CN102756235A - 一种特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法 - Google Patents

一种特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，包括焊前准备工序、焊接修复工序、焊后质量检验工序，焊接修复工序包括（ 1 ）、预热；（ 2 ）、采用 TIG 焊对坡口的全部位置进行 1~2 层打底焊，用实心焊丝材料对整个坡口底部进行填充；（ 3 ）、升温至 220 ℃ ~330 ℃，恒热保温 3~8 小时，采用手工电弧焊进行坡口的填充焊，焊道焊后立即用气锤进行锤击，且使锤痕密布均匀；（ 4 ）、消氢热处理；（ 5 ）、焊后热处理：先在温度 500~550 ℃下进行消除应力退火，然后在 700~750 ℃下进行高温回火，完成后，以 65 ～ 150 ℃ /h 的速率降温冷却至室温。本发明焊接修复后的焊缝经测试后质量好，不易再次发生裂纹。

Description

一种特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法
技术领域
本发明属于铸件焊接修复技术领域，特别涉及一种厚壁铸钢件的现场焊接修复方法。
背景技术
火力发电厂锅炉、四大管道、汽轮机等重要部件采用大型铸钢件很多，且大部分用于高温高压的工况下，恶劣的工作条件对其安全提出了非常高的要求。主汽阀，调节阀、堵阀和锅炉联箱上的铸造三通等部件由于体积大、不同部位壁厚变化大等因素，常常在制造过程中因冷却速度不同而存在组织不均匀性，并常常伴随铸造缺陷，导致在运行条件下很容易发生开裂失效。
现有技术中，由于在现场焊接修复后难以实施局部焊后热处理，因此通常采用异质冷焊修复方法进行修复。然而，针对较大(达到壁厚的一半)及贯穿型的缺陷，采用异质冷焊工艺较难完成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法。
为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，包括焊前准备工序、焊接修复工序以及焊后质量检验工序，特别是：
在焊前准备工序中：对有缺陷的部位进行打磨以形成坡口，其中确保打磨后的坡口内部无尖角槽或棱角，坡口周围内外壁30mm范围内打磨出金属光泽，形成的坡口经表面检查确认无残留缺陷以及除油污后，进入焊接修复工序；
焊接修复工序包括依次进行的下列步骤：
(1)、预热所述坡口至需进行焊接修复的位置的内壁温度达到不产生焊接冷裂纹的最低温度；
(2)、采用钨极惰性气体保护焊方式对坡口的全部位置进行1～2层打底焊，用实心焊丝材料对整个坡口底部进行填充，对坡口中几何形状突变剧烈的区域进行圆滑过渡，其中，控制钨极惰性气体保护焊层间温度在130℃～220℃之间；
(3)、步骤(2)完成后，升温至220℃～330℃，恒热保温3～8小时，采用手工电弧焊进行坡口的填充焊，其中：手工电弧焊采用与母材同质或同类的电焊条，且采用多层多道焊，焊道焊后立即用气锤进行锤击，且使锤痕密布均匀；
(4)、焊后消氢热处理：在坡口焊满后，在温度300℃～400℃下进行消氢热处理，消氢热处理时间为2～6小时；
(5)、焊后热处理：首先在温度500℃～550℃下进行消除应力退火，然后在700℃～750℃下进行高温回火，热处理完成后，以65℃/h～150℃/h的降温速率冷却至室温。
根据本发明的进一步和优选实施方案：
在焊前准备工序中：进行打磨时，先沿直线向根部打磨，逐渐适当扩宽，直至打磨出缺陷，并将坡口打磨成便于后续焊接操作的形状。在焊前准备工序中可以通过用有机溶剂擦拭来除油污。
在焊接修复工序的步骤(1)中，预热可以采用履带式加热器、绳式加热器或二者的组合，或者也可以采用现有的专用加热装置来进行加热。
在所述步骤(2)和(3)的焊接过程中，辅以手持式红外测温仪实时监控温度，在温度低于要求的温度的最低值时，重新加热，在温度超出要求的温度的最高值时，停止焊接。
步骤(4)和(5)中的热处理采用加热片或加热绳或二者的组合，或者也可以采用现有的专用加热装置来进行加热。
所述焊后质量检验工序包括无损检测、硬度检测、现场金相检测以及残余应力测试。其中，无损检测采用目视检查、磁粉探伤和超声检查相结合的方法。
根据本发明的一个具体方面，铸钢件的材料为碳钢或低合金钢，步骤(1)中，预热至130～220℃。
根据本发明的又一具体方面所述的缺陷为贯穿型缺陷时，所述方法还包括在步骤(3)中，焊至坡口深度的1/3～2/3时进行一次中间消氢热处理，该中间消氢热处理的温度为300～400℃，时间为2～6小时。
根据本发明的又一具体方面，厚壁铸钢件的材质为ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢，在步骤(3)中采用的电焊条为超低氢型高韧性焊条。
根据本发明，厚壁铸钢件通常指壁厚度范围为40～200mm的铸钢件。“较大缺陷”是指深度达到壁厚一半以上的缺陷。本领域技术人员应理解，本发明提供的特别适于焊接修复厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的焊接修复方法，同样也可以用于其它铸钢件及缺陷类型的焊接修复。因此，本发明的保护范围不应受到铸钢件厚度以及缺陷类型的限制。
由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明在焊接修复前，确保缺陷彻底清除干净，避免裂纹再度产生；采用TIG焊对打磨后的坡口全部位置进行打底焊，有效防止铸钢件特别是原始铸造缺陷较多的铸钢件再度产生裂纹；本发明还在手工电弧焊焊接过程中进行锤击消除残余应力，使焊接修复过程的残余应力得到有效控制；在焊后进行的热处理包括消除应力和高温回火热处理，其能够在对组织和硬度进行调节的同时消除焊接残余应力。本发明的焊接修复方法特别适于电站、化工行业厚壁铸钢件中较大(达到壁厚一半以上)及贯穿型缺陷的焊接修复，焊接修复后的焊缝经测试后质量好，不易再次发生裂纹。
附图说明
图1为阀体外壁裂纹照片；
图2为显示打磨后的坡口形状的照片；
图3为补焊焊缝典型金相组织。
具体实施方式
已知，主蒸汽阀门是火力发电厂主要的热力设备，不仅平稳运行状况下长期承受高温高压载荷作用，而且在启、停机以及符合发生变化时还会受到交变应力的作用，因此，在主蒸汽阀门的薄弱部位或存在内部制造缺陷的区域容易产生裂纹而失效。
2011年4月某发电公司的一台俄罗斯超临界500MW燃煤机组2号蒸汽阀门阀体(材料为ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢)均出现贯穿性裂纹，引发蒸汽泄露，随后1号主蒸汽阀门阀体也发现存在多道裂纹等缺陷。下面以2号阀体外表面的1处长度为100mm左右的裂纹(参见图1，裂纹张口宽度为2～3mm，对应的该处内壁裂纹1条，泄漏处厚度约为95mm)的修复为例，对本发明的现场焊接修复方法进行说明。
根据本实施例，焊接修复方法分为焊前准备工序、焊接修复工序以及焊后质量检验工序三个工序进行，具体如下。
1、焊前准备工序
(1)、打磨缺陷形成坡口：采用现场适用的打磨切削设备(如角磨机、坡口机等)将有缺陷的部位打磨清理干净，打磨时应先沿直线向根部打磨，逐渐适当扩宽，直至打磨出缺陷，并尽可能使打磨出的区域形状便于后续操作，打磨后的坡口内部特别是坡口(如图2所示)根部圆滑过渡，无尖角槽或棱角，坡口周围内外壁30mm范围内需打磨出金属光泽。
(2)、缺陷清除的确认：裂纹的挖除是补焊成功的先决条件，如果裂纹挖除不干净，留下隐患，还会导致裂纹再度产生。最终制备的坡口区域由专业探伤人员表面检查，质量级别达到JB/T4730-2005渗透I级，确认打磨坡口区是否有未清理完的残留缺陷，若有再次彻底清除干净。缺陷确认打磨消除完成后用丙酮等有机溶剂擦拭以去除油污等表面杂质。
2、焊接修复工序
焊接修复工序按坡口的预热→打底层TIG焊接→填充焊道的手工电弧焊→焊后消氢及热处理的流程进行，具体如下：
(1)、预热：采用履带式加热器、绳式加热器或其它专用加热装置将需进行焊接修复的位置的内壁温度加热至150℃，之后开始焊接工作；
(2)、打底层焊：采用钨极惰性气体保护焊(TIG焊)方式，在此期间用作热源的电弧在不可熔电极与工件间燃烧，惰性保护气体保护熔化的焊接材料免受周围空气的影响，其中，采用与母材同质或同类的实心焊丝材料(焊丝牌号TIG-R31、规格ф2.5mm，焊接电压9-11V、焊接电流70-90A)，TIG焊进行2层焊接，用实心焊丝材料对整个焊缝坡口底部进行填充，对坡口中几何形状突变剧烈的区域进行圆滑过渡。焊接过程辅以手持式红外测温仪实时监控温度，TIG焊层间温度控制在130℃～220℃，否则停焊或重新加热。
(3)、步骤(2)完成后，升温至250℃，恒热保温4小时，采用手工电弧焊进行坡口的填充焊，其中：手工电弧焊采用超低氢型高韧性R317L、规格ф3.2mm的焊条，焊接电压21～26V，焊接电流100～120A，电焊条即为焊接电极，电弧在焊条和工件间燃烧，采用多层多道焊，焊道焊后立即用气锤进行锤击，且使锤痕密布均匀，如此可以有效降低焊接产生的残余应力，预防焊接裂纹，手工电弧焊层间温度控制在250℃～300℃之间，否则停焊或重新加热，在手工电弧焊中间，焊至深度为40mm时在400℃下进行2小时的中间消氢热处理。
(4)、焊后消氢热处理：在步骤(3)坡口焊满后，在400℃下进行2小时的消氢热处理，以避免冷裂纹的产生。
(5)、焊后热处理：采用电加热方式540℃中温回火(消除应力退火)+730℃高温回火热处理，热处理时在补焊部位布置加热器，在两侧管道及主汽门管道上布置绳式加热器分别控温，焊后热处理的作用是为了消除焊接残余应力，同时对补焊后焊缝及热影响区材料的组织进行调整。消除应力退火的时间根据补焊焊缝厚度确定(本例中为8小时)，在消除应力退火期间，材料强度和延展性等材料特性未被明显改变。高温回火的时间也根据补焊焊缝厚度确定(本例中为2小时)，热处理完成后应缓慢冷却至室温(降温速率约65℃/h～150℃/h)。
3、焊后质量检验工序：
焊后质量检验包括无损检测(VT+MT+UT)、硬度检测、覆膜金相检验、典型焊接接头的残余应力测试和阀组变形厚度测量，具体如下：
(1)无损检测：焊后将补焊区域及热影响区打磨清理干净，露出金属光泽，采用目视检查、磁粉探伤和超声检查相结合的方法，对补焊的焊缝及热影响区进行了检查，补焊焊缝外观成型良好，未见裂纹、未熔合等缺陷存在，MT及UT均未见超标显示。
(2)、硬度检测：使用便携式硬度仪现场进行硬度检查，对补焊焊缝及附近区域热影响区及母材分别测量3处，补焊焊缝及热影响区硬度值均分布在190-230HB范围内，处于较合理范围。
(3)、覆膜金相：对焊接接头补焊区域进行表面复型金相检验，典型的金相组织如图3所示，补焊焊缝金相组织为回火索氏体+少量铁素体，晶粒度为9-10级，热影响区金相组织为贝氏体+铁素体，晶粒度为4-5.5级。
(4)、残余应力测试：采用盲孔法对典型的补焊焊缝进行了残余应力测试，其中测试点均选择在应力较大的焊缝区和热影响区，测试结果表明经过热处理后的补焊焊缝最大残余应力出现在热影响区，为105MPa，远低于母材343MPa的屈服强度，说明采用的锤击消除残余应力措施及热处理工艺可以起到良好的消除残余应力效果。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，包括焊前准备工序、焊接修复工序以及焊后质量检验工序，其特征在于：
在所述焊前准备工序中：对有缺陷的部位进行打磨以形成坡口，其中确保打磨后的坡口内部无尖角槽或棱角，坡口周围内外壁30mm范围内打磨出金属光泽，形成的坡口经表面检查确认无残留缺陷以及除油污后，进入焊接修复工序；
所述焊接修复工序包括依次进行的下列步骤：
（1）、预热所述坡口至需进行焊接修复的位置的内壁温度达到不产生焊接冷裂纹的最低温度；
（2）、采用钨极惰性气体保护焊方式对坡口的全部位置进行1~2层打底焊，用实心焊丝材料对整个坡口底部进行填充，对坡口中几何形状突变剧烈的区域进行圆滑过渡，其中，控制钨极惰性气体保护焊层间温度在130℃~220℃之间；
（3）、步骤（2）完成后，升温至220℃~330℃，恒热保温3~8小时，采用手工电弧焊进行坡口的填充焊，其中：手工电弧焊采用与母材同质或同类的电焊条，且采用多层多道焊，焊道焊后立即用气锤进行锤击，且使锤痕密布均匀；
（4）、焊后消氢热处理：在坡口焊满后，在温度300℃~400℃下进行消氢热处理，消氢热处理时间为2~6小时；
（5）、焊后热处理：首先在温度500℃~550℃下进行消除应力退火，然后在700℃~750℃下进行高温回火，热处理完成后，以65℃/h～150℃/h的降温速率冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：在所述焊前准备工序中：进行所述打磨时，先沿直线向根部打磨，逐渐适当扩宽，直至打磨出缺陷，并将所述坡口打磨成便于后续焊接操作的形状。
3.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：在所述焊前准备工序中：通过用有机溶剂擦拭来除油污。
4.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：步骤（1）中，所述预热采用履带式加热器、绳式加热器或二者的组合。
5.根据权利要求1或4所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：在所述步骤（2）和（3）的焊接过程中，辅以手持式红外测温仪实时监控温度，在温度低于要求的温度的最低值时，重新加热，在温度超出要求的温度的最高值时，停止焊接。
6.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：所述的铸钢件的材料为碳钢或低合金钢，步骤（1）中，预热至130~220℃。
7.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：步骤（4）和（5）中的热处理采用加热片或加热绳或二者的组合。
8.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：所述的缺陷为贯穿型缺陷时，所述方法还包括在步骤（3）中，焊至坡口深度的1/3~2/3时进行一次中间消氢热处理，该所述中间消氢热处理的温度为300~400℃，时间为2~6小时。
9.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：所述的厚壁铸钢件的材质为ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢，在步骤（3）中采用的电焊条为超低氢型高韧性焊条。
10.根据权利要求1所述的特别适于厚壁铸钢件中较大及贯穿型缺陷的现场焊接修复方法，其特征在于：所述焊后质量检验工序包括无损检测、硬度检测、现场金相检测以及残余应力测试。
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