CN105750708B - 一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法 - Google Patents

一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及镍基合金焊接技术领域，公开了一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，主要包括焊材选取、焊接方式选取、焊前准备和施焊过程几个步骤，其中焊接方式采用热丝TIG焊焊接，焊接机头具有双路保护气功能，焊前准备包括坡口制备，施焊过程包括点焊、打底焊、过渡焊、填充焊、和盖面焊几个过程。本发明针对目前焊接镍基合金时存在的问题，提出了一种适用于Ni‑25Cr‑20Co镍基合金厚壁集箱环焊缝的焊接方法。

Description

一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法
技术领域
本发明涉及镍基合金的焊接，特别针对锅炉集箱用的镍基合金厚壁管深坡口的焊接，属焊接技术与工程领域。
背景技术
集箱是组成锅炉的关键部件之一，其主要作用为汇集和混合工质、消除或减小热偏差以及工质再分配。集箱由集箱筒身、端盖、管接头、耳板和筒身附件组成，集箱筒体大多数是用较大直径的厚壁管对接环焊而成，其材质与锅炉受热面材质一致。
随着锅炉设计参数的提高，高温段用材等级不断提高，特别是700℃锅炉中镍基合金将得到广泛应用。镍基合金焊接虽广泛应用于航空航天领域，但在现有的燃煤发电锅炉制造中从未被采用过，时效强化型镍基高温合金Ni-25Cr-20Co是700℃锅炉主要备选材料之一，于2011年被ASME标准收录并获得Code Case 2702，该合金焊接时具有流动性差、热裂纹敏感高等特点，其焊接难度较大，厚壁管在复杂拘束条件下，焊接难度更大。
集箱筒体环焊缝的焊接是集箱制造的关键工序，其焊接方法控制点主要包括焊接方法选择、焊接坡口制备、焊接材料选择、焊后热处理及焊后检验等。
目前锅炉集箱材质等级均为低碳钢或合金钢，Ni-25Cr-20Co镍基合金集箱的应用无经验可循。在焊接Ni-25Cr-20Co镍基合金集箱时存在的问题主要有：
(1)镍基合金熔池流动性差，脱渣困难，焊接过程中热输入量大，环缝焊接还易产生粗大的晶粒降低焊缝性能，同时焊接热裂纹不易得到控制；
(2)镍基合金线膨胀系数高，焊接过程中收缩变形较大，现有集箱环缝坡口设计不适用镍基合金焊接；
(3)Ni-25Cr-20Co还含有较多活性元素，焊接过程中易被氧化，需采用合理的焊接保护方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述方法控制点，提出一种适用于Ni-25Cr-20Co镍基合金厚壁集箱环焊缝的焊接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，包括如下步骤：
S1：焊材选取
选用符合要求的焊丝，焊丝中元素的成分重量百分比为：C≤0.080％、Mn≤1.0％、Si≤1.0％、Cu≤0.50％、Al 0.5-2.5％、Ti 0.5-2.0％、Ni≥50％、Cr 23.5-25.5％、Co15.0-22.0％、Nb 0.5-1.5％、Fe≤3.0％、S≤0.01％、P≤0.01％、Mo≤2.0％。
S2:焊接方式选取
采用热丝TIG焊焊接，其中焊枪的厚度为H mm，焊接机头具有双路保护气功能，焊接过程中钨极可摆动；所述的双路保护气功能分别为熔池保护功能和尾气保护功能，所述的尾气保护功能是在刚焊接完后，保护气体不停并继续保护冷却中的焊缝，以防止氧化；采用热丝TIG焊的焊接方法，解决了脱渣困难的问题，同时焊接过程中钨极的摆动使电弧摆动以搅拌熔池，保证了焊接接头的性能。
S3：焊前准备
坡口制备，将两个需焊接的镍基合金集箱筒体的坡口加工成U形或V形，坡口对接处留有钝边。
S4：施焊过程，所述的施焊过程包括如下子步骤：
S41：将需焊接的两个镍基合金集箱筒体的坡口对接，对接时，保证对接的钝边间隙小于3mm，且对接处镍基合金集箱筒体错边量小于2mm；
S42：点焊，沿镍基合金集箱筒体坡口处环向点焊至少两点；
S43：打磨所有点焊收弧位置，检测焊缝无裂纹，若有裂纹继续打磨直到裂纹清除干净；
S44：焊接，所述的焊接又包括如下子步骤：
S441：打底焊，电流160-200A，电压9-11V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；在坡口内钝边上方进行打底焊，由于钝边厚度较薄，打底焊时，电流过大容易导致焊漏，过小则可能导致根部熔合不良，发明人经过试验总结得出上述最为合适的打底焊参数；
S442：过渡焊，电流200-240A，电压9-10.5V，焊接速度90-130mm/min，焊接时钨极摆动；在打底焊上方进行过度焊，由于打底焊后，焊缝仍然较薄，直接进行填充焊的话，可能会焊穿，因此需在填充焊前进行一层过度焊，由于有打底焊的铺垫，对接处根部厚度有所增加，因此过渡焊的电流可较打底焊有所加大，但若电流过大也可能导致焊漏，过小则可能产生层间熔合不良，发明人经过试验总结得出上述最为合适的过渡焊参数；
S443：填充焊，电流280-320A，电压9-11V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极摆动；由于过渡焊后对接处根部厚度已足够，填充焊主要保证焊接效率，故焊接电流相对较大，但是若电流太大则容易产生焊接热裂纹，发明人经过试验总结得出上述最能兼顾效率和焊接质量的填充焊参数；
S444：盖面焊，电流260-300A，电压9-11V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；盖面焊若采用和填充焊一样的电流，则可能导致成型不良，因此电流需稍微低于填充焊电流为益，发明人经过试验总结得出上述最为合适的盖面焊参数。
表1.步骤S441中打底焊试验时电流与焊接效果的关系
表2.步骤S442中过渡焊试验时电流与焊接效果的关系
表3.步骤S443中填充焊试验时电流与焊接效果的关系
表4.步骤S444中盖面焊试验时电流与焊接效果的关系
进一步的，所述的S4步骤后还包括如下步骤：
S5：焊后检验，整圈焊缝的RT检验和PT检验。
S6：焊后时效热处理。
S7：焊缝PT检验。
进一步的，在所述的S42步骤中，点焊时，沿镍基合金集箱筒体坡口处环向共点焊3点，每两点的径向夹角为120°，每点点焊长度为10-15mm。
进一步的，还包括一对用于延伸坡口深度的环形工装，所述环形工装为圆环结构，其内径与镍基合金集箱筒体的外径相配合，其厚度为15-20mm；在实施所述S44步骤的过程中，当焊接的坡口深度小于20mm时，将所述的一对环形工装固定在坡口的两侧，用以延伸坡口深度，以拘束保护气体处于坡口内，保证保护气体不受空气扰动，进而保证焊接过程中焊缝不易被氧化。
进一步的，所述的坡口加工成U形，U形坡口的钝边厚度为1-3mm，单边坡口角度为1-6°，坡口倒圆半径为由于焊接过程中会产生一定量的坡口收缩，采用上述的窄间隙坡口，通过预留一定的坡口收缩尺寸，即上述坡口倒圆半径预留的2～4mm，保证焊接过程收缩后坡口仍旧具备焊接可达性，即坡口收缩后焊枪仍然能伸入坡口。
进一步的，在所述S3中的坡口制备之前还包括如下步骤：
分别测量两个需焊接的镍基合金集箱筒体对接处的壁厚，并根据两壁厚的差值，对一个或两个镍基合金集箱筒体对接处的内壁加工去余量；由于是壁厚集箱，因此各集箱筒体的壁厚差值可能较大，对接后可能有高低错边的现象；去余量的目的恰是保证两集箱筒体在对接处的壁厚差值在合理公差范围内，以保证对接处的错边量在合理范围内。
本发明的有益效果是：(1)本方法可制备探伤合格的Ni-25Cr-20Co镍基合金集箱环缝，镍基合金集箱环缝焊接尚属首次，本焊接方法尤其适用于壁厚为30-150mm的集箱筒体焊接；(2)所焊接环缝宏观金相无夹渣、裂纹等缺陷，焊接接头性能满足工艺评定标准(ASME IX及code case2702)的要求；(3)焊接过程中焊缝呈金属光泽，无氧化现象出现。
附图说明
图1是镍基合金集箱筒体坡口和内壁去余量的尺寸示意图；
图2是环形工装的结构示意图；
图3是环形工装固定在坡口两侧的截面示意图；
图4是时效热处理的曲线图；
图中标记为：1-第一镍基合金集箱筒体，2-第二镍基合金集箱筒体，δ-镍基合金集箱筒体的壁厚，DH-镍基合金集箱筒体的外径，D-内壁去余量后的镍基合金集箱筒体的内径。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明的一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其中镍基合金集箱的壁厚δ为30-150mm，该方法包括如下步骤：
S1：焊材选取
选用同质焊接材料：焊丝牌号为ERNiCrCo-1。
S2:焊接方式选取
采用热丝TIG焊焊接，其中焊枪的厚度为H为12mm，焊接机头具有双路保护气功能，焊接过程中钨极可摆动。
S3：焊前准备
如图1所示，分别测量两个需焊接的第一镍基合金集箱筒体1和第二镍基合金集箱筒体2对接处的壁厚，并根据两壁厚的差值，对两个镍基合金集箱筒体对接处的内壁机械加工去余量，保证去余量后的第一镍基合金集箱筒体1和第二镍基合金集箱筒体2在对接处的壁厚差在0.5mm以内，从而保证对接处的错边量在合理范围内，若内径差太大造成错边量过大，焊接时易产生未熔合等焊接缺陷；且各集箱筒体去余量的宽度≥20mm，尾部留有10-12°的过渡坡面，去余量后的镍基合金集箱筒体的内径为D；
坡口制备，将第一镍基合金集箱筒体1和第二镍基合金集箱筒体2的坡口加工成U形，坡口对接处留有钝边，钝边厚度为单边坡口角度为坡口倒圆半径为R为由于焊接时，所采用的焊枪枪体的厚度H为12mm，焊接过程中会产生一定量的坡口收缩，为保证坡口宽度始终能保持焊枪的可达性，即坡口收缩后焊枪仍然能伸入坡口，因此倒圆角半径需大于6mm，但若太大又可能造成填充量过大，影响焊接效率，因此上述的倒圆半径R是发明人根据试验总结得出的最适宜值；另外，坡口的单边角度若太大也可能造成填充量过大，影响焊接效率，故本实施例采用的单边坡口角度。
S4：施焊过程，所述的施焊过程包括如下子步骤：
S41：将第一镍基合金集箱筒体1和第二镍基合金集箱筒体2的坡口对接，对接时，保证对接的钝边间隙小于1mm，并人工调整集箱筒体，保证对接处镍基合金集箱筒体的高低错边量小于0.5mm；
S42：点焊，沿镍基合金集箱筒体坡口处环向共点焊3点，每两点的径向夹角为120°，每点点焊长度为10-15mm；
S43：采用不锈钢专用砂轮或者旋转锉打磨所有点焊收弧位置，打磨后旋转一周目视检测焊缝是否有肉眼可见裂纹，若有裂纹继续打磨直到裂纹清除干净；
S44：焊接，所述的焊接又包括如下子步骤：
S441：打底焊，电流180A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；
S442：过渡焊，电流220A，电压10V，焊接速度90-130mm/min，焊接时钨极摆动；
S443：填充焊，电流300A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极摆动；
S444：盖面焊，电流280A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动。
S5：焊后检验，整圈焊缝的RT检验和PT检验。
S6：焊后时效热处理，时效热处理曲线图如图4所示。
S7：焊缝PT检验。
另外，如图2和图3所示，本发明还包括一对用于延伸坡口深度的环形工装，所述环形工装为圆环结构，其内径与镍基合金集箱筒体的外径相配合，内径为DH+2mm，厚度为20mm。在实施所述S44步骤的过程中，当焊接的坡口深度小于20mm时，将所述的一对环形工装固定在坡口的两侧，用以延伸坡口深度。
实施例2：
本实施例的具体实施步骤与实施例1大致相同，不同之处在于步骤S44：焊接，所述的焊接又包括如下子步骤：
S441：打底焊，电流160A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；
S442：过渡焊，电流200A，电压10V，焊接速度90-130mm/min，焊接时钨极摆动；
S443：填充焊，电流280A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极摆动；
S444：盖面焊，电流260A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动。
实施例3：
本实施例的具体实施步骤与实施例1大致相同，不同之处在于步骤S44：焊接，所述的焊接又包括如下子步骤：
S441：打底焊，电流200A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；
S442：过渡焊，电流240A，电压10V，焊接速度90-130mm/min，焊接时钨极摆动；
S443：填充焊，电流320A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极摆动；
S444：盖面焊，电流300A，电压10V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动。
表4.实施例1-3中步骤S44的焊接参数的选择
在上述3个实施例中，当打底焊电流为180A，过度焊电流为220A，填充焊电流为300A，盖面焊电流为280A，焊接效果最佳，即上述实施例1的焊接效果最佳。

Claims (6)

1.一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：焊材选取
选用符合要求的焊丝，焊丝中元素的成分重量百分比为：C≤0.080％、Mn≤1.0％、Si≤1.0％、Cu≤0.50％、Al 0.5-2.5％、Ti 0.5-2.0％、Ni≥50％、Cr 23.5-25.5％、Co 15.0-22.0％、Nb 0.5-1.5％、Fe≤3.0％、S≤0.01％、P≤0.01％、Mo≤2.0％；
S2:焊接方式选取
采用热丝TIG焊焊接，其中焊枪的厚度为H mm，焊接机头具有双路保护气功能，焊接过程中钨极可摆动；
S3：焊前准备
坡口制备，将两个需焊接的镍基合金集箱筒体的坡口加工成U形或V形，坡口对接处留有钝边；
S4：施焊过程，所述的施焊过程包括如下子步骤：
S41：将需焊接的两个镍基合金集箱筒体的坡口对接，对接时，保证对接的钝边间隙小于3mm，且对接处镍基合金集箱筒体错边量小于2mm；
S42：点焊，沿镍基合金集箱筒体坡口处环向点焊至少两点；
S43：打磨所有点焊收弧位置，检测焊缝无裂纹，若有裂纹继续打磨直到裂纹清除干净；
S44：焊接，所述的焊接又包括如下子步骤：
S441：打底焊，电流160-200A，电压9-11V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；
S442：过渡焊，电流200-240A，电压9-10.5V，焊接速度90-130mm/min，焊接时钨极摆动；
S443：填充焊，电流280-320A，电压9-11V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极摆动；
S444：盖面焊，电流260-300A，电压9-11V，焊接速度80-120mm/min，焊接时钨极不摆动；
其中，在整个焊接过程中，所述坡口的宽度始终能保证所述厚度为H mm的焊枪能伸入其中。
2.根据权利要求1所述的一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其特征在于，所述的S4步骤后还包括如下步骤：
S5：焊后检验，整圈焊缝的RT检验和PT检验；
S6：焊后时效热处理；
S7：焊缝PT检验。
3.根据权利要求1所述的一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其特征在于，在所述的S42步骤中，点焊时，沿镍基合金集箱筒体坡口处环向共点焊3点，每两点的径向夹角为120°，每点点焊长度为10-15mm。
4.根据权利要求1所述的一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其特征在于，还包括一对用于延伸坡口深度的环形工装，所述环形工装为圆环结构，其内径与镍基合金集箱筒体的外径相配合，其厚度为15-20mm；在实施所述S44步骤的过程中，当焊接的坡口深度小于20mm时，将所述的一对环形工装固定在坡口的两侧，用以延伸坡口深度。
5.根据权利要求1所述的一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其特征在于，所述的坡口加工成U形，U形坡口的钝边厚度为1-3mm，单边坡口角度为1-6°，坡口倒圆半径为
6.根据权利要求1所述的一种厚壁镍基合金集箱环焊缝焊接方法，其特征在于，在所述S3中的坡口制备之前还包括如下步骤：
分别测量两个需焊接的镍基合金集箱筒体对接处的壁厚，并根据两壁厚的差值，对一个或两个镍基合金集箱筒体对接处的内壁加工去余量。
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