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异种材料罐体焊接工艺的研究

发表时间:2007/10/26 胡广林 刘志颖 赵宁 来源:万方数据
在异种材料焊接性能分析和MAG焊接试验的基础上,探讨了奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9)和低温压力容器用钢(16MnDR)角接接头的焊接工艺.通过电网变电站高压开关设备(GIS)的焊接实践,获得较好的焊接接头,满足了压力容器规程对罐体的焊接要求.

    高寒地带东北电网变电站中的330kVSF6气体绝缘、金属封闭的高压开关设备,其用于封闭高压开关断路器的罐体是由奥氏体不锈钢(OCr18Ni9 )筒体和低温压力容器用钢(16MnDR)法兰(在锅炉和压力容器行业中经常用到的一种零件,主要用作提高产品的刚性和产品装配时的连接)焊接而成,罐体内充入0. 6MPaSF6气体用于高压开关断路器开断时灭弧,故该罐体属于异种材料焊接的压力容器,对焊接接头的性能和质量要求很高,制造过程必需严格按照压力容器规范执行。因此,如何获得优质的焊接接头,是确保整个高压开关设备可靠、稳定运行的关键。笔者在异种材料焊接性能分析和MAC焊接试验的基础上,探讨了奥氏体不锈钢(OCr181Vi9)和低温压力容器用钢(16MnDR )角接接头的焊接工艺。

 

1焊接结构及其焊接性分析

 

1.1焊接结构

 

    罐体的焊接结构为筒体与法兰的插入式角接接头形式,焊透状态,由于罐体内外附件多,结构复杂,法兰加工位置受限,无法焊后进行机械加工。因此对该罐体采用先将法兰和附件机加工成形,再依次组装于筒体上,最后靠焊接来控制总体尺寸精度的Block工法制造。筒体材质为OCr181Vi9,内径为550mm壁厚为6mm,长度为2597 mm,所有法兰材质为16MnDR,厚度为33mm。

 

1. 2  OCr18Ni9 +16MnDR焊接性能分析

   

    1) 2种钢材化学成分和物理性能OCr181Vi9的化学成分见表1;16MnDR的化学成分见表2;两者的物理性能见表3。

    2)焊接性能分析OCr181Vi9属于奥氏体钢,16MnDR属于珠光体钢,由表3数据可见,两者力学性能和强度级别相差不大,但其化学组成及成分搭配却相差很大,导致焊缝金属的组织和性能与熔合区及母材各不相同。这2种不同金属的焊接主要存在以下问题:①焊缝的稀释。焊缝中溶入的珠光体钢将对焊缝金属的合金产生稀释作用,使焊缝金属的成分、组织与两侧金属有很大的差异,产生硬脆的马氏体组织,使焊性能恶化,这是焊接工艺中要避免的。②过渡层的形成。在实际的焊接冶金条件下,熔融的母材和焊接材料搅拌混合是不均匀的,熔池边缘的液态金属流动性差,珠光体和奥氏体成分相差较大,在边缘就不能很好地熔合,所以在紧靠珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中会产生与焊缝金属成分不同的过渡层,过渡层主要由脆硬的奥氏体+马氏体和马氏体组成。③扩散层的形成。在焊接接头中,珠光体和奥氏体存在合金元素的浓度差,当接头在温度高于350 - 400长期工作时熔合区便出现碳扩散,在靠近珠光体侧形成脱碳层而软化,在奥氏体一侧的熔合层形成增碳层而硬化。扩散层是异种金属焊接接头中的薄弱环节,对接头的常温强度影响不大,但使其蠕变强度降低10%-20%。④接头产生附加焊接残余应力。奥氏体钢和珠光体钢的线膨胀系数不同(膨胀系数之比是14: 17),接头容易产生热裂纹和焊后冷裂纹,在铆焊装配中必须注意到拘束度不能太大。

 

2  OCr18Ni9 + 16MnDR焊接上艺

 

2.1焊接方法和焊接设备的选择

 

    根据法兰和筒体的装焊结构特点,结合产品批量效率和成本,选择MAC焊接,选用松下KRII35二氧化碳气体保护焊机,白_流反接法进行施焊。

 

2.2焊接材料的选择

  

选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性、韧性等力学性能与母材相匹配。根据OCr181Vi9 + 16MnDR异种金属化学成分和焊接性能特点的分析,并结合工艺试验结果,选用了进口牌号为WEL FCW 309LT的药芯焊丝,规格Ø1.2mm。焊丝的化学成分见表4。与国产焊丝相比较,WEL FCW 309LT焊丝CS,P等杂质含量更低,更有利于保证焊接接头的化学和物理性能,也大大降低了焊缝的缺陷率;SiMn含量高,能提高焊缝质量和接头韧性;Ni, Cr含量高于母材,可使焊缝增加Ni, Cr成分,在改善焊缝的耐蚀性能的同时,减少碳的扩散迁移,抑制过渡层脆硬相的形成。

 

2.3保护气体的选择

 

    保护气体选用干燥的ArC02混合气体,其体积比例为80% Ar +20%C02。这种比例的保护气体带有一定的活性,大大提高了焊缝的外观质量,但可能会引起焊缝增碳,且增强保护气体的氧化作用。所以必须严格控制混合气体中氧化性气体C02的含量和混合气体流量。

 

2.4坡口的制定和加工

 

    为了确保异种钢焊接接头优良的性能,适当控制熔合比是重要的技术关键,焊接坡口的大小是影响焊缝熔合比的重要因素。在工艺试验的基础上确定了坡口角度不大于60º,钝边2mm,预留2mm焊接收缩量。

 

2.5工艺参数的确定

 

依据工艺试验条件和结果,并结合实际接头型式,在实际焊接中,选用表5所不的工艺参数。

 

 

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责任编辑:童伟