140mm面板Q345R與法蘭16MnⅢ端面埋弧焊工藝

陸鳳姣， 陶鑫，孫文浩，馬敏

1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院江陰分院 江蘇江陰 214400

2.江蘇雙良新能源裝備有限公司 江蘇江陰 214444

1 序言

由于國家提出了“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，所以大大推動了太陽能行業(yè)的發(fā)展。而還原爐作為多晶硅設(shè)備生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]，其中底盤是多晶硅設(shè)備的重要組成部件。目前，某公司多晶硅設(shè)備中面板的材質(zhì)為Q345R，厚度為140mm，與法蘭16MnⅢ連接，要求面板全焊透，工件直徑為3680mm（見圖1）。由于厚板與法蘭進(jìn)行焊接，所以容易產(chǎn)生變形大、應(yīng)力大、易出裂紋、未熔合等問題；另外，在以往類似部件的焊接中，往往采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊進(jìn)行焊接，不僅工人勞動強(qiáng)度大，焊接效率低，而且焊接產(chǎn)生的大量煙塵會污染環(huán)境。因此，為了解決這一問題，構(gòu)思采用埋弧焊專機(jī)代替焊條電弧焊，并制定相應(yīng)合理的焊接工藝進(jìn)行焊接。為驗證該焊接工藝能否達(dá)到產(chǎn)品要求，本文以板厚的140mmQ345R鋼為研究對象，通過焊接工藝試驗，確認(rèn)其能夠滿足140mm面板Q345R與法蘭16MnⅢ焊接的焊縫質(zhì)量要求。

圖1 產(chǎn)品工件

2 端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)

根據(jù)中面板與法蘭焊接接頭坡口深、角度小等特點，研發(fā)了專用焊接設(shè)備——端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)。該專機(jī)由焊接主機(jī)、電控系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)等組成（見圖2），并配備專門設(shè)計的夾板式焊槍，單絲焊接，搭配焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行焊縫跟蹤，其可焊尺寸為φ2800～φ4000mm端面環(huán)縫。

圖2 端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)

端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)主要特點如下。

1）設(shè)備緊湊、占地空間小，不占用生產(chǎn)場地；重量輕，吊裝方便。

2）設(shè)備解決了埋弧焊小車在焊接過程中打滑的現(xiàn)象，保證焊接質(zhì)量和焊縫成形。

3）采用浮動式結(jié)構(gòu)，減小因面板不平、裝夾誤差而引起對設(shè)備及焊縫質(zhì)量的影響。

4）焊接設(shè)備在面板不平度≤5mm誤差范圍內(nèi)行走平穩(wěn)，完成圓環(huán)縫焊接，保證焊接質(zhì)量。

5）焊槍采用夾板結(jié)構(gòu)，適用于單側(cè)弧形直邊的焊接。與傳統(tǒng)埋弧焊圓柱形焊槍相比，夾板設(shè)計焊槍寬度小，寬為10mm，并且焊槍傾斜角度可調(diào)，焊接過程中可以更近距離地貼近法蘭側(cè)面，從而解決法蘭側(cè)焊縫熔合問題。槍體和工件不干涉，同時焊槍表面噴涂絕緣陶瓷，避免焊接過程中因焊槍觸碰法蘭壁短路引弧而損壞焊槍。

6）采用手控盒，方便操作，減輕人員操作疲勞程度；采用觸摸屏人機(jī)交換界面，實時顯示焊接電流、電弧電壓、焊接速度及焊接道數(shù)等，方便焊接時觀察。

7）起焊后，設(shè)備自動記錄焊接時間、焊接電流、電弧電壓、焊接速度等焊接參數(shù)，并且實時顯示在觸摸屏上，方便記錄焊接參數(shù)、分析焊縫成形及作業(yè)時間。

3 焊接工藝試驗及技術(shù)措施

由于面板母材為Q345R，法蘭母材為16MnⅢ，二者均為低合金鋼，面板厚度達(dá)到140mm且要求全焊透[2]，因此淬硬傾向大，焊接性差，焊縫中極易出現(xiàn)裂紋。在焊接工藝試驗過程中，為防止焊接缺陷的產(chǎn)生，保證獲得可靠的焊接接頭，需在坡口設(shè)計、焊接材料選擇、技術(shù)措施、焊接參數(shù)等方面設(shè)定特殊要求，制定適合高效的焊接工藝[3]。

3.1 焊接試件

為盡量模擬產(chǎn)品實際焊接情況，試驗材料選用140mm厚Q345R面板，直徑2796mm，法蘭材質(zhì)16MnⅢ，內(nèi)徑2800mm，試驗所用母材的化學(xué)成分見表1。

表1 母材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 焊接材料的選擇

NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[4]中對Q345R及16M n低合金鋼推薦的埋弧焊絲為H10Mn2，適配焊劑有HJ431、HJ350以及SJ101三種。其中，H10Mn2為高錳實芯埋弧焊絲，HJ431為高錳高硅低氟熔煉型焊劑，HJ350為中錳中硅中氟熔煉型焊劑，SJ101為氟堿性燒結(jié)型焊劑[5]。丁鑫[6]對低合金高強(qiáng)度鋼埋弧焊焊絲-焊劑組合的研究表明，當(dāng)對低溫沖擊韌性和裂紋敏感性有要求時，建議選用H10Mn2與SJ101組合，可獲得良好的綜合力學(xué)性能。因厚板焊接易出現(xiàn)裂紋，所以盡可能在焊接材料上滿足厚板的焊接質(zhì)量要求，綜合考慮選用SJ101焊劑配合H10Mn2焊絲進(jìn)行焊接。焊劑使用前需在350～380℃保溫2h，完全去除水分，降低氫含量，從而避免產(chǎn)生氣孔及氫致裂紋，后續(xù)隨用隨取。

3.3 坡口設(shè)計

由于面板厚度大且要求全焊透，所以采用單邊雙U形坡口，如圖3所示。該坡口具有如下優(yōu)勢。

圖3 坡口形式

1）雙面坡口可以雙面焊接，焊接變形小。

2）雙面坡口面積較單面坡口小，熔融金屬填充量小，生產(chǎn)率高。

3）U形坡口更有利于增加熔深[7]。

3.4 焊接技術(shù)措施

（1）焊前預(yù)熱 焊前清理坡口及兩側(cè)15mm范圍內(nèi)的銹及油污，將焊件預(yù)熱到150℃以上。對于厚板焊接，預(yù)熱一方面可以降低焊接應(yīng)力，另一方面可以降低焊接應(yīng)變速率，有利于避免產(chǎn)生裂紋，改善焊縫性能。

（2）多層多道焊 因為低合金鋼厚度大，淬硬傾向大，焊接性差，焊縫中極易出現(xiàn)裂紋，所以采用多層多道焊，后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織[8]。

（3）層間溫度控制 多層多道焊的層間溫度需要嚴(yán)格控制，若層間溫度過高，則會引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性下降；若溫度過低（如低于預(yù)熱溫度），則可能在焊接過程中產(chǎn)生裂紋。此次焊接過程中規(guī)定層間溫度嚴(yán)格控制在200～250℃。

（4）焊接順序 為防止在大熱輸入焊接條件下將坡口鈍邊燒穿，也為了防止出現(xiàn)凝固裂紋，首層反面選擇采用φ4.0mm焊條電弧焊封底，其目的是減少碳弧氣刨的深度，使正反面交界處能更好地熔合。在厚板焊接過程中，在采取對稱坡口的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量做到對稱焊接，以降低內(nèi)應(yīng)力，減小裂紋傾向，并減小變形。因此，在封底焊后翻轉(zhuǎn)工件、碳弧氣刨清根后，采用埋弧焊焊接正面4～5道；二次翻轉(zhuǎn)工件反面清根打磨后，采用埋弧焊進(jìn)行焊接（4～5道）；三次翻轉(zhuǎn)工件，焊接正面填充12～16mm；翻身焊接反面填充12～16mm。重復(fù)上述過程直至焊滿。總計焊道約106道，正面焊接道數(shù)為53～56道，反面焊接道數(shù)為50～53道，包括壓道焊接的次數(shù)。焊道布置如圖4所示。

圖4 焊道布置

（5）焊后熱處理 根據(jù)NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[4]推薦的熱處理工藝來確定此次試驗試件的熱處理工藝參數(shù)。考慮到消除應(yīng)力熱處理溫度不應(yīng)超過母材原來的回火溫度，以免損傷母材性能[3]，因此選擇保溫溫度為（530±10）℃，并計算出保溫時間為11.15h，熱處理工藝曲線如圖5所示。

圖5 熱處理工藝曲線

3.5 焊接參數(shù)

為提高過熱區(qū)的塑性、韌性，采取小熱輸入進(jìn)行焊接。正面和反面的首道埋弧焊尤其需要使用小的熱輸入，這既可防止燒穿焊條電弧焊打底焊縫，也是為了防止凝固裂紋的產(chǎn)生。焊條電弧焊及埋弧焊焊接參數(shù)見表2[9]。

表2 焊條電弧焊及埋弧焊焊接參數(shù)

3.6 試驗結(jié)果

專業(yè)端面環(huán)縫埋弧焊機(jī)和合理的焊接工藝方案搭配，最終得到的焊縫填充飽滿，依據(jù)N B/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分 滲透檢測》[9]對焊縫進(jìn)行無損檢測，首先PT檢測合格，沒有表面缺陷；為進(jìn)一步檢測焊縫的內(nèi)部質(zhì)量，采用UT對焊縫進(jìn)行100%檢測（見圖6），未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)缺陷，焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合技術(shù)要求；剖開焊接試樣制備接頭宏觀金相（見圖7），顯示熔合情況良好。焊后面板平面度控制在5mm以內(nèi)，變形量符合產(chǎn)品要求。

圖6 UT檢測

圖7 金相試樣

為進(jìn)一步驗證焊接工藝的正確性，按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》制作與焊接工藝試驗匹配的焊接工藝評定，并按標(biāo)準(zhǔn)要求對焊縫進(jìn)行力學(xué)性能評判，得到拉伸、彎曲試驗結(jié)果，見表3，0℃沖擊試驗結(jié)果見表4。由表3、表4可知，結(jié)果完全滿足NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》規(guī)定的相關(guān)要求。

表3 拉伸、彎曲試驗結(jié)果

表4 0℃沖擊試驗結(jié)果 （J）

焊接工藝評定試驗表明，采用端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)搭配合理的焊接工藝及技術(shù)措施，可以實現(xiàn)140mm面板Q345R與法蘭16MnⅢ的焊接，且能獲得優(yōu)質(zhì)可靠的焊接接頭。焊接過程中需采用合理的坡口設(shè)計，強(qiáng)度、塑性、韌性相適應(yīng)的焊接材料，焊前預(yù)熱、焊后熱處理、多層多道焊，并采用合理的焊接參數(shù)控制焊接熱輸入，采用正反多次翻面進(jìn)行對稱焊接，得到的焊縫金屬充分熔合，質(zhì)量良好，變形量控制在產(chǎn)品技術(shù)要求內(nèi)。

3.7 產(chǎn)品應(yīng)用

采用端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)并應(yīng)用上述焊接工藝對多晶硅還原爐產(chǎn)品進(jìn)行140mm面板Q345R與法蘭16MnⅢ焊接（見圖8），完全能夠滿足產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求，證明上述試驗的焊接工藝及焊接設(shè)備是適用的。

圖8 多晶硅還原爐產(chǎn)品焊接

4 結(jié)束語

1）對140mm面板Q345R與法蘭16MnⅢ埋弧焊焊接坡口及焊接工藝設(shè)計配合端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)140mm面板Q345R全焊透，得到優(yōu)質(zhì)可靠的焊接接頭。

2）針對還原爐底盤面板與法蘭的焊接，端面環(huán)縫埋弧焊專機(jī)的誕生成功代替了焊條電弧焊。人員方面：一臺產(chǎn)品從原來的5人精簡到現(xiàn)在只需要2人；焊接時間方面：從原來的125h銳減到現(xiàn)在只需要55h；經(jīng)濟(jì)方面：面板的焊接相比原工藝可以節(jié)省成本約3800元。產(chǎn)品焊接變形方面控制為3～5mm；產(chǎn)品經(jīng)過UT檢測，合格率達(dá)到了95%以上。僅從提高產(chǎn)能來看，就能夠使該公司增加近1/2的產(chǎn)值，最終獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。