电站锅炉焊接工艺研究

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摘要:本文介绍了窄间隙焊接工艺在电站锅炉小口径管制造中的应用，阐述了窄间隙坡口的加工要求、窄间隙热丝TIG焊的参数设定、窄间隙手工氩弧焊的操作要点及窄间隙坡口焊接接头在力学性能方面的优势等。

关键词:窄间隙焊接工艺;小口径管;锅炉

1963年7月美国Battelle研究所开发了窄间隙焊接技术。经过多年发展，目前窄间隙焊接方法主要有窄间隙熔化极气体保护焊、窄间隙钨极氩弧焊、窄间隙埋弧焊。窄间隙焊接不仅可以大幅度减少坡口截面积、大大减少焊缝金属的填充量，而且可以在较低的焊接热输入下实现高效焊接，因而被作为一种经济的、能够得到优良力学性能的、变形小的优质焊接接头的焊接方法。传统的窄间隙焊接技术在厚壁工件的焊接中应用广泛，而电站锅炉中壁厚在16mm以下的小口径管对接焊口数量通常有数万个，因而采用窄间隙坡口也具有较高的焊接经济性。

1应用背景

国内电站锅炉受热面部件的小口径管接长焊接工艺经历了从摩擦焊、熔化极气保焊、钨极氩弧焊+熔化极气保焊、热丝TIG焊的焊接工艺方法变化过程，使20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、SA－213T91、SA－213TP347H、SA－213TP347HFG、SA－213S30432、SA－213TP310HCbN等全系列电站锅炉小口径管的直管接长焊接全部实现了机械化，焊接接头在高温下运行的可靠性也得到了逐步提高。目前国内的哈电、东电、上气等电站锅炉制造企业在小口径管的接长焊接中均采用热丝TIG焊。传统的V型坡口具有加工简单、设备造价低的优点，但当管子壁厚在8mm～15mm以上时，V型坡口的熔敷金属填充量比窄间隙坡口增加约20%～40%左右，在制造经济性上处于劣势。V型坡口与窄间隙U型坡口的截面对比见图1。

2小口径管窄间隙焊接工艺应用要点

在小口径管热丝TIG焊工艺中采用窄间隙坡口替代传统的V型坡口，可以达到经济、高效的目的。2．1坡口加工要求。小口径管窄间隙焊接工艺通常采用带钝边的U型坡口。推荐坡口尺寸范围:钝边厚度1．5～2．5mm，钝边长度1～1．5mm，R1．5～2．5mm，U型倾角12～20o。坡口确定后，钝边的厚度、长度、U型的倾角等必须控制在一个严格的公差带内，否则易导致未焊透、侧壁未熔合等缺陷。2．2机械焊与手工焊的通用性。通常，在小口径管的焊接生产中，为了保证不同焊接方式的灵活变换，希望机械焊和手工焊采用同种焊接坡口。而窄间隙坡口在手工焊的可达性、可视性、焊炬摆动空间等方面都存在一定难度。2．3焊接接头性能。对一些塑性差的焊接熔敷金属，窄间隙坡口形式更容易在ASME锅炉及压力容器规范第Ⅸ卷、NB/T47014－2011《承压设备焊接工艺评定》等标准要求的弯曲试验中获得合格的结果。

3焊接工艺试验

为了验证窄间隙焊接工艺接头的性能，采用热丝TIG焊及手工钨极氩弧焊进行小口径管对接试样的焊接，并按照ASME第Ⅸ卷、NB/T47014进行了焊接工艺评定。3．1机械焊焊接工艺参数的设定。窄间隙热丝TIG焊易产生侧壁未熔合，相比大壁厚的管道、集箱类产品需采用特殊窄间隙焊枪的方式，小口径管的窄间隙热丝TIG焊采取加大钨极伸出长度和保护气流量、钨极微幅摆动的方式可以使电弧热量更充分地作用于坡口侧壁，从而保证熔融的填充金属与母材充分熔合。根据坡口宽度设定合适的摆动幅值，避免钨极与侧壁接触短路。坡口钝边的长度设计很关键，太长增加填充量，太短易导致未焊透。需通过实验确定最佳值，单侧不宜小于R+1mm，达到焊接经济性及高质量的目的。3．2手工焊操作方式。常规坡口的手工氩弧焊操作中，焊工通常采用焊炬(钨极)在坡口内左右摆动的方式使熔融的填充金属与母材侧壁充分熔合，但在窄间隙坡口中，焊炬摆动空间受限，试验证明，采用不摆动、分道焊接技术可以保证焊接质量，从而使窄间隙坡口在制造过程中的通用性得到了保证。3．3焊接接头力学性能。窄间隙焊接接头由于热输入量低，通常具有更优异的塑、韧性。另外，当焊接填充材料的延伸率较低时，在考核焊接接头塑性的弯曲试验中，窄间隙坡口也体现出了一定的优势，甚至直接影响焊接填充材料的可用与否。例如，超超临界锅炉高温受热面部件中常用的奥氏体钢SA－213S30432，在直管对接的热丝TIG焊焊接中，当采用某一牌号的填充丝时，分别采用V型坡口和窄间隙U型坡口，其对接接头的弯曲试验结果出现了明显差异，前者的面弯试样中出现了超标的开口缺陷。原因是同样壁厚的情况下，V型坡口的上表面开口尺寸大，以壁厚10mm的管子为例，V型比窄间隙坡口宽约35%左右，在弯轴直径相同的面弯试验中，更多的熔敷金属承受了拉应力，塑性不足即导致开裂，而窄间隙焊接接头中熔敷金属塑性不足部分由周围的母材给予了补充。

4结论

通过实验，确定了锅炉受热面小口径管采用窄间隙热丝TIG焊及窄间隙手工氩弧焊的焊接坡口形式及焊接工艺要点，按照ASME第Ⅸ卷、NB/T47014进行焊接工艺评定的结果也完全满足标准要求。窄间隙热丝TIG焊在电站锅炉小口径管焊接中的应用可以达到经济、优质、高效的目的。

作者:王 萍 陈肈宇 单位:1.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室 2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司