CN112453643B - 一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，包括以下步骤：1)坡口加工：沿待焊接部件裂纹打磨V型槽，根据部件厚度，将收弧区加工成盲孔；2)将裂纹及其附近部件表面区域打磨并清理干净；3)固定待焊接部件；4)单面单道焊双面成形：在部件的背面通保护气，采用冷金属过渡焊进行单面单道焊双面成形，盲孔区降低焊接速度或增加填丝速度，使熔滴填满整个盲孔区，形成饱满焊缝。本发明能够获得焊缝成型良好、背面余高合理、性能满足要求的焊接接头，并且操作简单、可靠、适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹损伤的焊接修补需要。

Description

一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法。

背景技术

燃气轮机的火焰筒、过渡段、燃料喷嘴、透平静叶片等高温部件作为燃气轮机的核心部件，是工作环境最恶劣、结构最复杂、故障最多、更换费用最高的部件。在长时间高温以及高应力和频繁启停条件下服役，高温部件不可避免地会产生不同程度的裂纹损伤，严重影响其服役安全性。为了减少高温部件的报废率，保证燃气轮机发电设备经济、安全运行，燃气轮机高温部件裂纹损伤的修补方法已受到国内外研究者们的关注。

目前已报道的高温部件裂纹损伤修补方法主要包括氩弧焊、等离子弧焊、激光焊等熔焊以及活化扩散、粉末冶金等钎焊方法。其中，氩弧焊和等离子弧焊等传统熔焊方法已被美国电力研究学会(EPRI)列为燃气轮机热通道部件焊接修复推荐方法。

等离子弧焊具有较高的能量密度，穿透能力更强，焊速更大，装配间隙适应性强，但焊接参数较多，操作要求较高。相比于等离子焊和激光焊，氩弧焊方法适用材料范围广、可填丝、装配间隙适应性强、成本低。一方面，当修补裂纹损伤时，在氩弧焊焊缝的收弧区正面和背面，由于焊接参数选择不当和熔池底面的表面张力作用，容易产生焊缝正面和背面凹陷，造成焊缝背面未填满而强度不足。对于收弧区焊缝正面凹陷，目前已有大量的研究报道，并形成了一些颇具效果的收弧方法，如焊接电流衰减法、增加焊速法、多次熄弧法、应用熄弧板法等。对于氩弧焊焊缝的收弧区焊缝背面凹陷缺陷，目前还没有特别有效的办法，特别对于燃气轮机部件高温合金材料，其焊透性差，其厚度大约在3～12mm之间，此类缺陷尤为突出和典型，有必要通过改变焊接坡口形式来改善其焊透性。另一方面，氩弧焊热输入量较大，焊速较慢，产生的残余应力易致焊接变形和开裂，特别对于较厚板材焊接需采用多层多道堆焊，需要增加热输入，从而引起焊接变形缺陷。然而，过渡金属冷却焊与普通氩弧焊的熔滴过渡方式不同，在熔滴短路时，数字化电源的输出电流几乎为零，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，从根本上消除了产生飞溅的因素数字化控制的焊接系统可自动监控短路过渡的过程，在熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零，热输入量也几乎为零，过渡金属的冷却焊为解决传统氩弧焊热输入量大的问题带来了新的途径。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中燃气轮机高温部件裂纹损伤氩弧焊过程中在收弧区焊缝背面凹陷缺陷的问题，提供一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，能够获得焊缝成型良好、背面余高合理、性能满足要求的焊接接头，并且操作简单、可靠、适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹损伤的焊接修补需要。

为了实现上述目的，本发明有以下技术方案：

一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，包括：

1)坡口加工：沿待焊接部件裂纹打磨V型槽，根据部件厚度，将收弧区加工成盲孔；

2)将裂纹及其附近部件表面区域打磨并清理干净；

3)固定待焊接部件；

4)单面单道焊双面成形：在部件的背面通保护气，采用冷金属过渡焊进行单面单道焊双面成形，盲孔区降低焊接速度或增加填丝速度，使熔滴填满整个盲孔区，形成饱满焊缝。

优选的，步骤1)沿待焊接部件裂纹机械打磨V型槽，V型槽两端圆滑过渡，盲孔直径大于V型槽上端宽度，盲孔底面中心与V型槽底面圆滑过渡，盲孔底面与孔壁面圆滑过渡。

优选的，V型槽的夹角为40°～80°，其底面间隙为1～3mm，V型槽两端过渡面的坡度角为30°～60°，盲孔的直径为8～12mm，盲孔的底面与待焊接部件底面的间距保持在2～3mm。

优选的，步骤2)通过砂纸打磨出金属光泽，然后在丙酮和稀盐酸中进行超声清洗。

优选的，燃气轮机高温部件包含火焰筒、过渡段、燃料喷嘴以及透平静叶片；

部件材料包括Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS 309、RA333、Tomilloy、FSX414、GTD111、GTD222、MGA1400、MAR-M200Hf以及MAR-M002。

优选的，燃气轮机高温部件的厚度为3～12mm，焊接电流为100～150A，焊接电压为12～23V，焊速为5～10mm/s，焊枪的前倾角60～90°。

优选的，当焊枪移动至盲孔区时，降低焊接速度至3～6mm/s，或者增加填丝速度，使得熔滴填满整个盲孔区，形成饱满焊缝。

优选的，在确保焊接速度和焊缝余高的前提下，调节功率输出波形参数减少焊接热输入。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：本发明是一种基于新型坡口的燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，该方法结合了新型坡口形式和单面单道焊双面成形的冷金属过渡焊接，由于该方法考虑了服役部件的实际裂纹损伤氩弧焊修补时存在的背面凹陷缺陷，克服了高温合金传统氩弧焊存在焊透性差、易变形等突出问题。由于本发明提供的燃气轮机高温部件裂纹损伤的氩弧焊修补方法是针对现役E级、F级甚至H级燃气轮机高温部件普遍存在的裂纹焊接修补问题提出的，因此普遍适用于在役重型燃气轮机火焰筒、过渡段、透平静叶片等主要燃气轮机高温部件裂纹损伤的焊接修补，具有极强的通用性。由于本发明采用的新型坡口形式和单面单道焊双面成形的冷金属过渡焊接方法，既适用于薄板部件，又适用于厚板部件，理论上，无论多厚的板子，只要在收弧区制备坡口时加工盲孔，并保持底面剩余厚度在一定范围内，都可以通过本发明的方法来规避常规氩弧焊存在的问题。因此，本发明的方法具有极强的适用性。由于本发明提供的焊接修补方法能够有效修复燃气轮机高温部件裂纹损伤，而对于高温部件，裂纹损伤是决定部件是否可继续服役的主要考虑因素，因此，本发明用于高温部件的修补，修补后还可继续服役至下一个检修周期，从而减少部件的报废率并带来巨大的经济效益，具有广泛的应用前景。此外，由于本发明裂纹损伤的焊接修补方法的主要程序包含坡口设计加工、打磨、固定部件、单面单道焊双面成形等，不同高温部件的主要焊接修补过程基本相同。因此，本发明所提出的焊接修补方法不仅操作简单、方法可靠、经济性高、适用性和通用性强，而且便于流程化操作。

附图说明

图1本发明燃气轮机高温部件裂纹坡口加工图；

图2(a)过渡段材料裂纹损伤采用常规氩弧焊的收弧区焊缝正面形貌图；

图2(b)过渡段材料裂纹损伤采用常规氩弧焊的收弧区焊缝背面形貌图；

图3(a)过渡段材料裂纹损伤采用本发明方法的收弧区焊缝正面形貌图；

图3(b)过渡段材料裂纹损伤采用本发明方法的收弧区焊缝背面形貌图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出的燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，基本原理如下：

一方面，将厚板焊接的收弧区坡口设计为盲孔形式，盲孔底面与部件底面的间距保持在2～3mm，中间段设计成V型槽，V型槽与盲孔底面圆滑过渡，焊接熔池至V型槽与盲孔底面的界面时，熔滴圆滑过渡至盲孔底面，从而在收弧区将厚板焊接变成了薄板焊接，避免了单一V型坡口深度大，电弧对熔池的冲击力小，同时受熔池液面表面张力的作用而收缩，从而引起熔滴内凹。另一方面，由于高温合金本身的导热系数和焊透性较差，使用常规氩弧焊很难焊透，或在确保焊透的情况下也需要增加热输入，导致焊接性能下降或焊接变形。过渡金属冷却焊与普通氩弧焊的熔滴过渡方式不同，在熔滴短路时，数字化电源输出电流几乎为零，输入量也几乎为零，过渡金属冷却焊为解决传统氩弧焊热输入量大的问题带来了新的途径。

本发明采用新型坡口形式，将收弧区设计成盲孔形式，当熔滴达到盲孔底面时，母材发生自熔形成更大质量的熔滴，由于电弧的冲击和熔滴自身的重力，同时失去了V型槽两侧对熔滴的牵引作用，引起熔滴在凝固过程中在背面形成饱满的焊缝，同时，结合过渡金属冷却焊的低热输入的优势，最终获得焊缝成型良好，形变小，背面余高合理，性能满足要求的焊接接头。以服役过渡段所用Nimonic263变形高温合金材料为例，运用本发明的焊接修补方法，获得的过渡段所用Nimonic263变形高温合金材料焊缝正面和背面均微凸饱满，特别是收弧区背面有一定余高，有效解决了传统氩弧焊焊缝背面凹陷的问题。

参见图1，本发明燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法包括以下步骤：

1)坡口设计加工：通过机械打磨将部件裂纹打磨成V型槽(V型夹角40°～80°)，其底面间隙约1～3mm，V型槽的两端圆滑过渡，坡度较小(约为30°～60°)。根据部件厚度，将收弧区加工成盲孔，盲孔直径略大于V型槽上端宽度，孔直径大约为8～12mm，沉孔底面与部件底面的间距保持2～3mm，盲孔底面中心与V型槽底面圆滑过渡，底面与孔壁面圆滑过渡。

2)打磨清理：用砂纸将裂纹及其附近部件表面区域打磨出金属光泽，然后在丙酮和稀盐酸中超声清洗，去除脏物、油污、灰尘等。

3)固定部件：用专用焊接工装夹具固定部件，确保部件准确定位并夹紧，防止部件在焊接过程中发生变形。

4)单面单道焊双面成形：背面通保护气，焊接电流100～150A，电压12～23V，焊速5～10mm/s，焊枪前倾角60～90°。当焊枪移至盲孔区时，降低焊接速度至3～6mm/s，或增加填丝速度。根据薄板厚度，适当调节焊接电流并填丝，确保焊缝背面成形饱满。

实施例

在4mm厚的过渡段所用Nimonic263变形高温合金试板材料上开V型槽，包括起弧区圆弧过渡、中间V型槽(V型夹角60°，底面间隙约2mm)、收弧区盲孔设计底面减薄至2mm；用砂纸将V型槽及其附近材料表面区域打磨出金属光泽，然后在丙酮和稀盐酸中超声清洗，去除脏物、油污、灰尘等；用带冷却系统和背面保护的平板工装固定好试板；背面通保护气，采用冷金属过渡焊接方法进行焊接，焊接电流110A，电压19V，焊速6mm/s，丝速7.5m/min，焊枪前倾角为80°。当焊枪移至盲孔区时，降低焊接速度至3mm/s，得到上宽下窄焊缝，焊缝正面填充均匀，背面有一定余高，在收弧区背面不存在类似传统氩弧焊焊缝背面的凹陷缺陷。

图2(a)与图2(b)分别为采用普通坡口形式所得过渡段材料(Nimonic263)氩弧焊焊缝收弧区正面和背面形貌。从图中可见，采用普通的V型槽坡口，氩弧焊收弧区焊缝正面外形微凸，形似细长钉状，收弧区焊缝背面外形严重内凹。

图3(a)与图3(b)分别为采用本发明新型坡口形式所得过渡段材料(Nimonic263)冷金属过渡焊焊缝收弧区正面和背面形貌。从图中可见，采用本发明的新型坡口形式，冷金属过渡焊的收弧区焊缝上宽下窄，正面外形平整；收弧区焊缝背面外形微凸，填充饱满。

实施例结果表明，采用本发明提出的焊接修补方法，主要包括新型坡口加工(含收弧区加工盲孔)、打磨清洗、固定部件、单面单道焊双面成形冷金属过渡焊接等工序。本发明提出的焊接修补方法结合了新型坡口形式和单面单道焊双面成形的冷金属过渡焊接的优势，既考虑了不同燃气轮机部件的厚度各异，也考虑到高温合金本身的导热性和焊透性差的特点，将收弧区坡口设计成盲孔状，同时利用冷金属过渡焊接方法的低热输入，有效解决了燃气轮机高温部件用高温合金传统氩弧焊过程中在收弧区焊缝背面凹陷缺陷的问题，最终获得焊缝成型良好，背面余高合理，性能满足要求的焊接接头。本发明操作简单，方法可靠，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹损伤的焊接修补需要。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，其特征在于，包括：

1)坡口加工：沿待焊接部件裂纹打磨V型槽，根据部件厚度，将收弧区加工成盲孔；

步骤1)沿待焊接部件裂纹机械打磨V型槽，V型槽的两端圆滑过渡，盲孔直径大于V型槽的上端宽度，盲孔底面中心与V型槽底面圆滑过渡，盲孔底面与孔壁面圆滑过渡；

2)将裂纹及其附近部件表面区域打磨并清理干净；

3)固定待焊接部件；

4)单面单道焊双面成形：在部件的背面通保护气，采用冷金属过渡焊进行单面单道焊双面成形，盲孔区降低焊接速度或增加填丝速度，使熔滴填满整个盲孔区，形成饱满焊缝；

具体的，燃气轮机高温部件的厚度为3～12mm，焊接电流为100～150A，焊接电压为12～23V，焊速为5～10mm/s，焊枪的前倾角60～90°；当焊枪移动至盲孔区时，降低焊接速度至3～6mm/s，或者增加填丝速度，使得熔滴填满整个盲孔区，形成饱满焊缝。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，其特征在于：V型槽的夹角为40°～80°，其底面间隙为1～3mm，V型槽两端过渡面的坡度角为30°～60°，盲孔的直径为8～12mm，盲孔的底面与待焊接部件底面的间距保持在2～3mm。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，其特征在于：步骤2)通过砂纸打磨出金属光泽，然后在丙酮和稀盐酸中进行超声清洗。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，其特征在于：燃气轮机高温部件包含火焰筒、过渡段、燃料喷嘴以及透平静叶片；

部件材料包括Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS 309、RA333、Tomilloy、FSX414、GTD111、GTD222、MGA1400、MAR-M200Hf以及MAR-M002。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机高温部件裂纹损伤冷金属过渡焊接修补方法，其特征在于：在确保焊接速度和焊缝余高的前提下，调节功率输出的波形参数减少焊接的热输入。

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