雙吸離心泵球墨鑄鐵泵體焊接修復(fù)

楊琦棟 趙 輝

(1、新疆益安特檢工程有限公司焊培部,新疆 烏魯木齊830000 2、新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊830023)

上海電投哈密發(fā)電廠在2016 年冬季檢修生產(chǎn)過(guò)程中,未對(duì)1#燃機(jī)3#閉冷水泵中的水排除干凈,導(dǎo)致泵體在出口交匯處產(chǎn)生凍裂,形成400mm 的封閉性裂紋,急需補(bǔ)焊,如圖1。

圖1 裂紋發(fā)生部位

1 焊接性分析

上海電投哈密發(fā)電廠雙吸離心泵采用QT-400 球墨鑄鐵作為泵體材料。QT-400 球墨鑄鐵含碳量高達(dá)3.5%～4.0%,焊接過(guò)程中形成又硬又脆的白口組織,導(dǎo)致焊接接頭切削加工性能極差。由于球墨鑄鐵的塑性不足,焊接時(shí)受到焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的拘束作用,易產(chǎn)生低塑性脆化裂紋[1]。另外由于泵體裝配的要求,泵體的焊接殘余變形必須受控,進(jìn)一步加大了補(bǔ)焊難度。針對(duì)白口組織,從兩方面考慮,一是從焊接材料入手,加入Ni、Co等促進(jìn)石墨化合金元素,減少白口組織的形成[2]。二是焊后緩冷,促使C 的石墨化轉(zhuǎn)變。采用塑性好的焊接材料,使殘余應(yīng)力釋放在焊縫金屬中,保障泵體在焊接結(jié)束后,不產(chǎn)生新的裂紋。焊接殘余變形問(wèn)題可以在焊接工藝上采用低熱輸入量的工藝參數(shù)減少焊接變形。同時(shí)在焊接過(guò)程中測(cè)量焊接殘余變形量,根據(jù)測(cè)量的焊接殘余變形不斷調(diào)整焊接順序,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的控制。

2 焊接方法

由于泵體中封面、入水腔出水腔密封凹槽變形應(yīng)控制在0.05mm 以內(nèi),所以采用的焊接方法必須保證焊件變形可控。采用焊接熱輸入量小的焊接方法,對(duì)于焊接殘余變形的控制是比較有利的[3]。對(duì)比鑄鐵補(bǔ)焊常用的氧- 乙炔氣焊、手工焊條電弧焊兩種焊接方法,手工焊條電弧焊焊接相對(duì)熱輸入量小,本次焊接修復(fù)工作采用手工焊條電弧焊。

3 焊接材料

手工焊條電弧焊中焊接熱輸入量小時(shí),應(yīng)該采用冷焊工藝。而冷焊工藝所選擇焊接材料應(yīng)采用異質(zhì)焊接材料進(jìn)行焊接,減少白口組織的產(chǎn)生,保障泵體焊接修復(fù)后的使用性能。

本次修復(fù)選用EZNi-1 鎳基鑄鐵焊條作為打底層焊接材料。 Ni 元素還是較強(qiáng)的石墨化元素,其在高溫階段擴(kuò)散系數(shù)為硅的20 倍,具有較大的擴(kuò)散系數(shù)。鎳元素向鑄鐵母材中的擴(kuò)散,可以有效的減小白口組織區(qū)的寬度,促進(jìn)碳元素的石墨化。另外一方面,使用E5015 焊條作為填充層、蓋面層焊接材料。E5015 焊條具有塑性好、韌性好、強(qiáng)度高等力學(xué)性能優(yōu)點(diǎn),可避免焊接時(shí)產(chǎn)生新的裂紋。前期采用EZNi-1 鎳基鑄鐵焊條+E5015 焊條組合焊材在在冶金及電廠公司球墨鑄鐵裝置、設(shè)備搶修焊補(bǔ)時(shí)也得到良好的應(yīng)用。所以本次焊補(bǔ)采用EZNi-1 鎳基鑄鐵焊條+E5015 焊條組合焊材。

4 焊接工藝及操作要點(diǎn)

4.1 焊前準(zhǔn)備

焊條在施焊前進(jìn)行烘干,烘干溫度為：EZNi-1 100℃保溫1小時(shí)；E5015 350℃保溫1 小時(shí),使用時(shí)焊條放在焊條保溫筒里,用一根取一根。

根據(jù)裂紋的實(shí)際情況,將裂紋兩端用火焰加熱至200-300℃左右,可用加熱減應(yīng)法將不明的裂紋及裂紋末端顯示出來(lái),并在裂紋末兩端離10～15mm 處鉆6～10mm 孔。將孔擴(kuò)成上大下小的喇叭口狀的,焊接時(shí)便于熔合良好。采用角磨機(jī)開(kāi)破口,夾角處難以用角磨機(jī)開(kāi)破口處,把裂縫放置在處于立縫位置,先用碳弧氣刨開(kāi)坡口,坡口角度為60°～80°,加工成單面破口,坡口加工完后用小錘在破口內(nèi)及附近輕輕敲擊以消除應(yīng)力,再使用內(nèi)磨機(jī)進(jìn)行打磨,焊接前清除斷口周圍破口面及兩側(cè)20mm 表面的油污和氧化物,使其露出基本的金屬光澤,減少焊接缺陷的發(fā)生,如圖2。

圖2 焊接坡口

4.2 焊接工藝參數(shù)

冷焊時(shí)電流需要嚴(yán)格控制,必須按照工藝參數(shù)進(jìn)行,電流過(guò)大會(huì)使母材熔深加大,白口層增厚,可能造成焊縫從母材脫落；電流過(guò)小,則會(huì)在焊接中產(chǎn)生熔合不良,夾渣等缺陷,進(jìn)而影響鑄鐵件的焊補(bǔ)質(zhì)量[4]。在電流嚴(yán)格控制的同時(shí),電弧長(zhǎng)度盡量保持在焊條直徑的0.5 倍,以保證電弧燃燒穩(wěn)定、熔合良好。

球墨鑄鐵補(bǔ)焊時(shí),應(yīng)盡量選用小直徑的焊條,以便在焊接熱輸入較小時(shí),保證焊接電弧的挺度。打底層用EZNi-1 直徑為Ф3.2mm 焊條,填充層和蓋面層采用E5015 直徑為Ф2.5mm 焊條。每焊完1 道,必須使焊接區(qū)域溫度降至60°,再開(kāi)始下一道焊縫[5]。小直徑的焊條,較小焊接電流、快焊速、低層間溫度等冷焊工藝的使用,就是降低熱輸入,可減少焊件的受熱范圍,達(dá)到減少焊接應(yīng)力,防止裂紋與產(chǎn)生白口的目的,見(jiàn)表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

4.3 操作要點(diǎn)

采用“短段、斷續(xù)、分散焊,錘擊焊縫”的操作要領(lǐng)進(jìn)行,即每次焊接20-40mm 焊道或更短,不能連續(xù)進(jìn)行,可以從不同幾處開(kāi)始焊接。每次焊接完成,待冷卻至60℃(用手背觸碰不燙手),再焊下一段。

焊后用小尖圓頭錘的尖頭趁紅熱敲擊焊縫金屬,促使焊縫金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形,釋放一部分焊接殘余應(yīng)力,起到減少焊接變形的效果。敲擊順序?yàn)橄葟幕】娱_(kāi)始迅速捶擊遍整條小段焊縫,直到焊縫上出現(xiàn)均勻密布的麻點(diǎn)并且焊縫冷卻到60℃為止。

焊縫每層焊接時(shí),先焊采用ZENi-1 焊兩側(cè)坡口面焊縫即打底層,焊完后,用角磨機(jī)打磨焊道,確認(rèn)熔合良好,無(wú)氣孔、裂紋后再用E5015 焊填充層、蓋面層。

施焊中以直線運(yùn)條手法為佳,避免擺動(dòng)帶來(lái)的熱輸入。為避免應(yīng)力集中。產(chǎn)生裂紋焊縫應(yīng)與母材呈圓滑過(guò)渡,收弧時(shí)填滿弧坑。在施焊過(guò)程中采用兩塊百分表,分別在焊縫測(cè)泵體中封面、入水腔出水腔密封凹槽內(nèi)檢測(cè)變形量,焊接過(guò)程中根據(jù)變形量調(diào)整焊接方向及順序,把變形控制在0.05mm 以內(nèi)(圖3)。

圖3 施焊過(guò)程中焊接變形檢測(cè)

雙吸離心泵泵體焊接修復(fù)焊補(bǔ)后,為減少白口組織和焊接應(yīng)力,防止開(kāi)裂,在室溫下放在草木灰或石棉粉中緩慢冷卻,降低冷卻速度。

5 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

焊后經(jīng)外觀檢查焊縫表面沒(méi)有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、熔合性飛濺、咬邊、焊瘤等缺陷；進(jìn)行100%的滲透(PT)檢測(cè),對(duì)本體焊縫進(jìn)行工作壓力1.5-2.0 倍的水壓檢驗(yàn),檢驗(yàn)合格,如圖4。

圖4 焊接修復(fù)后焊縫外觀

結(jié)束語(yǔ)

補(bǔ)焊過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行了焊接工藝要求,取得了良好的補(bǔ)焊效果,經(jīng)過(guò)半年的質(zhì)量跟蹤,產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求,設(shè)備運(yùn)行良好,驗(yàn)證了用結(jié)構(gòu)鋼堿性焊條和純鎳焊條補(bǔ)焊球墨鑄鐵泵體的可行性。