CMT堆焊鍋爐水冷壁的變形及控制

韓 雪，劉愛(ài)國(guó)，龔 翼，鄭成博

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

鍋爐水冷壁由于腐蝕、沖蝕磨損等原因造成管壁減薄甚至爆管的現(xiàn)象嚴(yán)重威脅著發(fā)電廠的安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，因此需要對(duì)鍋爐水冷壁管排進(jìn)行防護(hù)[1]。目前防護(hù)方法主要為熱噴涂。熱噴涂具有工藝靈活、生產(chǎn)效率高、易于現(xiàn)場(chǎng)施工等優(yōu)點(diǎn)，但使用熱噴涂方法得到的涂層存在結(jié)合強(qiáng)度不高、涂層有孔隙、在使用過(guò)程中容易脫落等問(wèn)題[2]，不適合使用在腐蝕性非常強(qiáng)的工況中，如垃圾焚燒鍋爐的防護(hù)。堆焊作為材料表面改性的一種經(jīng)濟(jì)而快速的工藝方法，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中。利用堆焊方法在焊件表面可以獲得耐熱、耐磨、耐蝕等特殊性能的熔敷金屬層，能顯著提高焊件的壽命[3]。

堆焊層的防護(hù)性能除取決于其成分外，還受焊層稀釋率的影響；稀釋率越高，意味著泛鐵現(xiàn)象越嚴(yán)重[4]，堆焊層的防護(hù)效果越差。降低稀釋率，需要低熱輸入的焊接方法。冷金屬過(guò)渡(Cold metal transfer，CMT)焊接，是一種短路過(guò)渡的焊接方法[5]，與傳統(tǒng)焊接方法相比具有極低的熱輸入[6]，適合鍋爐水冷壁的堆焊。

劉陽(yáng)等[7]研究了Q235鋼表面CMT堆焊310不銹鋼的組織與性能，堆焊層成形良好，無(wú)宏觀缺陷，堆焊層與基體結(jié)合界面處無(wú)氣孔、熔合不良、夾雜、裂紋等焊接缺陷；堆焊層的稀釋率低，熔合比非常小，可以用于鍋爐水冷壁的堆焊。堆焊時(shí)管排受到不均勻加熱，在堆焊完畢完全冷卻后會(huì)存在殘留應(yīng)力和變形，所以熱輸入越低，焊接變形越小。CMT堆焊雖然熱輸入極低，但堆焊時(shí)的高溫依然會(huì)使鍋爐水冷壁管排變形，變形嚴(yán)重會(huì)影響鍋爐水冷壁的安裝、使用?？刂坪附幼冃蔚姆椒ㄓ蓄A(yù)變形法、反變形法、剛性固定法、減小焊縫的熱輸入、合理安排焊接順序、焊后熱處理等方法[8]。本文對(duì)CMT堆焊鍋爐水冷壁的變形問(wèn)題進(jìn)行研究，分析變形產(chǎn)生的規(guī)律，采取剛性固定法控制變形，并與自由變形時(shí)進(jìn)行對(duì)比。

1 堆焊實(shí)驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

膜式鍋爐水冷壁管排的材料為20G，鋼管的內(nèi)徑為50mm，外徑為60mm，為方便試驗(yàn)進(jìn)行，所焊接的鋼管長(zhǎng)度確定為400mm。鰭片材料為Q235，尺寸為400mm×40mm×6mm。焊接鍋爐水冷壁管排的焊絲選直徑為φ1.2mm的ER50-6，堆焊焊絲直徑為φ1.2mm的304不銹鋼焊絲。保護(hù)氣體選純氬氣。堆焊采用Fronius的TransPlus Synergic 4000 CMT焊機(jī)，焊接過(guò)程由FANU-Robot-RoiA機(jī)器人完成，自制焊接試驗(yàn)平臺(tái)。

1.2 鍋爐水冷壁管排的焊接

焊接時(shí)，鍋爐水冷壁管與鰭片間留出1mm間隙，鰭片開(kāi)35°左右坡口,以保證焊縫焊透；焊絲端部偏向水冷壁管一側(cè)。焊接鍋爐水冷壁管排的參數(shù)為：電流155A、電壓13.3V、焊接速度2mm/s、氣體流量18L/min。

1.3 鍋爐水冷壁管排的堆焊

為分析水冷壁管排的堆焊變形規(guī)律，進(jìn)行單根水冷壁管的無(wú)拘束堆焊和管排的無(wú)拘束堆焊。為盡量減少變形，堆焊時(shí)盡可能采用對(duì)稱的堆焊順序，單根水冷壁管的堆焊順序如圖1所示，其中的數(shù)字表示焊道順序。

圖1 單根管的堆焊順序

圖1中直徑1和直徑2是兩個(gè)相互垂直的直徑，直徑1為水平方向。水冷壁管排的橫截面如圖2所示。

圖2 鍋爐水冷壁管排的截面圖

由圖2可以看出，水冷壁管排待堆焊表面高低起伏、形狀復(fù)雜。如果將水冷壁管排水平放置進(jìn)行堆焊，將出現(xiàn)多種不同焊接位置，堆焊層厚度難以保證均勻一致，為避免此種現(xiàn)象，本試驗(yàn)中將水冷壁管排豎直放置，立向下堆焊，如圖3所示。單根水冷壁管也采用立向下堆焊，管排的堆焊順序見(jiàn)圖2所示。管排下方的字母A、B、C、D代表管排的編號(hào)。

圖3 鍋爐水冷壁管排的堆焊方向

通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流、電壓、焊接速度、焊槍的擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)頻率、焊道兩側(cè)停留時(shí)間及保護(hù)氣體流量，對(duì)堆焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。堆焊工藝參數(shù)如表1所示，堆焊時(shí)保護(hù)氣體流量均為18L/min，焊接電壓為13.9V，焊接速度為2mm/s。

表1 鍋爐水冷壁管排的堆焊參數(shù)

1.4 水冷壁管及管排堆焊變形的測(cè)量

單根水冷壁管堆焊，焊道長(zhǎng)300mm，內(nèi)徑50mm，堆5道，對(duì)稱堆焊。堆焊后測(cè)量單根管的撓曲、軸向收縮和徑向變形。撓曲的測(cè)量如圖4所示。

圖4 撓曲測(cè)量示意圖

撓曲1為第5道焊縫處的撓曲，撓曲2為第5道焊縫的背面，撓曲2測(cè)量時(shí)保證兩側(cè)的測(cè)量值相等。堆焊前在水冷壁管上量300mm，測(cè)量堆焊后的長(zhǎng)度，兩次測(cè)量的長(zhǎng)度差為軸向收縮。徑向變形測(cè)量直徑1和直徑2的值。水冷壁管排堆焊，焊道長(zhǎng)300mm，管排寬360mm，同樣測(cè)量堆焊后水冷壁管排的撓曲量、軸向收縮量和橫向收縮。撓曲變形和軸向收縮的測(cè)量同單根管堆焊的測(cè)量相同，測(cè)4根管。橫向收縮測(cè)管排總體的收縮量。管排編號(hào)和管排的寬測(cè)量皆如圖2所示。

2 水冷壁管排CMT堆焊變形分析

堆焊前單根管和管排放在平面上與平面貼合，用現(xiàn)有測(cè)量工具不能測(cè)出變形，可認(rèn)為堆焊前無(wú)變形。

2.1 單根水冷壁管無(wú)拘束堆焊的變形量及分析

單根管無(wú)拘束堆焊時(shí)的變形情況如圖5所示，圖5a為單根管的撓曲量，撓曲1和撓曲2分別為2mm、2.5mm，可以看出堆焊層一側(cè)的撓曲量小于堆焊層的背面。圖5b為每道焊縫的軸向收縮，焊縫1～5的收縮量分別為2mm、1mm、4mm、3mm、5mm；由于第2道與第1道為對(duì)稱焊，第2道對(duì)第1道起反變形作用，所以第2道比第1道收縮量小，同理第3道與第4道也是如此，第5道的收縮量最大。圖5c為直徑1和直徑2堆焊后變形量，直徑1增加了0.5mm，直徑2減少了0.5mm；出現(xiàn)這種情況的原因是堆焊時(shí)堆焊部位金屬熔化，冷卻時(shí)焊縫處金屬凝固收縮，水冷壁管的其他部位阻止堆焊部位收縮，側(cè)面金屬被拉伸，所以直徑1被拉長(zhǎng)，直徑2減小。

2.2 水冷壁管排無(wú)拘束堆焊的變形量及分析

無(wú)拘束堆焊后的鍋爐水冷壁管排如圖6所示。

從圖6中可以看出，焊縫成型良好，除焊縫熄弧處其余部分無(wú)氣孔等貫穿缺陷。堆焊后的管排橫向和徑向變形都較大。

水冷壁管排自由變形時(shí)的情況如圖7所示。

由圖7a可以看到，管排由A到D，撓曲1的撓曲量分別為1.5mm、2mm、2mm、2.5mm；撓曲2的撓曲量分別為2mm、1.5mm、1.5mm、2mm；先堆焊的部位變形較小，后堆焊的部位受前面變形的影響，撓曲量緩慢增加。管排兩側(cè)的管背面撓曲量比較大；自由變形時(shí)管排由A到D的軸向收縮分別為3mm、4mm、4mm、5mm，管排的軸向收縮量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖5 單根管無(wú)拘束堆焊的變形情況

3 剛性固定法控制鍋爐水冷壁堆焊變形

由于無(wú)拘束堆焊單根管與管排的變形程度較大，為減小堆焊變形，采用剛性固定法對(duì)堆焊變形進(jìn)行控制。分別對(duì)單根管和管排進(jìn)行剛性固定，測(cè)量堆焊后變形，與無(wú)拘束堆焊時(shí)做對(duì)比。剛性固定方式如圖8所示。將鋼管焊在測(cè)量變形的單根管與管排后面進(jìn)行剛性固定。單根管剛性固定將一根管焊在待堆焊管的后面。水冷壁管排剛性固定是將管排的每根管后面焊一根管，在管排的上下兩側(cè)焊接一根水平方向的管。

圖6 鍋爐水冷壁管排的堆焊

圖7 水冷壁管排無(wú)拘束堆焊的變形情況

3.1 單根水冷壁管剛性固定堆焊的變形量及分析

單根水冷壁管剛性固定的變形情況如圖9所示。

由圖9a可知，撓曲1和撓曲2分別為1mm和2mm，管的堆焊?jìng)?cè)的撓曲量小于背面的撓曲量；與圖5a相比撓曲1減少1mm，撓曲2減少0.5mm，明顯減小了撓曲量。圖9b的軸向收縮從第1道到第5道的收縮量分別為1mm、1mm、2mm、1.5mm、2mm，第1、2道收縮量小，后面三道收縮量大，但整體上小于圖5b的收縮量。圖9c剛性固定堆焊后的直徑與圖5c相比，直徑1增加0.5mm，直徑2減少了1mm，變形程度大于自由變形時(shí)的變形量；出現(xiàn)這種情況的原因可能是剛性固定時(shí)堆焊層的后面用一根管子固定起來(lái)，焊接時(shí)由于焊縫部位冷卻收縮，但固定位置阻止堆焊部位收縮，導(dǎo)致圓管變形嚴(yán)重，所以直徑1方向被拉長(zhǎng)，直徑2被縮短；自由變形冷卻收縮時(shí)，沒(méi)有剛性阻擋，任由其收縮撓曲，所以徑向變形不大。

圖8 單根管和管排的剛性固定

圖9 單根管剛性固定堆焊時(shí)的變形情況

3.2 水冷壁管排剛性固定堆焊的變形量及分析

水冷壁管排剛性固定時(shí)的變形情況如圖10所示。

圖10 水冷壁管排剛性固定堆焊時(shí)的變形情況

由圖10可知，管排每根管的撓曲1分別為1mm、2mm、1.5mm、1mm，剛性固定時(shí)管排的撓曲中間稍大，兩側(cè)稍?。粨锨?分別為1.5mm、1mm、1mm、1.5mm，撓曲2兩側(cè)稍大中間稍??；撓曲量均明顯小于圖7a時(shí)的變形量，解決了無(wú)拘束堆焊時(shí)越到后面變形程度越大的問(wèn)題。圖10b為每根管的軸向收縮，第A～D根管的軸向收縮量分別為2mm、2mm、3mm、3mm，管排的軸向收縮量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與圖7b相比，剛性固定明顯減小了管排的軸向收縮量。由圖10c可知，管排無(wú)拘束變形時(shí)的橫向收縮量為6mm；管排剛性固定的橫向收縮量為5mm，與無(wú)拘束變形相比，收縮量略有改善，但改善程度不是很明顯。

4 結(jié)論

(1)單根鍋爐水冷壁管堆焊時(shí)，最上面一道焊縫的撓曲量和軸向收縮量最大，側(cè)面的兩道軸向收縮量最小，第2道的軸向收縮量要略小于第1道。單根管堆焊后直徑1減小，直徑2增加，呈橢圓形。

(2)單根管剛性固定時(shí)，撓曲和軸向收縮量明顯比無(wú)拘束變形時(shí)減小，可有效控制焊接變形。

(3)剛性固定堆焊鍋爐水冷壁管排的堆焊變形量比無(wú)拘束堆焊時(shí)的變形量小。

此種剛性固定方法雖然不能完全消除堆焊變形，但能有效減小堆焊變形。