CN106964872A - 一种手工电弧焊smaw深孔堆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，所用焊条为D812钴基堆焊焊条。本发明手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，可获得无稀释率的表面工作层，且无裂纹、无“缺肉”、无夹渣、无疏松、无软化层的产生、无接头塑性下降等问题，保证了密封面焊接在高温、高压、各种介质条件下长期安全运行，具有优异的常温力学性能和耐高温性能；合格率达到100％。

Description

一种手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法

技术领域

本发明涉及一种手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，属于堆焊领域。

背景技术

随着我国经济的高速发展，社会用电需求量不断增加，火力电站建设也在加快发展。在火力发电汽轮机组中，主蒸汽参数为压力25MPa、再热蒸汽温度600℃的超(超)临界汽轮机(1000MW)，具有效率高、煤耗低和污染物排放量低等优点，被国内外火力发电厂大量而广泛地采用。

随着F91材料的开发成功，填补了590～650℃温度范围内的材料空缺，使超临界机组和超超临界机组的阀门有了相应的材料基础。火力电站机组之所以选择F91材料，主要是其具有优异的高温持久强度和良好的高温抗氧化及耐腐蚀性能，且具有低的热膨胀系数和高的热传导率，在温度变化时降低热应力，可以提高抗热疲劳性能。在火力发电厂运行期间，这意味着机组启停或改变出力时的加热、冷却速率对材料的影响程度减小，电站阀门受压件壁厚减小40％以上，产品自重减小65％以上，可以提高发电效率8％左右。

但由于F91等材料合金元素较高，焊接性明显下降。主要零部件采用F91给阀门制造特别焊接工序带来一定难度，控制不好焊接成功率很低，选用合适的焊接工艺方法、适宜的填充材料等是这类阀门制造的重要环节。

阀门密封面深孔堆焊是非常重要的加工控制工序，目的为了提高密封面抗垫伤、划伤、耐腐蚀、耐磨损和耐冲蚀的性能。由于各种堆焊工艺方法的特点不同，会产生不同的稀释率θ(即母材对堆焊层金属的稀释作用)，且不同的堆焊材料堆焊在不同的基体母材上，由稀释率所产生的作用也不尽相同，降低稀释率是制定焊接工艺的核心所在。

发明内容

为了解决现有技术中F91等材料焊接成功率低等缺陷，本发明提供一种手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，所用焊条为D812钴基堆焊焊条。

申请人经研究发现，D812钴基堆焊焊条具有如下优势：第一，钴合金具有良好的抗金属间磨损的性能，特别是在高载荷状态下的抗擦伤性能；另一方面密封面中高的合金元素含量能提供极佳的抗腐蚀性和抗氧化性，钴基合金不发生同素异形转变，钴基合金的熔敷金属处于热态(650℃以下)时，其硬度降低并不明显，只有当温度升高到650℃以上时，硬度才明显下降，当温度恢复到热态以下时，其硬度又回复到接近原始的硬度，这就保证了母材进行焊后热处理密封面的性能不会损失；第三，D812药皮焊条电弧堆焊可以抵消稀释。

上述方法适于密封面阀门密封面的处理。

上述方法设备和工艺简单，操作容易，可根据需要灵活地选择堆焊焊条。

手工电弧焊的熔深较大，

上述手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，熔敷率为0.45～2.7kg/h，单层堆焊厚度为1.5～2.5mm。

采用直流弧焊电源反极性接法或焊条摆动和长弧堆焊等操作手法可相对减小熔深，降低稀释率。

为了提高焊接质量，手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，焊接前进行如下焊前准备：

1)将阀体堆焊表面粗糙度Ra值控制在12.5μm以下；

2)清除阀体堆焊表面的水、锈及油等污物；

3)检查并确认母体没有裂纹、气孔或包砂的缺陷；

4)深孔堆焊坡口圆弧R角为R≥3mm，DN≥32mm的阀体将堆焊坡口加工成U形；

5)焊接前焊条药皮保持完好，并将焊条在150℃下烘焙1h，放入焊条保温筒内保温。避免吸湿。

上述步骤4)中DN≥32mm的阀体将堆焊坡口加工成U形，以解决堆焊钴基合金时产生刚性过大引起的收缩性不均匀的问题，消除阀体在堆焊钴基合金时产生内应力的作用，减少了焊接裂纹的产生，提高了产品的合格率。

上述DN指阀体的通径。

由于F91和D812焊条金属化学成分不同，密封面堆焊为异种钢焊接，上述焊前准备可降低甚至消除熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在的如下不均匀性：化学成分不均匀，主要在焊接过程中熔敷金属与母材熔化区的成分因稀释作用发生变化，接头部位的不均匀程度不仅取决于母材和填充金属的成分，也受焊接工艺的影响；组织的不均匀，在焊接热循环影响下，接头区域的组织是不同的，可能出现复杂的组织结构，组织的不均匀主要表现在稀释率即焊缝金属中母材的占比，这与焊接方法、坡口角度、药皮性质有关；应力场分布不均匀，由于组织和成分的不同，接头部分的热膨胀系数不同，塑性区域就不同，残余应力不同，另一方面导热系数也不同，这会产生热应力不同，两种应力共同作用发生叠加应力达到峰值就会产生裂纹；性能不均匀，体现在焊缝两侧的热影响区冲击值变化更大，高温性能如持久强度和蠕变强度变化也很大。

本发明F91阀体中间孔部位用电焊的方法堆焊钴基合金加工成阀座密封面，由于密封面处在阀体中间孔较深的位置，在堆焊时易产生夹渣和裂纹等缺陷；另一方面焊材钴基合金本身具有很高的红硬性，在500～700℃工作时，硬度能保持300～500HB，但是其韧性低，抗裂性较差，容易形成结晶裂纹或冷裂纹，故焊前必须进行预热。

申请人经研究发现，预热温度不能太高，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性，优选，焊前预热：将阀体升温至420±5℃，然后保温3h后进行施焊。

为了进一步防止夹渣、裂纹等的产生，预热时，先将阀体在30分钟内升温至250℃，保温10-15分钟；然后以10-12℃/分钟的速度升温至300℃，保温5-8分钟；最后以5-6℃/分钟的速度升温至420±5℃，保温3h后进行施焊。

为了保证所得密封面的质量，上述手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法的焊接工艺参数：焊条直径为￠5mm，电流为180～200A，直流反接；电压为20～24V。

上述堆焊的密封面在650℃工作仍能保持良好的耐磨性和耐腐蚀性。

申请人经研究发现，电弧电压主要影响焊缝宽度，电压越高焊缝越宽厚度和余高减少，飞溅增加，焊缝形成不易控制。

为了进一步防止夹渣、裂纹、疏松、软化层等的产生，保证密封面的耐磨性、耐腐蚀性等性能，上述手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，D812堆焊具体操作如下：

1)在阀体表面堆焊P91打底层，直流正接，厚度控制在1～2mm；

2)DN为10～32mm的小口径阀体在深孔底部用焊条全部满焊；DN≥32mm的阀体堆焊层数为4层，密封面厚度8mm，加工后密封面厚度不低于5mm；

3)焊接过程中控制层间温度≥250℃；

4)采用平焊位置，每层焊完后清除焊渣；

5)使用短弧焊接，电弧的长度为焊条直径的0.8倍；

6)堆焊结束时，逐渐熄灭电弧。收弧时应慢速提起焊条以免在熄弧处熔池金属急冷而产生“火口”裂纹。

上述步骤2)可以减少母材的渗透稀释作用。步骤3)中采用远红外线测仪控温，层间温度过低，焊层冷却速度过快对于堆焊材料来说是很不利的。步骤5)中焊条摆动幅度不宜过大，

为了进一步保证密封面的机械性能，上述手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，阀体焊接全部结束后，在450±5℃下保温1h后，升温至700±5℃回火保温2h，然后冷却至室温，进行后续加工。

为了更进一步保证密封面的机械性能，前述升温速度150℃/h；冷却时，先在炉内随炉冷却，当炉温<250℃后空冷至室温，进行后续加工。

由于F91属于马氏体耐热钢，为精细的亚晶粒结构板条马氏体，金相形态的特点是每一个马氏体单元呈细长的板条状，只有经过回火才能使其成为我们所希望的高硬度高强度而不易脆断的组织。

回火过程的变化包括：①马氏体的分解；②碳化物的形成和变化，陆续析出ε碳化物(密排六方点阵的Fe2.4C碳化物)即回火马氏体。③提高回火温度，分解残留的奥氏体，最终也分解为回火马氏体。④α相的回复与再结晶：回火温度的再提高，马氏体和残留奥氏体会继续分解，相继形成回火屈氏体和回火索氏体。实现了板条马氏体强化、晶界强化、位错强化、颗粒强化与固溶强化的结合。

保温的目的是为了减小焊接部分材料的内应力，降低硬脆性，提高塑性和韧性以及组织稳定性，获得密封面所需要的综合性能。马氏体和残留奥氏体在回火时发生一系列转变，钢的性能也因此大大改变。

若出现堆焊层有局部“缺肉”缺陷，由操作不规范引起的，可以局部补焊，但需按堆焊工艺(包括焊前预热、焊后处理等)进行补焊。如堆焊层有裂纹或缺陷面积较大，可将堆焊层全部加工去除，重新堆焊。同一部位缺陷补焊次数不得超过两次。

若出现裂纹(这种缺陷的出现几率最高)，主要由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点，故而F91焊接接头内部应力很大。对于F91，奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400℃)才能变为马氏体。粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容易在淬硬区产生冷裂纹。另外钴基合金堆焊中产生裂纹的原因，主要是阀体刚性大，在焊接过程中电弧形成熔池，向焊接部位不断熔化加热，而焊后温度又快速下降，熔化金属凝固形成焊缝。如果预热温度低，焊层温度下降必然很快。在焊层快速冷却情况下，焊层的收缩率快于阀体的收缩率，在这种应力作用下很快使焊层与母材形成一种内拉应力，将焊层拉裂。在加工焊接部位时应严禁出现尖角。处理方法将堆焊层车削至本体重新按工艺流程补焊。

若出现夹渣，与焊材中的夹杂物及工件表面的氧化情况有关，另外在焊第二层时，如果第一层的氧化物没有浮出，就会出现夹渣。要排除夹渣，必须做好焊前打磨工作，在焊完第一层后，应对表面进行检查，并去除氧化皮。

若出现疏松，出现原因主要为：焊条熔池速度过快；焊条在熔池上过烧，都会出现疏松，主要控制堆焊电流来控制熔池深度，从而控制稀释率，保证堆焊层的化学成分和堆焊质量。

若出现接头塑性下降，焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，严格按工艺操作不会出现塑性下降的情况。

若出现软化层的产生，F91密封面焊接，热影响区产生软化层不可避免，而且比珠光体耐热钢的软化更为严重。因为当加热和冷却速度均较缓慢的时，软化程度较大；另外，软化层的宽度和它离熔合线的距离，不仅与焊接的加热条件及特点有关，严格控制预热、焊后热处理可以降低甚至消除软化层的产生。按焊接工艺评定方案判定不合格的须重新堆焊。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，可获得无稀释率的表面工作层，且无裂纹、无“缺肉”、无夹渣、无疏松、无软化层的产生、无接头塑性下降等问题，保证了密封面焊接在高温、高压、各种介质条件下长期安全运行，具有优异的常温力学性能和耐高温性能；合格率达到100％。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

F91阀体中间孔部位用电焊的方法堆焊钴基合金加工成阀座密封面，所用焊条为D812钴基堆焊焊条，阀体的公称通径DN为32；

1、焊前准备：

1)将阀体堆焊表面粗糙度Ra值控制在12.5μm以下；

2)清除阀体堆焊表面的水、锈及油等污物；

3)检查并确认母体没有裂纹、气孔或包砂的缺陷；

4)深孔堆焊坡口圆弧R角为5mm，将堆焊坡口加工成U形；

5)焊接前焊条药皮保持完好，并在150℃下烘焙1h，放入焊条保温筒内保温；

6)将阀体升温至420℃，然后保温3h后进行施焊，升温方法为：先将阀体在30分钟内升温至250℃，保温12分钟；然后以10℃/分钟的速度升温至300℃，保温6分钟；最后以5℃/分钟的速度升温至420℃，保温3h后进行施焊；

2、焊接工艺参数：焊条直径为￠5mm，电流为180～200A，直流反接；电压为20～24V。

3、D812堆焊具体操作如下：

1)在阀体表面堆焊P91打底层，直流正接，厚度控制在1.5mm；

2)阀体堆焊层数为4层，密封面厚度8mm，加工后密封面厚度不低于5mm；

3)焊接过程中控制层间温度≥250℃，采用远红外线测仪控温；

4)采用平焊位置，每层焊完后清除焊渣；

5)焊条摆动幅度不宜过大，使用短弧焊接，电弧的长度为焊条直径的0.8倍；

6)堆焊结束时，逐渐熄灭电弧。收弧时应慢速提起焊条以免在熄弧处熔池金属急冷而产生“火口”裂纹。

7)阀体焊接全部结束后，在450℃下保温1h后，升温至700℃回火保温2h，然后冷却至室温，进行后续加工，升温至700℃的升温速度150℃/h；冷却至室温时，先在炉内随炉冷却，当炉温<250℃后空冷至室温，进行后续加工。

熔敷率为2.7kg/h；

4、依照DL/T 868-2004《火力发电厂锅炉、压力容器焊接工艺评定规程》的规定，制定下列焊接工艺评定方案：

1、外观，按DL/T869—2004《火力发电厂焊接技术规程》,I类焊缝外观的质量标准验收；

2、无损检验，按JB4730对焊缝进行100％超声波(UT)、磁粉(MT)探伤，I级合格；

3、硬度，热处理完毕后，做100％硬度测定，硬度值HRC：≥44；

4、光谱，对焊缝金属合金成分进行100％光谱分析复查。

按照上述方法做10个平行试验，产品合格率达100％。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：阀体的公称通径DN为25mm，在D812堆焊具体操作的第2)步需在深孔底部用焊条全部满焊；

按照上述方法做10个平行试验，产品合格率达100％。

各例中，手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，可获得无稀释率的表面工作层，且无裂纹、无“缺肉”、无夹渣、无疏松、无软化层的产生、无接头塑性下降等问题，保证了密封面焊接在高温、高压、各种介质条件下长期安全运行，具有优异的常温力学性能和耐高温性能。

Claims (9)

1.一种手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：所用焊条为D812钴基堆焊焊条。

2.如权利要求1所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：熔敷率为0.45～2.7kg/h，单层堆焊厚度为1.5～2.5mm。

3.如权利要求1或2所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：焊接前进行如下焊前准备：

1)将阀体堆焊表面粗糙度Ra值控制在12.5μm以下；

2)清除阀体堆焊表面的水、锈及油等污物；

3)检查并确认母体没有裂纹、气孔或包砂的缺陷；

4)深孔堆焊坡口圆弧R角为R≥3mm，DN≥32mm的阀体将堆焊坡口加工成U形；

5)焊接前焊条药皮保持完好，并在150℃下烘焙1h，放入焊条保温筒内保温。

4.如权利要求1或2所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：焊前预热：将阀体升温至420±5℃，然后保温3h后进行施焊。

5.如权利要求4所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：预热时，先将阀体在30分钟内升温至250℃，保温10-15分钟；然后以10-12℃/分钟的速度升温至300℃，保温5-8分钟；最后以5-6℃/分钟的速度升温至420±5℃，保温3h后进行施焊。

6.如权利要求1或2所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：焊接工艺参数：焊条直径为￠5mm，电流为180～200A，直流反接；电压为20～24V。

7.如权利要求1或2所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：D812堆焊具体操作如下：

1)在阀体表面堆焊P91打底层，直流正接，厚度控制在1～2mm；

2)DN为10～32mm的小口径阀体在深孔底部用焊条全部满焊；DN≥32mm的阀体堆焊层数为4层，密封面厚度8mm，加工后密封面厚度不低于5mm；

3)焊接过程中控制层间温度≥250℃；

4)采用平焊位置，每层焊完后清除焊渣；

5)使用短弧焊接，电弧的长度为焊条直径的0.8倍；

6)堆焊结束时，逐渐熄灭电弧。

8.如权利要求1或2所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：阀体焊接全部结束后，在450±5℃下保温1h后，升温至700±5℃回火保温2h，然后冷却至室温，进行后续加工。

9.如权利要求8所述的手工电弧焊SMAW深孔堆焊方法，其特征在于：升温速度150℃/h；冷却时，先在炉内随炉冷却，当炉温<250℃后空冷至室温，进行后续加工。