常見的結構形式，大管接頭與筒體之間一般為座式馬鞍形焊接坡口，通常要求全焊透，如圖1a所示。大管接頭采用氣體保護FCAW焊接之前需采用鎢極氬弧焊進行打底焊，保證首層焊縫單面焊雙面成形，然后采用FCAW進行填充和蓋面焊接，否則易產生根部未焊透缺陷[16-17]。此類焊接接頭焊后可采用超聲波進行無損檢測，能保證最終產品焊縫無缺陷，圖1b為采用氣體保護FCAW焊接的15CrMG大管接頭焊縫截面照片。需要注意的是，TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》發布實施以來，A級鍋爐鍋筒、合金鋼集箱類部件和管道對焊縫熔敷金屬和熱影響區沖擊韌性進行了要求，使用FCAW方法焊接大管接頭時應保證所用焊材熱處理后的沖擊韌性符合要求。

圖1 大管接頭焊接結構

3.2 耳板的焊接

耳板采用氣體保護FCAW方法進行焊接，比傳統焊條電弧焊的效率提高一倍以上，因此各鍋爐制造廠的耳板焊接大多采用FCAW工藝。因耳板一般為承載件，采用FCAW與承壓的筒體焊接時既要保證焊接接頭的沖擊韌性滿足要求，還要保證焊縫根部無缺陷。耳板焊縫通常要求全焊透(圖2)，在采用小角度坡口焊接時，焊縫根部極易產生未焊透、未熔合和夾渣等缺陷。因此雙面焊接時，背面需進行清根保證焊縫根部無缺陷后再焊接，厚板采用K形坡口時，適當加大根部間隙和坡口角度有利于減少根部缺陷，焊后可對焊縫進行超聲波檢測，保證焊縫內部無缺陷。

圖2 耳板焊接結構

3.3 小接管的焊接

集箱為鍋爐中結構較為復雜一種部件，其上通常布置一定數量的小管接頭。20世紀，國內對于集箱管接對的焊接主要為焊條電弧焊一種方法。隨著焊接工藝裝備和技術的不斷進步，新工藝方法開始逐步在集箱管接頭焊接中應用，主要包括內孔氬弧焊、埋弧焊、FCAW，以及一些采用機器人焊接的嘗試[18]。

對于集箱小管接頭采用氣體保護FCAW焊接，需特別注意焊接坡口對焊縫質量的影響。一般情況下，為降低生產成本和提高生產效率，往往選擇小角度窄坡口。當采用FCAW工藝時，窄坡口對電弧位置精度要求會較高，根據最小電壓原理，電弧不易到達窄坡口內理想的位置，操作不當會在焊縫內部產生夾渣、未熔合、根部未焊透等缺陷。另外，由于集箱管接頭直徑一般在28～76 mm范圍內，且小管接頭多為密排布置，焊接操作空間受限，每道焊縫焊接過程中均需大幅度調整焊槍姿態，以適應焊縫在圓周方向的曲率變化。因此，采用手工操作的氣體保護FCAW焊接集箱管接頭時，電弧位置、焊接速度、焊絲伸出長度等不易控制，更容易導致在焊縫內部產生缺陷。圖3為采用牌號為E501T-1焊絲CO2氣體保護FCAW所獲得的集箱管接頭角焊縫截面照片。從焊縫截面看缺陷多為點狀，通過對焊縫進行切片檢查發現，這些缺陷沿焊接方向均有一定長度，甚至可在焊縫內整圈存在。在實際鍋爐集箱生產制造時，往往只對集箱管接頭焊縫進行表面檢測，焊縫內部缺陷不易被發現。因此，需謹慎采用手工操作的FCAW方法用于集箱管接頭焊接，尤其不宜采用熱處理后韌性和抗裂性較差的酸性渣系焊絲。在采用機械化、自動化焊接設備可保證電弧位置精確、焊接速度可控、焊絲伸出長度穩定的情況下，則可匹配氣體保護FCAW方法用于集箱管接頭的焊接。目前，一些鍋爐廠已有相應工藝裝備，并取得了較好的應用效果[19]。

圖3 集箱小管接頭FCAW焊接缺陷

3.4其他結構的焊接

在鍋爐制造中，對于非承載且非承壓件與承壓件之間的焊接，例如鍋筒、集箱等部件上的臨時或永久性附件的角焊縫，以及非承壓件之間的焊接，基于FCAW操作方便、焊縫成形美觀的優點而被廣泛采用。

4 幾點建議

(1) FCAW在鍋爐制造中用于焊接碳鋼和低合金鋼，應嚴格按標準要求選用堿性渣系藥芯焊絲，以保證焊縫具有較好的沖擊韌性和較強的抗裂性。

(2)嚴格控制藥芯焊絲的使用過程，特別關注潮濕環境下有縫藥芯焊絲開包后的儲存和使用，防止長時間放置于大氣環境后用于產品，保證焊縫金屬中擴散氫含量可控。

(3)對于坡口焊縫的焊接，FCAW不宜采用小角度窄坡口，以防焊縫根部產生未焊透或未熔合等缺陷。

(4)對于鍋爐承壓部件的焊接，為保證采用FCAW所焊接的接頭內部無缺陷，焊后應對接頭進行體積型無損檢測，對于無法采用體積型無損檢測的結構則不宜采用FCAW方法焊接。

(5)選擇優秀的焊絲供方，定期對焊絲廠家進行評價，嚴格地控制藥芯焊絲品質，按批次對焊絲進行驗收，保證焊絲藥芯成分穩定、藥粉填充均勻、焊縫性能可靠。

(6)在FCAW使用前應嚴格進行焊接工藝評定，除考核標準基本要求外，還應考慮實際產品結構、坡口形式、產品工藝過程等因素的影響。

5 結論

(1)氣體保護FCAW可以用于鍋爐承壓件的焊接，在焊接大管接頭、耳板等結構時具有一定的效率優勢，但不宜采用該方法手工操作焊接鍋爐集箱小管接頭。

(2)鍋爐制造中使用FCAW方法時，焊后焊縫應經體積型無損檢測，以保證產品焊接接頭內部無缺陷。

(3)用于鍋爐制造的藥芯焊絲應為堿性渣系，藥芯焊絲的制造、儲存和使用過程均會對焊縫性能產生影響，各個環節均需加強過程控制，才能保證焊縫性能的穩定可靠。