鎳基合金堆焊管板管孔加工技術研究與應用

趙 祥 蔣國輝

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

中國石油天然氣第一建設有限公司承接的某國外油田地面項目有四臺中間油- 油換熱器，該換熱器內操作介質為氯離子，每臺換熱器各有一塊固定和浮動管板，固定管板直徑φ1687mm，浮動管板直徑φ1585mm，厚度均為118mm，每塊管板上均布有1596個φ25.25mm 的管孔，管板鉆孔后終鉆側至少96%的孔橋寬度必須≥5.603mm，允許的最小孔橋寬度為4.05mm。管板基層材質為SA- 266M Gr.2N,復層材質為ENiCrMo- 3，復層厚度6mm。該管板與管孔采用機械強度脹接加密封焊結構，故每個管孔內有8mm 寬的環槽，以提高抗拉脫力的能力。

1 焊接特點與關鍵點

1.1 管板特點

管板采用在SA- 266M Gr.2N 鍛件表面堆焊6mm 的ENiCrMo- 3 鎳基合金材質，并且采用強度脹加密封焊接；管孔直徑公差嚴格，孔內有環狀的脹槽。管板與管孔的焊接概括起來具有材質加工“難”、尺寸結構加工“難”兩大特點。

(1) 堆焊焊材ENiCrMo- 3 化學成分（表1）滿足ASME 規范Ⅱ卷C 篇SFA- 5.11 和彎曲性能合格的條款，是一種以鎳為主要成分的合金材料，具有超高強度、非凡的抗疲勞的特性，被廣泛用于石化行業。該合金能夠適應高溫環境的強度，同時表現出卓越的耐腐蝕特性，特別對氯化物污染的媒介有超強的抗腐蝕作用。所以主要用于含氯化物的有機化學流程工藝的部件，尤其是在使用酸性氯化物催化劑的場合。這種材質屬于典型難加工材料，主要表現在加工表面硬化嚴重、切削溫度高、切削力大、刀具易磨損，以及尺寸精度和表面粗糙度難以保證等。

(2) 管板管孔內部有環狀的脹槽，孔徑公差較小，孔內壁要求無毛刺，無貫通性的縱向或螺旋狀刻痕等影響脹接密封性的缺陷，粗糙度要求高，且復合層材質和基層材質化學成分不同，抗拉強度和屈服強度等機械性能差異較大（SA- 266M Gr.2N 硬度一般在137～197HBW，耐蝕合金堆焊層硬度值一般在345HV10）。管孔和脹槽必須保證同心度和位置度，由于管孔直徑較小，孔徑與孔深比值達到了1∶5，屬于典型的深孔加工。加工過程中既要保證加工尺寸的公差和粗糙度，又要解決深孔鉆孔過程中的排屑難題，同時兼顧生產效率、產品質量和經濟效益，難度較大。

1.2 管孔加工關鍵點

1.2.1 加工設備的確定

公司有搖臂鉆床、臥式數控深孔鉆床和龍門鉆銑床三種設備可以用于鉆孔，表2 對三種加工型式進行了對比。由表可見，管板管孔加工使用搖臂鉆床效率低、管孔質量差，該設備雖然經濟實用，但結合面較多，機床剛性差，制約了高速切削和孔表面粗糙度的提升。另外，還需要人工劃出孔位。而使用數控深孔鉆床和龍門鉆銑床可以實現軟件編程導出到機床加工，管孔成型質量也較高。因此，在數控深孔鉆床和龍門鉆銑床兩種設備中進行選擇。

通過比較可以發現，兩種設備都能保持管孔位置精度和質量，但又有一定的區別。數控龍門鉆銑床整體為龍門框架布局結構，機床、立柱、橫梁、滑軌和主軸箱等采用直線滾動導軌，加工精度和剛性較好，配合高壓刀具冷卻系統，為高速切削奠定了基礎。具體比較如下：第一，龍門鉆銑床為外排屑冷卻，使用乳化液冷卻；數控深孔鉆床為內排屑冷卻，使用切削油冷卻，龍門鉆銑床成本更低；第二，龍門鉆銑床為多功能加工設備，在鉆孔完成后可以直接進行管孔脹槽和坡口倒角，并完成管板隔板槽加工；而數控深孔鉆床只能鉆孔，需要用其他設備加工脹槽、銑槽和倒角，并且需要多次裝卡管板和多次找正，容易產生誤差，效率較低；第三，龍門鉆銑床上管板為水平放置，易于裝卡、找正和吊裝；數控深孔鉆床上管板為立式放置，不易吊裝和找正。因此，選擇龍門鉆銑床為本次管板管孔加工的使用設備。

1.2.2 加工工藝的確定

根據機床特點，制定管孔的加工工藝。由于管板堆焊有鎳基合金，堆焊層和基層的材質不同、硬度不同，切削性能有很大差別，因此在工藝上要采用分段加工與粗、精加工相結合的方法。先使用U 鉆將堆焊層加工掉，孔徑留一定余量；然后換成比U 鉆直徑略小的高速鉆鉆基層，直徑小可避免復合層對高速鉆的磨損，高速鉆的結構特點能避免鉆孔過程中出現長鐵屑纏繞鉆頭；管板孔鉆完后，先使用U 鉆精鏜復合層至圖紙尺寸，然后精鏜基層至圖紙尺寸。

1.2.3 刀片種類和材料的確定

由于麻花鉆的材料和幾何角度等特點，決定了其無法進行高速切削。U 鉆和高速鉆相對于普通麻花鉆具有以下優點：第一，高切削效率。U 鉆和高速鉆的材料和結構特點可以保證較高的線速度。第二，刀具冷卻效果好。在加工過程中可以實現很好的冷卻，配合內部高速冷卻系統，可以對刀片更好地進行降溫，保護和延長刀具的使用壽命。第三，刀片更換方便，加工壽命可預估，因而可適時更換，適于批量加工。

切削鎳基合金時應選用耐高溫、耐磨、導熱性能好的刀具材料，如硬質合金、金剛石、立方碳化硼及氮化硅陶瓷等。相對而言，硬質合金刀片成本較低，在大量使用時經濟性較好。硬質合金表面采用氮化鋁鈦涂層，帶涂層合金表面具有硬度高、氧化溫度高、熱硬度好、涂層附著力強等特點，適用于鎳基合金加工。

表1 ASME SFA- 5.11 中ENiCrMo- 3 化學成分 %

表2 三種管孔加工設備對比

1.2.4 切削液的確定

為了降低切削溫度，提高刀具的使用壽命，選擇的切削液應不含硫，以減少切削過程中的晶間腐蝕。所以選擇高油半合成型切削液，該類型切削液具有良好的冷卻性，含有潤滑作用的化學表面活性劑，能夠滿足高溫鎳基合金的切削和冷卻要求。在中心內冷切削過程中，切削液滲透進入金屬內壁切削表面，減少刀具和切屑、刀具和工件的摩擦，從而減少切削力。

1.2.5 切削用量的確定

切削用量對鎳基合金鉆削過程中的加工硬化、切削力及切削熱等有很大影響。根據切削理論，在切削三要素中，對切削熱和刀片壽命影響最大的是切削速度，其次是進給量和切削深度。由于采用分段和粗、精結合的加工方法，切削用量要與每個加工工序相匹配，具體參數見表3。

2 形成加工工藝

在加工過程中，刀具從上到下加工孔時，由于未切削的厚度逐漸變小，在軸向力的作用下孔內表面產生較大的塑性變形。且隨著刀具的不斷磨損，切削力增大，切削溫度升高，刀具切削能力降低，孔壁受到刀具擠壓出現隆起并進一步發生拉伸斷裂，生成切屑瘤的同時形成較明顯的毛刺。因此采用分段加工和粗、精加工相結合，并及時更換刀片，從而有效抑制切屑瘤的產生。工藝流程如下：檢查工件→裝夾→點孔→鉆復合層孔→鉆基層孔→鏜孔復合層→鏜孔基層→脹槽刻槽→倒角→檢查→倒角。

3 加工過程的要點

（1）機床斷電后原點歸位，回工件原點檢查中心，首孔單段確認管孔位置，確保程序正確再執行。

（2）交接班時首孔單段確認孔位置及孔徑大小，確保操作人員熟知操作內容。

（3）測量尺寸時，在機床移動位置再重新繼續鉆孔的情況下，先單段執行確認管孔位置，這樣便于檢驗程序執行是否正確。

（4）換刀前十個孔和換刀后十個孔要確認孔徑大小，確保孔徑尺寸符合要求。

（5）由于管板背面管孔1×30°倒角需要將管板翻身，因此在數控鉆銑床上無法再重新確定孔位，可以利用搖臂鉆床倒角。

表3 管孔加工工藝參數

4 測量

首先使用芯棒對管孔通過性進行檢查，然后使用內徑千分尺測量管孔直徑。使用前要先校對零位，再轉動微分筒，保證在整個測量范圍內測微螺桿、微分筒的移動過程平穩。若出現卡頓現象，說明測微螺桿中存在異物。通過測量，發現管孔直徑和孔橋間距完全滿足圖紙要求。使用溝槽游標卡尺測量脹槽，證明脹槽尺寸符合圖紙要求。

5 結語

鎳基合金堆焊管板的復合層雖然切屑性差，但是選擇好刀具，選取適當的切削用量，選用合適的切削液，同時選擇正確的加工方法，仍然可以圓滿完成焊接任務。采用先預鉆復合層底孔，再鉆碳鋼基層底孔，最后進行精鏜孔的加工工藝，加工質量穩定。通過研究鎳基合金堆焊管板管孔加工的全過程，摸索出合理的加工工藝，提高了加工的經濟性，滿足了加工要求，提升了制造工藝水平。