800MW机组下环补焊修复探讨

中国第一重型机械（集团）有限责任公司 （黑龙江齐齐哈尔 161041） 蔡建明

1.概述

下环材质为马氏体不锈钢（ ZG00Cr13Ni4Mo），用于水电站，主要为起保护和支撑作用，由于性能要求较高，故需要专用的铸造工艺和热处理工艺。此铸件比较薄，平均壁厚约为106mm，铸造时补缩比较困难，容易在中间部位形成微小的缩孔及缩松，严重影响铸件强度；而且此铸件补焊比较困难，补焊时容易产生淬硬组织，产生焊后裂纹。我公司采用专用铸造工艺，成功铸造了下环，但在后续机加后，超声探伤还是发现了超标缺陷，为此我公司采用专用补焊工艺，成功焊接了超标缺陷。下环三维照片及实体照片如图1、图2所示。

图1 下环三维图

图2 下环实体照片

2.补焊工艺及操作过程

此铸件已经进行了精加工，没有任何加工余量，补焊温度过高会产生变形，补焊温度低会产生裂纹。

为此，我公司焊接专业人员制定的补焊工艺如下：①局部预热温度控制在70～110℃。②层间温度要严格控制80～160℃。③焊条进行350℃×1.5h烘干，并放在保温桶中。④打底特别注意焊缝与母材的熔合情况，特别要注意根部和搭接处不得产生夹渣缺陷。⑤补焊时采用单道多层操作，严禁摆动，每层焊缝厚度应小于6mm，以减小焊接应力。⑥焊接参数：φ4mm焊条，焊接电流150～170A，短弧操作。⑦补焊时应及时进行锤击，以求达到释放焊接应力的目的。⑧补焊时应严格控制层间温度80～160℃，严禁连续、快速施焊造成大的焊接应力和变形。⑨补焊时起、收弧及运条要特别注意坡口边缘的熔合情况，确保焊透和不产生夹渣等缺陷。⑩补焊时一旦发现熔合不良，尤其是裂纹时应立即停下来，视情况采用砂轮或磨头清除干净后再焊；焊后使用石棉毡保温缓冷。铸件现场补焊照片如图3、图4所示。

图3 焊工用风靶子进行消应力处理

图4 补焊温度为76℃左右

为了防止变形，补焊预热温度采用工艺预热温度的下线即为70～100℃，由于补焊过程中有断续现象，没有持续补焊，所以焊后打磨探伤发现补焊8处有6处不合格。

我公司总结经验教训后，又重新定制了如下补焊工艺：

（1）清除缺陷及焊前坡口准备 ①由于该下环已经精加工完，为减小变形，依超声波探伤确定的缺陷位置决定采用机械加工方法进行清除，原则是在保证缺陷清除干净的前提下尽量少去掉完好金属。②为了便于焊接操作，清除缺陷时刀具尽量向下有一角度，若机械加工难以实现，可用砂轮（磨头）打磨圆滑过渡。③缺陷清除后对坡口进行磁粉或渗透探伤，确保无任何裂纹和夹渣等缺陷。④坡口底部要平整，根部要修出大于5mm的圆角。

角度α=15°～25°，以便补焊操作，坡口示意如图5所示。

图5 坡口示意

（2）焊前预热及层间温度 补焊前用燃气局部预热下环待焊处130～150℃。层间温度要严格控制在160～200℃之间。

（3）焊接方法与焊接材料的选择 焊接方法选择质量可靠，便于实现的焊条电弧焊。焊条选择自行研制的本体电焊条TY00Cr13Ni4。

（4）焊工资格 选用补焊下环的焊工应有较强的责任心，并具有船检焊工资格。

（5）补焊前准备 ①补焊现场应配备风耙、小磨头、砂轮等工具。②工件置于合适位置放稳并进行预热。③焊条按使用说明进行350℃×2h烘干，并放在保温桶中。

（6）补焊工艺要求 ①开始底层的补焊要特别注意焊缝与母材的熔合情况，特别要注意根部和搭接处不得产生夹渣缺陷。②补焊时采用单道多层操作，严禁摆动，每层焊缝厚度应＜6mm，以减小焊接应力，如图6所示。③焊接参数：φ4mm焊条，焊接电流160～180A（可适当放大），短弧操作。④补焊时应及时进行锤击，以求达到释放焊接应力的目的（锤击操作和要求由技术人员现场指导），如图7所示。⑤补焊时应严格控制层间温度＜200℃，严禁连续、快速施焊造成大的焊接应力和变形，如图8所示。⑥补焊时起、收弧及运条要特别注意坡口边缘的熔合情况，确保焊透和不产生夹渣等缺陷。⑦补焊时一旦发现熔合不良，尤其是裂纹时应立即停下来，视情况采用砂轮或磨头清除干净后再焊。⑧补焊完成后，进行6h消氢处理。对坡口边缘的咬边和低点部位用氩弧焊补焊平整。

图6 焊道布置示意

图7 捶击消除焊接应力

图8 补焊层间温度约为169℃符合工艺要求

此次补焊，我公司专门安排专业人士现场跟踪，严格按照工艺要求进行补焊，使补焊预热温度达到140℃左右，保持持续焊，在间歇期间补焊处及周围用石棉布盖上，外围用火苗烘烤，使其温度保持在120℃左右，每焊一层，采用风靶子及时排应力，每焊1h采用烤枪烘烤补焊部位10min左右，达到消应力，补焊完成后及时按照工艺进行消应力。打磨探伤后，补焊缺陷全部合格。

3.对比两次补焊工艺

（1）两次补焊相同点 即补焊操作者相同、补焊场地相同、补焊所用焊条相同，以及缺陷破口以及深度大致相同。

（2）两次补焊不同点 ①首要不同点就是预热温度的变化，第一次预热温度在70～100℃，第二次预热温度在140℃左右，两者相差70℃左右。②操作者对待补焊缺陷的态度不同，第二次比第一次更认真谨慎。③在补焊过程中，第二次采用连续施焊，但又保持层间温度不超过规定层间温度，而且在工人休息时或换班时补焊处用石棉布及时覆盖，防止了急剧冷却。④第二次每补焊1h左右用烤枪烘烤补焊处30min左右，达到去除补焊应力的目的。⑤第二次补焊后进行了消应力处理，第一次补焊后只用石棉布覆盖。第二次补焊后，及时采用消应力热处理，消应力时间为6h左右，然后用石棉布覆盖缓冷。

4.经验及探讨

在这两次补焊过程中，笔者作为技术员进行了全程的跟踪。现总结如下几点经验，与大家分享：

（1）焊前准备 补焊前一定要确保补焊处缺陷清除干净，不准有气孔及夹渣和其他杂物，如灰尘，油渍等。

（2）预热温度 补焊首要条件就是预热温度，预热温度与补焊件材质有密切关系，而材质的预热温度和碳当量密切相关.

国际焊接学会推荐的碳当量公式CE(IIW)：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢（σb=500～900MPa）。当板厚小于20mm，CE(IIW)＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；当CE(IIW)=0.40%～0.60%，特别是＞0.5%时，钢材易于淬硬，焊接前需预热。

美国金属学会提出的用于计算预热温度的碳当量CE经验公式：

CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13(%)

当CE＜0.45%时，可不预热；当CE在0.45%～0.60%之间时，预热100～200℃；当CE＞0.60%时，预热200～370℃。该式适用于碳钢和低合金高强度钢。

（3）焊材选用 根据补焊件材质选择合适的补焊焊丝或焊条。

（4）补焊过程 焊工要根据实际经验定时进行消应力处理。尽量连续补焊，但是层间温度也不可以太高，间歇补焊时，一定要用石棉布覆盖补焊处及周围200mm范围，防止急剧降温，产生应力。

（5）焊后处理 焊后一定要及时消应力热处理，如果不能及时消应力热处理也要及时用石棉布盖上，缓冷降温。

5.结语

经过两次补焊，我公司成功焊接了下环超标缺陷，此后测量虽有少许变形，但不影响使用。我公司采用重新制定的补焊工艺，成功焊接了超接缺陷，不仅为公司积累了补焊马氏体不锈钢的经验，而且为以后可能出现的类似焊接缺陷打下了坚实的基础。