CN105014192A - 耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺 - Google Patents

耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，属于装备制造业中的焊接技术领域。该工艺采用带极/丝极不锈钢埋弧自动堆焊不锈钢防腐层，其中：过渡层焊带牌号EQ309L(A)；过渡层焊剂SJ304；复层焊带牌号EQ347L；复层焊剂SJ305；焊带规格：0.5×30mm；焊剂规格：10～60目；过渡层焊丝牌号H309L；复层焊丝牌号H347L；焊丝规格φ3.2mm；电源极性：直流反接，带极/丝极接正。本发明堆焊过程中焊带/丝自动送给,筒体在滚轮架上旋转，具有堆焊稳定、成形美观、质量好、成本低、焊接速度快、焊接效率高等优点。

Description

耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺
技术领域
本发明涉及装备制造业中的焊接工艺技术领域，具体涉及一种耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，该工艺是垂直剖分筒型离心压缩机焊接机壳中筒体堆焊不锈钢的焊接技术。
背景技术
筒型压缩机的压力比较高，在石油化工、煤化工、炼油等领域中广泛应用。循环氢、合成气、甲醇循环气、醋酸乙烯原料气压缩机的工艺流程中都含有大量氧气(O2)、氮气(N2)、水蒸气(H2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、氩气(Ar)，这些原料气混合后会形成很强的醋酸乙烯，具有很强的腐蚀性；二氧化碳压缩机是用煤做原料生产化肥，最终产品是尿素。由于尿素中有二氧化碳和氨气，二氧化碳与水结合反应出碳酸气，碳酸气也有很强的腐蚀作用，所以根据用户的要求和实际情况，这类产品的压缩机都应采用防腐部件组成。
筒型结构的压缩机如图1所示，在外机壳(即筒体)1中与左端盖2、右端盖3接触部位，在外机壳1上的进、出风筒部位堆焊不锈钢层，内机壳4采用不锈钢，这样可起到防腐作用的同时大大降低产品的制造成本，为企业节省大量的资金。
为满足市场的需求，保证压缩机压力、强度、腐蚀性的需要，筒型压缩机机壳中筒体采用了20CrMo耐热钢材料，为保证筒型压缩机的耐腐蚀的要求，20CrMo耐热钢筒体进、出气口接触气体部位堆焊不锈钢进行防腐，筒体堆焊不锈钢成功起到防腐蚀作用，保证工况条件下安全运转，满足现场条件和用户要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，是离心压缩机机壳中铬钼耐热钢20CrMo材料的筒体堆焊不锈钢的焊接工艺。该工艺解决了压缩机工况条件下防腐问题，通过选择合适的焊材，进行过渡层、复层堆焊与筒体材质的化学成份相近、强度匹配的带/丝埋弧自动焊的焊接材料，可以保证筒体堆焊后的强度和耐腐蚀性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的工艺，采用埋弧自动焊，在20CrMo耐热钢筒体中堆焊不锈钢，该工艺包括如下步骤：
(1)焊前处理：20CrMo筒体堆焊前在100～150℃进行预热处理，预热时间2小时；焊剂在300～350℃进行烘干处理，烘干时间2小时(焊带/丝不用烘干处理)，所有堆焊部位的拐角处加工后保证达到R3过渡。
(2)焊接过程：带/丝极埋弧自动焊堆焊过程中，先堆焊过渡层，(较宽部位用焊带堆焊，窄部位用焊丝堆焊)，过渡层堆焊高度2～2.5mm范围内；然后堆焊复层，每层厚度在3～3.5mm范围内，层间温度控制在100～150℃；其中：带极焊接工艺参数为：电弧电压26～28V，焊接电流420～440A，焊接速度135～150mm/min；丝极焊接工艺参数为：电弧电压32～36V，焊接电流250～300A，焊接速度300～450mm/min；
(3)焊后处理：对堆焊层进行外观检查、着色检查以及焊缝质量检查。
步骤(2)堆焊复层过程中：堆焊层总高度9～10mm(保证加工时避开熔合线)，每层厚度在3～3.5mm范围内；层间温度控制在100～150℃；焊道重叠8～10mm。
步骤(2)焊接过程中，过渡层所用焊带牌号EQ309L(A)；过渡层所用焊剂SJ304；复层所用焊带牌号EQ347L；复层所用焊剂SJ305；焊带规格0.5×30mm；焊剂规格：10～60目；过渡层所用焊丝牌号H309L；复层所用焊丝牌号H347L；焊丝规格φ3.2mm；电源极性：直流反接，带极/丝极接正。其中：各层所用焊带或焊丝、焊剂的成分按重量百分比计如下：
过渡层焊带EQ309L(A)的化学成分为：C≤0.030；Si≤1.00；Mn0.5～2.5；S≤0.015；P≤0.025；Cr21.0～23.0；Ni9.0～12；Mo≤0.50；Cu≤0.75；
过渡层焊丝H309L的化学成分为：C≤0.12；Si≤0.60；Mn1.00～2.50；S≤0.030；P≤0.030；Cr23.00～25.00；Ni12.00～14.00；
过渡层焊剂SJ304的化学成分为：SiO2+TiO2:20～40；CaF2+CaO+MgO:20～40；Al2O3+MnO2:10～30；其它：≤10；机械夹杂物含量：≤0.30；S≤0.035；P≤0.040；
复层焊带EQ347L的化学成分为：C≤0.030；Si≤1.00；Mn0.5～2.50；S≤0.015；P≤0.025；Cr18.0～21.0；Ni9.0～12.0；Cu≤0.75；Nb8×C～1.0(8×C是指Nb含量下限为C含量的8倍)；
复层焊丝H347L的化学成分为：C≤0.08；Si≤0.60；Mn1.00～2.50；S≤0.030；P≤0.030；Cr19.00～21.50；Ni9.00～11.00；Nb10×C～1.00(10×C是指Nb含量下限为C含量的10倍)；
复层焊剂SJ305的化学成分为：SiO2+TiO2:30～50；CaF2+CaO+MgO:20～40；Al2O3+MnO2:10～30；其它：≤10；S≤0.035；P≤0.040。
上述步骤(2)焊接过程中，过渡层堆焊后进行如下步骤处理后再进行堆焊复层：
(a)检查堆焊质量，熔合不良进行补焊；
(b)焊后进炉低温消除焊接应力，炉温不低于100℃时进炉，达到450℃±10℃，保温时间按照每25mm有效厚度1小时计算，保温2～3小时，200℃出炉空冷；
(c)热处理消应力后检查堆焊表面；
(d)堆焊表面加工见光，拐角处要求R3；
(e)着色检查合格后进行堆焊复层。
上述带/丝极埋弧自动焊适用于筒体堆焊不锈钢的全过程。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明带/丝极埋弧自动焊是一种堆焊的焊接技术，焊剂保护堆焊的焊丝不用烘干处理，焊接过程中焊带/焊丝自动送给，滚轮架自动旋转配合；电弧在焊剂层下燃烧，用机械自动引燃电弧并进行控制，自动完成焊丝的送进和电弧移动的一种埋弧焊方法。
2、埋弧自动焊所用焊接电流大，加上焊剂和熔渣的隔热作用，热效率高，熔深大，焊接速度高。焊剂和熔渣的存在不仅防止空气中的氮、氧侵入熔池，而且熔池较慢凝固，使液态金属与融化的焊剂间有较多时间的冶金反应，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。焊剂还可以向焊缝渗合金，提高焊缝金属的力学性能。另外焊缝成型美观。焊接过程的机械化操作显得更为便利，而且烟尘少，没有弧光辐射，劳动条件得到改善。
3、本发明耐热钢20CrMo筒体堆焊不锈钢的成功，可以满足市场、用户的需求，开发解决在铬钼耐热钢堆焊不锈钢防腐的材料是实施带/丝极埋弧自动焊的关键，将带/丝极埋弧自动焊应用于筒体堆焊不锈钢的全过程，不仅保证了焊接质量、同时节省了大量的不锈钢锻件，缩短了焊接周期，不仅拓宽了风机市场、同时给社会带了巨大的效益。
附图说明
图1为本发明筒型压缩机结构示意图。
图2为机壳中筒体堆焊不锈钢示意图。
图3为筒体堆焊过渡层加工工艺示意图。
图4为图3中A处放大图。
图5为筒体堆焊后示意图。
图6为图5中A处放大图。
图7为焊带堆焊时工艺要求示意图。
图8为带极堆焊试板。
图9为带极堆焊试板。
图中：1-外机壳(筒体)；2-左端盖；3-右端盖；4-内机壳；5-左侧轴承盖；6-右侧轴承盖；7-进口法兰；8-出口法兰；9-不锈钢堆焊层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出进一步的详细说明。
1.筒型机壳的结构设计
压缩机的筒型机壳包括筒体1、进口法兰7和出口法兰8，其中进口法兰7、出口法兰8分别焊接在筒体1上，如图2所示。
2.钢材和焊材的化学成分及热处理和机械性能
20CrMo钢的化学成分及机械性能见表1、表2。
表120CrMo钢的化学成分要求
表220CrMo钢的热处理和力学性能要求：
焊带的化学成分见表3、表4；焊丝的化学成分见表5、表6；焊剂的化学成分见表7、表8；
表3EQ309L(A)焊带的化学成分(wt.％)
表4EQ347L焊带的化学成分(wt.％)
表5H309L焊丝的化学成分(wt.％)
表6H347L焊丝的化学成分(wt.％)
表7SJ304焊剂的化学成分(wt.％)
SiO2+TiO2 CaF2+CaO+MgO Al2O3+MnO2 其它 夹杂物 S P
标准值 20～40 20～40 10～30 ≤10 ≤0.30 ≤0.035 ≤0.040
实测值 34 35 22 4 0.12 0.023 0.024
表8SJ305焊剂的化学成分(wt.％)
SiO2+TiO2 CaF2+CaO+MgO Al2O3+MnO2 其它 S P
标准值 30～50 20～40 10～30 ≤10 ≤0.035 ≤0.040
实测值 43 36 17 4 0.025 0.026
3.20CrMo耐热钢的焊接特点
20CrMo钢是以Cr—Mo为基的低合金珠光体耐热钢，是电站设备、石油化工等部门应用于高温条件下的重要结构材料。该材料一般可用于600℃以下，它具有很好的抗氧化性及热强性，热强度较高，淬透性较好，具有较满意工艺性能，无回火脆性，冷变形塑性、可加工性及焊接性均良好，一般在调质或渗碳淬火状态下使用。
20CrMo钢焊接时主要问题是近缝区的硬化和冷裂纹，热影响区软化，以及焊后热处理或高温长期使用中还出现再热裂纹等问题。当焊缝含碳量偏高或焊接材料选择不当时，也可能产生热裂纹。为了避免淬硬和冷裂纹，焊前应预热250～300℃，并在焊接过程中保持预热温度。在寒冷季节焊接时预热温度应适当提高。焊接较厚的焊件预热温度也要适当提高，焊后保温缓冷，焊后进行热处理，以改善焊缝金属组织，消除焊接应力。在20CrMo钢堆焊不锈钢时，预热温度在100～150℃，保温2小时。
4.焊接工艺参数
带/丝极埋弧自动焊的焊接工艺参数，带/丝极埋弧自动焊应用于20CrMo钢筒体堆焊不锈钢的全过程。20CrMo筒体堆焊前需要预热100～150℃，保温2小时，焊剂需要烘干300～350℃保温2小时处理。
堆焊工艺参数如下：
电源极性：直流反接，带极/丝极接正；
焊带牌号：过渡层EQ309L(A)；焊剂SJ304；
复层EQ347L；焊剂SJ305；
焊带规格：0.5×30mm；
焊剂规格：10～60目；
焊带堆焊规范：
电弧电压：26～28(V)；
堆焊电流：420～440(A)；
焊丝牌号：过渡层焊丝H309L；
焊丝直径：φ3.2mm；
复层焊丝H347L；
焊丝直径：φ3.2mm；
堆焊速度：135～150mm/min；
焊丝堆焊规范：
电弧电压：32～36(V)；
堆焊电流：250～300(A)；
堆焊速度：300～450mm/min；
5.筒体堆焊不锈钢的焊接顺序
为了保证堆焊不锈钢的的连续性，筒体先不加工进、出法兰口。既筒体需要的堆焊部位确定好，待堆焊后再加工进、出口的法兰口。筒体按如下顺序堆焊(图3-4)：
(1)筒体较宽部位用焊带堆焊不锈钢。过渡层EQ309L(A)；焊剂SJ304；复层EQ347L；焊剂SJ305；焊带规格：0.5×30mm；焊剂规格：10～60目(图7)。
(2)筒体较窄部位用焊丝堆焊不锈钢。焊丝牌号：过渡层焊丝H309L；φ3.2mm；复层焊丝H347L；φ3.2mm；
(3)焊后自检，检查合格后进行消应力处理；焊后立即进炉低温消除焊接应力，炉温不低于100℃时进炉，达到450℃±10℃，保温2～3小时，200℃出炉空冷。堆焊后的筒体如图5-6所示。
6.焊接工艺要点
(1)筒体在焊接前，要认真清理待堆焊部位的油、锈等污物；
(2)筒体预热100～150℃，保温2小时，温度均匀后用石棉被包裹转件；
(3)预热后的筒体放置耐高温滚轮架上调试，对中准备堆焊；
(4)焊接过程中，必须控制层间温度，层间温度控制在100～150℃范围之内；
(5)堆焊过渡层堆焊高度2～2.5mm；堆焊复层高度3～3.5mm,总高度9～10mm,详见图5所示；
(6)每层焊后立即清理，发现缺陷及时清理、补焊；
(7)堆焊高度必须保证设计图样和工艺加工要求；
(8)焊后尽快进炉消除堆焊应力。
7.检验
(1)筒体堆焊后进行外观检查，在外观质量检验合格的基础上转加工；
(2)堆焊表面加工后，进行100％着色检查，焊缝质量符合JB/T4730.5Ⅰ级。
8.堆焊工艺评定
通过多次试验，确定最佳焊接工艺参数，进行工艺评定。
评定项目：
1)堆焊层加工后着色检验；
2)侧弯试验；
3)化学分析；
4)金相检验；
5)硫酸铜腐蚀检验；
(1)试板堆焊
试板选择Q235钢板，在其上进行堆焊。
试板规格：200×250×45mm；
堆焊层高度：5mm；
焊带牌号：EQ309L(A)(H00Cr24Ni13)；规格：0.5×30mm；
焊剂牌号：SJ304；规格：60～10目；
焊接电流：420～440(A)；
焊接电压：26～26.5(V)；
焊接速度：135～140mm/min
堆焊后每道焊肉的有效宽度：24～25mm；试板上尽量堆满，堆焊层尺寸保证160×200×5mm；如图8-9所示。
(2)试板加工
试板堆焊后将45mm厚的Q235钢板刨至40mm，将堆焊层加工，刨至3mm，宏观检查后进行着色检验，在着色合格的基础上按试件分割图进行试件切割。采用铣床，铣刀厚3～5mm，按试件分割图图样中的要求进行加工，切割、精磨。
侧弯试样4件；打标记：C；
化学分析试样1件；打标记：A；
金相检验试样1件；打标记：J；
硫酸铜检验试样1件；打标记：S；
(3)检验结果
1)加工后进行着色检验，符合JB4730.5-94标准；
2)侧弯试件按ASMEⅨ进行，压头直径40mm，经过180°弯曲试验，4个试件凸弧部位无裂纹、无缺陷、完好；
3)做堆焊层距熔合线3mm处的化学进行分析；检验化学成分，其Cr、Ni化学成分略低于焊带，这是堆焊过程中焊带与母材稀释的结果；
4)采用硫酸铜腐蚀检验，没有发现铁素体渗出，符合ZN57083标准；
5)对堆焊层进行宏观、微观检验，宏观检验堆焊层未发现夹渣、裂纹等缺陷，微观检验母材、熔合线、热影响区、堆焊层，并进行了金相分析及照片。
微观检验：
母材：珠光体+铁素体
熔合线、热影响区：堆焊层为白色；母材为魏氏体组织；
堆焊层：奥氏体+铁素体
9.焊接应用
利用上述焊接工艺，采用带/丝极埋弧自动焊，可一次堆焊成功。

Claims (7)

1.一种耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：采用埋弧自动焊，在20CrMo耐热钢筒体中堆焊不锈钢，该工艺包括如下步骤：
(1)焊前处理：20CrMo筒体堆焊前在100～150℃进行预热处理，预热时间2小时；焊剂在300～350℃进行烘干处理，烘干时间2小时；
(2)焊接过程：带/丝极埋弧自动焊堆焊过程中，先堆焊过渡层，过渡层堆焊高度2～2.5mm范围内；然后堆焊复层，每层厚度在3～3.5mm范围内，层间温度控制在100～150℃；其中：带极焊接工艺参数为：电弧电压26～28V，焊接电流420～440A，焊接速度135～150mm/min；丝极焊接工艺参数为：电弧电压32～36V，焊接电流250～300A，焊接速度300～450mm/min；
(3)焊后处理：对堆焊层进行外观检查、着色检查以及焊缝质量检查。
2.根据权利要求1所述的耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：步骤(2)堆焊复层过程中：堆焊层总高度9～10mm，每层厚度在3～3.5mm范围内；层间温度控制在100～150℃；焊道重叠8～10mm。
3.根据权利要求1所述的耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：步骤(2)焊接过程中，过渡层所用焊带牌号EQ309L(A)；过渡层所用焊剂SJ304；复层所用焊带牌号EQ347L；复层所用焊剂SJ305；焊带规格0.5×30mm；焊剂规格：10～60目；过渡层所用焊丝牌号H309L；复层所用焊丝牌号H347L；焊丝规格φ3.2mm；电源极性：直流反接，带极/丝极接正。
4.根据权利要求3所述的耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：按重量百分比计，过渡层焊带EQ309L(A)的化学成分为：C≤0.030；Si≤1.00；Mn0.5～2.5；S≤0.015；P≤0.025；Cr21.0～23.0；Ni9.0～12；Mo≤0.50；Cu≤0.75；
按重量百分比计，过渡层焊丝H309L的化学成分为：C≤0.12；Si≤0.60；Mn1.00～2.50；S≤0.030；P≤0.030；Cr23.00～25.00；Ni12.00～14.00；
按重量百分比计，过渡层焊剂SJ304的化学成分为：SiO2+TiO2:20～40；CaF2+CaO+MgO:20～40；Al2O3+MnO2:10～30；其它：≤10；机械夹杂物含量：≤0.30；S≤0.035；P≤0.040；
按重量百分比计，复层焊带EQ347L的化学成分为：C≤0.030；Si≤1.00；Mn0.5～2.50；S≤0.015；P≤0.025；Cr18.0～21.0；Ni9.0～12.0；Cu≤0.75；Nb8×C～1.0；
按重量百分比计，复层焊丝H347L的化学成分为：C≤0.08；Si≤0.60；Mn1.00～2.50；S≤0.030；P≤0.030；Cr19.00～21.50；Ni9.00～11.00；Nb10×C～1.00；
按重量百分比计，复层焊剂SJ305的化学成分为：SiO2+TiO2:30～50；CaF2+CaO+MgO:20～40；Al2O3+MnO2:10～30；其它：≤10；S≤0.035；P≤0.040。
5.根据权利要求1所述的耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：步骤(2)焊接过程中，过渡层堆焊后进行如下步骤处理后再进行堆焊复层：
(a)检查堆焊质量，熔合不良进行补焊；
(b)焊后进炉低温消除焊接应力，炉温不低于100℃时进炉，达到450℃±10℃，保温2～3小时，200℃出炉空冷；
(c)热处理消应力后检查堆焊表面；
(d)堆焊表面加工见光，拐角处要求R3；
(e)着色检查合格后进行堆焊复层。
6.根据权利要求1所述的耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：焊前处理前，所有堆焊部位的拐角处加工后保证达到R3过渡。
7.根据权利要求1所述的耐热钢筒体带/丝极堆焊不锈钢的焊接工艺，其特征在于：带/丝极埋弧自动焊适用于筒体堆焊不锈钢的全过程。
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