汽轮机缸体40CrMoV偏心销堆焊修复

                       山东电建二公司  郭克智  

黄岛电厂三期扩建工程#5汽轮机缸体上的一个偏心销在加工的过程中，由于加工人员对尺寸的理解错误，导致偏心销尺寸直径多加工了5mm，无法满足使用要求，故要求对偏心销进行堆焊后再进行车削加工，以符合要求尺寸。

1  方案的选择与决定

1.1  焊接性和可操作性分析

由于该材质含碳量比较高，淬硬倾向大，特别是在焊接过程中，母材近缝区容易产生低塑性的淬硬组织，导致haz脆性增大。在焊接冷却的过程中，奥氏体增碳后易于形成孪晶马氏体，可在界面上产生显微裂纹，成为潜在的裂源，并起到吸氢和应力集中的作用。该部件尺寸差别较大，还需留有加工余量。多层多道焊也存在不利之处，第一，焊接作业量大。如选用手工钨极氩弧焊，必须采用多层多道焊，不间断连续焊需要二十多个小时，采用手工电弧焊也需要近十个小时。第二，如该钢种采用多层多道焊工艺，在焊接过程中存在“组织遗传”特性，即由于焊接haz的加热速度很快，处于第二焊道正火区的第一焊道粗晶区，具备了产生这些组织遗传的基本条件。粗晶粒并未得到细化，而是在晶粒边界出现许多等轴晶粒，即出现组织遗传。在焊接热影响区出现组织遗传之后，将引起进一步脆化，组织转变为位错型板条马氏体和少量孪晶马氏体。由于马氏体组织硬度很高，而且很脆，是焊缝中不希望出现的组织。通过分析，我们不难发现，这种材料的焊接性很差。而且由于工件比较大，除补焊工作量很大，还要采取其他的辅助措施，如预热、恒温、防变形等，所以说可操作性也比较差。

1.2  方案的选择

由于材质特殊，既要保证焊接过程中不出现质量缺陷，还要保证焊缝有比较好的机械加工性能，只能采用小规范、小参数的焊接操作，减小熔深，降低熔合比。同时减少局部焊接热输入量，降低温差，防止出现焊接热应力裂纹或冷裂纹，故手工钨极氩弧焊或许是最佳选择。针对焊接材料的选择，由于情况特殊，为减少在焊接过程中可能出现的问题，我们优先选用不锈钢焊丝，成本可能比较高，但焊接质量比较有保证。此外，由于工件粗大，焊前预热是一项很重要的工艺措施，充分的预热有利于降低热影响区的硬度，改善焊缝的塑性，减小焊后残余应力。由于焊接持续时间太长，为保证工件的局部温度，减小温度梯度，同时也为了保持工件在停止焊接时的温度，我们选用跟踪电加热，既能控制层间温度，又能保证工件的温度。由于工件尺寸差别较大，为防止焊接过程中，由于工件不同部位受热膨胀不一致，导致工件变形，我们选用垂直固定焊接位置。

2  修复过程

（1）       焊前准备：认真清理工件需要堆焊的区域，去除油污、铁锈等，并进行着色试验，以检验工件是否存在表面质量缺陷。

（2）       焊接方法：手工钨极氩弧焊。

（3）       焊接材料：er309，φ2.4mm

（4）       工艺参数：为减少焊接热输入量，采用小规范、小参数，尽量控制母材成分向焊缝的过渡；直流正接，焊接电流控制在80～105a，焊接电压10～15v；氩气99.99%，保护气流8～12l/min。

（5）       预热方式：电加热为主配合火焰预热，预热温度200～250℃，升温速度50℃/h；中间焊接停止时跟踪电加热恒温160℃；焊接过程中控制层间温度≤260℃。如焊接过程中，工件温度升高速度过快，应适当采取散热降温，尽量控制工件温度不要过高。

（6）       焊接位置：为防止因工件截面不一致，在焊接过程中由于受热导致工件挠度发生变化，引起垂直度发生偏移。采取垂直固定焊接位置，并尽量悬空。

（7）       焊接顺序：焊接起始端可以选择端部（1），如图1所示。

图1  汽轮机缸体偏心销结构简图

我们选择首先在过渡端堆焊1进行堆焊，缓慢过渡。在保证足够的宽度和厚度后，沿圆柱体外壁往上分道堆焊。

（8）       焊道层数：补焊区域需堆焊3层，预留足够加工余量。其中第一层焊缝稍微厚一些，不得小于3mm。

（9）       处理措施：焊后电加热250℃×2h恒温两小时，在保温材料内缓冷。

（10）   焊完一层，认真检查堆焊区域是否存在缺陷，如裂纹、气孔、未熔合等。如发现，用磨光机进行彻底打磨，打磨区域稍大于缺陷部位，然后再进行补焊。

3                             效果检验

由于焊接时间持续太长，在当天的焊接过程中，第一层并未焊完。采取恒温200℃，并未进行脱氢处理。当焊工第二天开始焊接的时候，发现刚焊完的焊缝出现明显的裂纹，仔细检查才发现昨天焊完的焊缝上出现不少显微裂纹。于是我们停止补焊，分析查找原因。由于在补焊的过程中多次检查，并未发现裂纹，产生的裂纹应为延迟裂纹。延迟裂纹的产生主要与焊缝的含氢量有关。我们可以初步断定，由于焊接间隙时间太长，焊缝未及时进行后热脱氢处理，且焊缝未采取保温措施，完全裸露在空气中，导致焊缝中的含氢量进一步增加，最终导致焊缝开裂。至于，第二天焊后立即出现的裂纹，主要是由于母材近缝区产生了大量的淬硬组织，在焊缝冷却的过程中，马氏体相变产生的脆性所造成的。而焊缝一侧则存在潜在裂源（氢大量聚集），所以焊缝在焊后马上出现裂纹。

于是，我们对原工艺及时进行调整，预热、保温、焊接位置、焊接顺序仍采用原工艺。但焊接方法和后热处理进行如下调整：

（1）       焊接方法：首先，采用磨光机彻底清除原焊缝上的缺陷，在着色试验确认无裂纹后再进行补焊。手工电弧焊，有一名焊工独立完成。焊接过程中不间断，一次完成。

（2）       焊接材料：a507  φ2.5

（3）       工艺参数：直流反接，焊接电流（65～70）a。

（4）       焊接层数：焊缝为一层。为保证足够的焊缝抗裂强度，焊缝要求稍厚，但要尽量减少焊缝熔深。

（5）       后热处理：焊后电加热300℃×2h，在保温材料内恒温。

（6）       渗透检验：在工件冷却至室温后，工件需做着色试验，以检验工件表面是否存在裂纹、气孔等缺陷。

4  结论

由于在该工件补焊的补焊过程中，我们忽视了一个重要环节，以为恒温可以替代后热处理。正是由于认识不足和经验的欠缺，给我们造成很大的困难。在第二次补焊的过程中，我们仔细检查每一道焊缝，在确认无任何缺陷产生后再进行下一道的焊接。最后该工件经机械加工，达到要求尺寸，及时解决了工程建设中因意外事故对施工带来的困难，满足了现场施工要求，保证了工程进度，为公司弥补了巨大的经济损失，同时也为公司赢得了良好的声誉和信誉。通过实践证明，我们制定的工艺措施是行之有效的。我们在接受教训的同时，及时总结经验，并形成文字。我们希望广大同行在遇到类似问题的时候，可以作为参考，能为大家提供一些帮助。

参考文献：

[1]张文钺.焊接冶金学.北京：机械工业出版社，1999.6。

[2]焊工手册编写小组.焊工手册.北京：机械工业出版社，1981.4

[3]张信林.焊工技术问答.北京：中国电力出版社，2005.11

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