汽轮机叶片铆钉头冲刷堆焊修复工艺

河北马头发电有限责任公司 （邯郸 056044） 张 轮

河北电力石家庄焊接培训中心 （石家庄 050031） 王宝才

1.概述

某发电厂6号机是原苏联列宁格勒金属工厂制造的K—200—130—3型一次中间再热单轴三缸双排汽口凝汽式汽轮机，于1979年12月26日投产，大修时揭缸后检查发现，13级叶片铆钉头旋转方向迎汽侧140片叶片铆钉头被冲刷掉3/4，深度约2mm，局部略低于围带。

原因分析：虽然13级为中压缸首级，在过热蒸汽区，但因叶顶漏气，在经过第一道阻汽齿扩容降压后形成较强的扰动，且在等熵扩压后蒸汽湿度加大，导致位于两道阻汽齿之间的铆钉头在旋转力的作用下被冲刷，属于正常现象。经讨论分析，认为情况较为严重，不修复会影响围带的连接强度，有造成围带在高速旋转产生的离心力作用下甩出的危险，因此计划对铆钉头进行补焊修复。

13级叶片铆钉头材质为15Cr11MoV钢，复环材质与叶片铆钉头材质相同，为保证机组检修后轴系部件的安全运行，经研究决定将冲刷的140片叶片铆钉头全部进行补焊修复。

2.15Cr11MoV钢叶片的焊接性分析

15Cr11MoV钢系马氏体耐热不锈钢，具有较好的组织稳定性、热强性、减震性及工艺性能，线膨胀系数小，是一种良好的叶片材料。

（1）母材的化学成分 13级叶片材质为15Cr11MoV钢，其化学成分如附表所示。

（2）15Cr11MoV钢的焊接性分析 主要问题是接头的冷裂纹和脆性，淬硬性是产生冷裂纹的根本原因之一，加之马氏体导热性差，焊接残余应力大，如再有氢的作用，冷裂纹倾向就很明显，就材质而言是有冷裂纹倾向的，实际上是否产生冷裂纹却取决于具体的焊接条件；马氏体钢也有较大的晶粒粗化倾向，特别是多数马氏体钢的成分特点，使其组织往往处于马氏体-铁素体的边界上，在冷却速度较小时，近缝区就会出现粗大的铁素体和碳化物组织，塑性显著下降。若冷却速度大时，由于产生粗大的马氏体组织，故使塑韧性下降。另外，马氏体钢一般有回火脆性，在焊接前后的热处理过程中，对此更应加以注意。

15Cr11MoV钢的化学成分（质量分数） （%）

3.焊接工艺评定试验

（1）试验材料的选择 根据13级叶片材质情况，找与叶片材质相同的材料很困难，因此用材质与叶片材料相近的材质1Cr13叶片来代替。

（2）焊接方法 由于铆钉头补焊量小，而且要保证铆钉头与复环不能焊接在一起，因此选用钨极氩弧焊。

（3）焊接材料 我厂目前没有与铆钉头材质相匹配的焊丝，而铆钉头的补焊又只是头部2mm厚度的范围内，因此选用铬元素含量与铆钉头材质相近的H1Cr13氩弧焊焊丝，φ1.0～φ1.2mm。

（4）焊机 选用直流焊机，采用直流正接。

（5）金相检测 母材组织为回火索氏体，如图1所示；焊缝组织为柱状晶的回火索氏体，如图2所示；熔合区组织：左侧为过热区，右侧为焊缝，如图3所示；过热区组织为回火索氏体，如图4所示。

图1 母材组织500 ×

图2 焊缝组织500×

图3 熔合区组织200×

图4 过热区组织200×

（7）焊缝硬度检测 叶片上原铆钉头硬度为232～235HBW，新补焊的焊缝硬度为210～235HBW，母材硬度为238 HBW。

（8）焊缝表面无损检测 从以上焊接工艺评定试验结果可以看出，该工艺所焊的试样经金相、硬度和着色无损检测，均合格，表明该工艺可行。

4.焊接修复工艺

（1）铆钉头堆焊前的清理 ①堆焊前铆钉头表面磨擦面要清理干净，摩擦附着层要打磨掉，并测量复环厚度。②将打磨后的叶片铆钉头表面用放大镜宏观检查是否有缺陷。③实际施焊之前，焊工、加热回火人员应进行焊前练习，在材质为1Cr13钢的叶片上钻一些深3mm、φ12mm盲孔，焊工练习时应在盲孔上堆焊，孔既要焊满又不能和孔壁焊在一起，目的是保证现场焊接时不将铆钉头和围带焊在一起，以保证堆焊后机组的安全运行。练习合格后，方可施焊。④正式捻铆施工前，需在堆焊试样上进行试捻铆。捻铆后宏观检查应无表面裂纹缺陷，试铆合格后，方可进行铆钉头现场实际铆接。

（2）堆焊工艺 ①焊接方法选用全氩弧焊接。②焊接电源选用逆变焊机，用直流正接。③焊接电流选用40～50A，在保证焊接的情况下尽可能选用较小的电流。焊接工件接线应在本级叶轮上，连接需良好，严禁接线不良而打火。④焊接前用丙酮对铆钉头进行清洗。⑤预热采用火焰加热的方法，预热温度250～300℃，预热采用小号火焊把低火焰对叶片铆钉头部进行缓慢加热，加热时采用远红外测温仪进行测温。⑥焊丝在使用前将焊丝表面的油、锈清理干净，在铆钉头一侧放置一块与铆钉头材质相同的引弧板，其高度与铆钉头相平齐。⑦在引弧板上引弧。为保证堆焊成形好，堆焊时采用短弧焊，周向运弧，焊接电弧应稳定，控制堆焊层形状，收弧时电弧逐渐移到引弧板熄弧，堆焊厚度为2mm左右，堆焊金属与母材应圆滑，堆焊过程分为多层焊接，层与层之间温度控制在200℃左右，焊接时尽可能不与复环焊在一起。⑧铆钉头堆焊完毕后用石棉保温缓冷到室温。

（3）焊后热处理 ①堆焊完铆钉头用石棉保温缓冷到室温后，进行焊后回火热处理，回火采用小号火焊把火焰加热，小的热能率，中性火焰加热，加热范围包括焊缝和焊缝的热影响区。②回火温度为700～720℃，恒温5min后空冷。加热时升温速度要缓慢，回火最高加热温度应严格控制，严禁超温。

（4）质量检查 ①堆焊铆钉头修复后进行焊缝表面硬度检查，硬度合格。②堆焊完成后，将铆钉头堆焊层表面用砂纸打磨呈现金属光泽，对堆焊铆钉头表面进行着色无损检测，合格。

5.铆钉头补焊后捻铆工艺

（1）捻铆前将热处理完毕的铆头加热至700～720℃，使用红外线测温仪测温。

（2）加热至温度范围后立即用1.5磅（0.68kg）重的手锤进行捻铆。

（3）每个铆钉头捻铆时首先捻铆轴向两面，然后再铆切向两面。

（4）每一组应首先捻铆两端叶片，然后由中间向两端铆。以保证铆接时围带可自由延伸。

（5）每个面的铆接锤击次数不宜过多，以免冷作硬化。每面一般不要超过2～3锤。

（6）捻铆后的铆头，应能把围带装铆钉头的孔覆盖住，铆头表面至围带表面平滑过渡。

（7）捻铆完毕用放大镜宏观检查，无裂纹。有裂纹时应磨除裂纹重新补焊。

6.结语

通过工艺评定试验所确定的堆焊铆钉头焊接工艺可行。该工作的圆满完成，为汽轮发电机转子叶片铆钉头运行后冲刷补焊提供了实践经验。

实践证明，铆钉头铆接工艺选择合理，铆接后未发现表面裂纹，铆接接头合格。