蒸压釜铸钢釜环及盖缘裂纹的焊接修复工艺及性能研究

沈晓勤，谢坚鎏，石永华

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.江门市新会区同达化工机械制造有限公司，广东江门529100）

蒸压釜铸钢釜环及盖缘裂纹的焊接修复工艺及性能研究

沈晓勤1，谢坚鎏2，石永华1

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.江门市新会区同达化工机械制造有限公司，广东江门529100）

蒸压釜经过长期使用后，釜环齿圈及盖缘齿圈的啮合齿齿根部位易出现裂纹。对铸钢裂纹的焊接修复工艺及接头性能进行了研究，结果表明：对ZG230-450H铸钢试样采用低氢的药芯焊丝CO2气体保护焊，应用多层焊工艺，配以焊前预热、控制层间温度及焊后保温缓冷等措施，以较小的焊接电流和较快的焊接速度（即较小的焊接线能量）进行焊接，能获得与母材等强度且没有裂纹的焊接接头。

蒸压釜；铸钢；裂纹；焊接工艺性能

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.011

0　前言

蒸压釜在工业生产中应用极其广泛。蒸压釜两端的釜环及盖缘材质为铸钢，其在铸造过程中容易产生砂眼、疏松等缺陷。由于蒸压釜的工作压力较高，釜体长期承受升降压的交变载荷，釜环及盖缘极易在上述缺陷处产生疲劳裂纹并扩展，严重影响设备的安全。对此裂纹的处理，一是将釜环及盖缘更换，成本高，时间也比较长；二是进行焊接修复，如采用适当的工艺，可避免焊接裂纹的产生，降低维修成本，增加经济效益。

铸钢的碳当量高，可焊性较差，需要精心调整焊接参数。对铸钢与Q345B或低合金钢的CO2气体保护焊工艺研究表明，焊接过程中应采取焊前预热（100℃～200℃），保证层间温度不低于预热温度，焊后保温和锤击焊缝释放应力，可获得合格的焊接接头［1-2］。对于厚大铸钢件的手工电弧焊，需采取焊前预热（250℃）、短弧、多层焊等方式，层间保温并采用机械振动法消除焊缝层间应力和氢，焊后用保温棉对焊缝附近20 cm范围进行保温缓冷至室温［3-4］。

1　设备概况

某管桩公司蒸压釜设计工作压力1.1 MPa，设计工作温度187℃，工作介质为饱和水蒸汽和水泥管桩；釜体内径3 000 mm，筒体长25 820 mm，壁厚22 mm，材质为16MnR，釜环及盖缘材料为ZG230-450H铸钢，其化学成份及力学性能见表1。该釜环齿圈及盖缘齿圈的啮合齿齿根部位存在多处线状裂纹（见图1），裂纹一般长15～30 mm，最长达80 mm，经打磨检查发现裂纹深度在2～6mm范围内。

表1　R铸钢釜环及盖缘的化学成份和性能

图1　蒸压釜釜环及盖缘齿圈

从现场检测出的裂纹表面上看，是由于蒸压釜经过近15年的满负荷运行，受温度及压力交变载荷而产生的疲劳裂纹，但是将裂纹打磨至2 mm以下发现裂纹下面出现很多铸造缺陷，如疏松组织、砂眼等。由此可见，在釜环及盖缘内部存在的不均匀应力，在这些铸造缺陷周围产生应力集中，也是导致裂纹产生的原因。因此，要清除这些缺陷，就必须将裂纹和铸钢件的铸造缺陷一起清除，才能达到完全清除设备缺陷的目的。

2　焊接工艺性能研究

为了焊接修复釜环齿圈及盖缘齿圈的啮合齿齿根部位存在的裂纹，对铸钢ZG230-450H的焊接工艺性能进行了试验研究。

2.1试验条件

试板板厚为30 mm，坡口形式为X型（如图2），焊前预热，焊后保温，多层焊。采用FCAW，保护气体为瓶装CO2气体；焊丝牌号：TWE-711；焊丝规格：ϕ1.2；焊接电源：CO2气体保护焊机（型号KRII500）。

图2　试样坡口型式及尺寸

2.2试验数据及结果

2.2.1首次试验

焊接工艺参数如表2所示。焊缝表面质量检查为合格，焊接接头放置24小时后试板经X射线检测，按JB/T4730.2-2005标准评定为合格。接头学性能如表3所示，弯曲试验在弯曲面焊接热影响区断裂（如图3），按JB4708-2000评定为不合格；拉伸试验抗拉强度未达到标准值要求，按JB4708-2000评定为不合格。

表2　R首次试验的焊接工艺参数

图4为焊缝金相组织，首次试验阶段由于多层焊的焊缝层数少，每层厚度大，焊缝层中的柱状晶组织未被消除。而且焊接线能量过高（其值为15 840 J/cm），导致焊缝及热影区过热，降低了接头的塑性和韧性，增加了焊后产生裂纹的倾向。

表3　R首次试验的焊接接头力学性能

图3　首次试验弯曲试样

图4　首次试验焊缝金相组织（50×）

2.2.2调整工艺试验

根据首次试验的结果，进行第二阶段焊接工艺调整试验。增加多层焊焊缝层数，加快焊接速度，减小焊接电流，降低焊接线能量。调整试验的工艺参数如表4所示，焊接接头表面质量经检查为合格，接头焊后保温24小时后试板经X射线检测，按JB/ T4730.2-2005标准评定为合格。接头力学性能试验结果如表5所示。图5为弯曲试样，弯曲试验时弯曲面存在超标裂纹，按JB4708-2000评定为不合格；拉伸试验抗拉强度未达到标准值要求，按JB4708-2000评定为不合格。图6为焊缝金相组织，由于多层焊焊缝层数增加，每层厚度减少，焊缝层中的柱状晶组织也在减少。而且焊接线能量的减少为9 216 J/cm，也使焊缝及热影区的过热状况得到改善，接头强度有所提高，但依然未达标。

2.2.3调整工艺再试验

总结前两阶段的工艺试验结果，再次调整焊接工艺参数。继续增加多层焊焊缝层数，提高焊接速度，减小焊接电流，进一步降低焊接线能量，并严格控制层间温度。调整再试验的焊接工艺参数如表6所示，焊接接头表面质量合格，接头焊后保温24小时后试板经X射线检测，按JB/T4730.2-2005标准评定为I级。接头力学性能如表7所示，拉伸试验抗拉强度已达到标准值要求，按JB4708-2000评定为合格。图7为弯曲试样，弯曲试验时弯曲面完好，没有发现开裂现象，符合力学性能试验标准，按JB4708-2000评定为合格。图8为焊缝金相组织，可见由于每层焊缝的厚度继续减小，焊层中的柱状晶已基本消除。而且随着焊接线能量进一步降至5 437 J/cm，接头的强度也进一步得到提高，弯曲试验结果显示已达标。图9所示为焊接线能量对铸钢接头抗拉强度的影响，随着线能量增大，接头抗拉强度降低。

表4　R调整工艺试验的参数及结果

表5　R调整工艺试验的焊接接头力学性能

图5　调整工艺试验的弯曲试样

图6　调整工艺试验的焊缝金相组织（50×）

表6　R调整工艺再试验的工艺参数及结果

图7　调整工艺再试验阶段弯曲试样

图8　调整工艺再试验焊缝金相组织（50×）

3　结论

采用低氢的药芯焊丝CO2气体保护焊，配以焊前预热、焊后保温缓冷等措施，进一步减少接头的含氢量，并改善接头部位的应力状况；应用多层焊工艺，严格控制层间温度，以较小的焊接电流和较快的焊接速度，即控制在较小的焊接线能量下进行焊接，焊接铸钢ZG230-450H能获得与母材等强度且没有裂纹的焊接接头。

图9　热输入对铸钢接头抗拉强度的影响

在前述三个阶段的焊接工艺试验研究基础上，确定了一套优化的焊接工艺参数和工艺流程，先后对20多台在用蒸压釜出现的裂纹缺陷进行了焊接修复，设备修复合格运行多年时间，经国家相关检验部门在三个月、年度分别进行检测，均未发现新的裂纹，完全达到蒸压釜安全运行的要求。

［1］周观根，俞水其.厚钢板和大型铸钢节点焊接技术研究［J］.钢结构，2004（6）：50-53.

［2］李伟，运新春，马玉文.大型低合金铸钢件与高强船用结构钢厚板的焊接［J］.焊接技术，2010，39（3）：30-34.

［3］赵颖.重型铸钢件的焊接修复［J］.焊接技术，1995（5）：19-21.

［4］徐亚杰，桂凌华，陆关林，等.杭州湾跨海大桥海中平台超大型铸钢件焊接工艺［J］.施工技术，2009（10）：27-29.

（编辑：阮毅）

Study on Welding Process and Joint Property Used in Repairing of Cracks in the Kettle Ring and Cover Edge of Autoclaves

SHEN Xiao-qin1，XIE Jian-liu2，SHI Yong-hua1
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Guangzhou510640，China；2.Tongda Chemical Machinery Manufacturing Co.，Ltd.of Xinhui District，Jiangmen529100，China）

Cracks are detected in the root parts of the mesh gear in the kettle ring and cover edge of a cast steel autoclave，after it has been used for long time.The welding process and joint property for repairing of cracks in the cast steel autoclave were studied.The results show that a variety of measures，such as using low hydrogen flux cores，multi-layer welding，preheat，inter-pass temperature control and heat preservation after welding，should be used for CO2gas shielded arc welding of ZG230-450H cast steel.Coupled with the use of small welding current and fast welding speed（i.e.，small heat input），crack-free joints with tensile strength as high as the base metal can be produced.

autoclave；cast steel；crack；welding process property

TP24

J

1009-9492（2015）01-0043-04

2014-11-30

沈晓勤，女，1966年生，江苏沭阳人，硕士，讲师。研究领域：焊接技术及装备。已发表论文20篇。