自动FCAW堆焊法兰密封面(槽)的国产化研究

顾晓军(中国石化上海高桥石油化工有限公司，上海 200137)

自动FCAW堆焊法兰密封面(槽)的国产化研究

顾晓军(中国石化上海高桥石油化工有限公司，上海 200137)

本文通过国产的密封面自动堆焊设备堆焊法兰密封面(槽)耐蚀层，改善CO2气体保护药芯焊丝(FCAW)堆焊密封面(槽)的质量，提高生产效率，降低生产成本；选用国内外不锈钢CO2气体保护药芯焊丝，采用合适的焊接工艺规程堆焊法兰密封面(槽)耐蚀层，使其满足有关加氢设备的技术要求。

FCAW自动堆焊；法兰密封面(槽)；国产堆焊设备；焊接技巧

0 前言

加氢设备密封面(槽)通常采用堆焊奥氏体不锈钢耐蚀层的方式来增加其耐蚀性。在诸多成熟堆焊技术之一中，CO2气体保护药芯焊丝堆焊(FCAW)因具有生产效率高、焊后熔渣薄且易去除、焊缝成形美观、易于进行半自动和自动化的焊接等诸多优点，在加氢设备密封面(槽)堆焊领域得到的广泛应用[1-2]。本文通过使用国产的密封面自动堆焊设备，选用国内外不锈钢CO2气体保护药芯焊丝，对国产自动化气体保护焊堆焊法兰密封面(槽)进行了研究，获得了良好的堆焊质量和堆焊效果。

1 国产自动化气体保护焊堆焊法兰密封面(槽)堆焊过程研究

1.1 堆焊的技术要求

按目前常用的加氢设备堆焊技术条件，在距耐蚀层表面2．5～3．0mm范围内取样，按GB223进行化学分析，其化学成分应满足表1要求。

表1 堆焊层化学成分(%)

1.2 焊接设备

FCAW自动堆焊机为“小管径及密封面堆焊设备(TIG/CO2)”，通过焊接控制系统配合精密变位机，利用倾翻完成工件焊缝位置的变换，通过旋转完成工件自动堆焊。

1.3 试验材料

试验母材12CrMo1III锻件，厚度为 50mm，共4件；两件加工成平面(试件S1/S2)，模拟平面法兰密封面；另外两件加工T形槽密封槽(试件S3/S4， T形槽宽度20mm，T形槽深度10mm，T形槽处倒角为23°)，模拟T形槽密封槽，见图1。

图1 模拟试件

1.4 试板S1/S3采用国产品牌焊材，S2/S4采用进口品牌焊材，具体焊接工艺参数见表2

1.5 堆焊过程

法兰平面密封面堆焊过程，清理待堆焊面，并按NB/T47013．4进行100%MT检测合格；固定工件，堆焊过渡层309L，通过设定焊缝间距(即焊接当前焊道时焊丝所在位置，与焊接前一道时焊丝所在位置见的距离)实现焊道的自动连续堆焊和焊道搭接量的控制，单层堆焊厚度控制在3．0mm，堆焊完过渡层，清理焊渣，并加工去除0．5mm～1mm，并按NB/T47013．5进行100%PT检测合格；同样方法堆焊表层；

法兰T形槽密封面槽堆焊过程，清理待堆焊面，并进行100%PT检测合格；固定工件，堆焊过渡层309L，堆焊顺序如下：CD间拐角处—BC间拐角处—C面—D面—B面。每焊完一道，清理焊渣，在同一面焊道搭接时，焊丝对准前一焊道边缘向内0．5mm～1．5mm，单层堆焊厚度控制在3．0mm，堆焊完过渡层，并加工去除0．5mm～1mm，并按NB/T47013．5进行100%PT检测合格；同样方法堆焊表层；

1.6 焊后热处理工艺

焊 后热处理工艺为(690±14)℃×32hr，装炉温度≤400℃，升、降温速度≤55℃/hr，试板随炉冷至400℃以下出炉空冷。

表2 试板焊接工艺

2 实验结果与分析

2.1 焊接工艺性

按上述焊接工艺通过国产密封面(槽)堆焊设备，可实现法兰密封面(槽)不锈钢耐蚀层的FCAW自动堆焊，焊接电弧稳定性较好，焊缝成型美观，表面光滑，无气孔、裂纹、夹渣等明显缺陷产生。

2.2 耐蚀层表面铁素体检测

焊态下采用磁性法，按《GB/T1954-2008 铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》检测S1、S2耐蚀层表面铁素体，具体检测结果如表3所示。

表3 耐蚀层表面铁素体数

2.3 耐蚀层化分检测

耐蚀层化学成分检测位置为不锈钢耐蚀层表面下2．5mm～3mm，按《GB/T11170-2008不锈钢多元素含量的测定火花源原子发射光谱法分析方法》和《GB/T20124-2006钢铁氮含量的测定惰性气体熔融导热法》检测S1、S2耐蚀层化学成分，化学成分检测结果见表4。

表4 耐蚀层化学成分(%)

表4中铁素体数依据“不锈钢焊缝金属WRC-1992(Fn)”计算得出。从表3、表4数据可看出：S1、S2试板熔敷金属中主要化学元素满足表1的要求，铁素体数均在3～8之间，满足加氢堆焊技术条件的要求。

2.4 耐蚀层力学性能检测

垂直于焊道方向自S1、S2试板截取大侧弯和小侧弯侧弯试样各两件，按《GB/T2653-2008焊接接头弯曲试验方法》进行常温弯曲180°试验，均合格。

1.2.4.2 悬浮细胞干重变化 悬浮细胞干重的测定方法：每隔2 d，将悬浮培养物全部倾倒至50 mL离心管中，静置1 h，尽量去除上清液，放置60℃烘干箱中，烘至恒重记录数据。每次试验设置3组重复。

按照《GB/4340-20091金属材料维氏硬度试验》对S1、S2耐蚀层横截面进行硬度HV10 检测，耐蚀层表层HV10 平均值181．7 ； 耐蚀层过渡层HV10平均值为184．0。加氢堆焊技术条件要求堆焊层硬度 HV10应大于 180，堆焊层硬度HV10≤245。

图2 法兰梯形槽密封面(槽)示意图及焊接图

2.5 焊接接头金相组织分析

按照《GB/T13298-1991金属显微组织检验方法》对耐蚀层金组织相分析，S1/S2堆焊层表层金相组织为奥氏体+少量铁素体，S1/S2过渡层金相组织为奥氏体+少量铁素体，如图3所示。

图3 S1、S2金相组织

2.6 晶间腐蚀试验

平行于焊道方向自S1、S2试板耐蚀层截取各两件试样，按照《GB/T13298-1991金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》中硫酸-硫酸铜法试验：两件试样经硫酸-硫酸铜腐蚀后，弯曲180°外表面均为出现晶间腐蚀产生的裂纹，均合格。

2.7 T型槽密封槽的试验

2．7．1焊态下采用磁性法，按《GB/T1954-2008 铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》检测分别检测S3、S4试板T型槽B、C、D面的表面铁素体，检测结果如表5所示。

表5 耐蚀层表面铁素体数

从表5数据可看出：S3、S4铁素体数均铁素体数均在3～8之间，满足加氢堆焊技术条件的要求。

2．7．2对S3、S4试板T型槽密封槽在小立车上分层解剖[3]，堆焊层每车去1mm按NB/T47013．5进行一次100% PT检验，均合格。

3 产品密封面(槽)的焊接技巧

通过上述试验证明，通过该国产的密封面自动堆焊设备，国产和进口不锈钢CO2气体保护药芯焊丝均可以实现平面法兰密封面和T形槽法兰密封槽的自动堆焊。通过实际在生产中总结，下列焊接技巧可进一步提高焊接质量：

(1)在产品焊接过程中，引弧前通气5s，引弧时间1．5s，停弧时间2．0s，焊丝干伸长度为(15～25)mm。

(2)法兰平面密封面，同层焊接过程中，若逐道清除药皮，需打磨清除焊接飞溅，且会损伤耐蚀层表面；不逐道清除药皮，并不会在耐蚀层内部及表面造成焊接缺陷。

(3)法兰T型槽密封槽，密封槽B、C、D面，耐蚀层内部易出现夹渣、气孔等焊接缺陷。在焊接过程中逐道清理药皮，并焊接完毕一层后采用不锈钢专用砂轮打磨或机加工该层表面，可大幅提高焊接质量。

4 结论

(1)国产的密封面自动堆焊设备可实现法兰密封面(槽)的FCAW自动堆焊，堆焊法兰密封面(槽)的不锈钢耐蚀层均满足目前加氢设备堆焊技术条件要求。

(2)国产的密封面自动堆焊设备对焊材及工件形状适用较广，对于法兰平面密封面可实现完全自动自动堆焊，对于法兰T形槽密封槽在人工辅助下完成自动堆焊。

(3)国产FCAW自动堆焊堆焊设备已在法兰密封面(槽)耐蚀层堆焊的实际生产中得到稳定的应用，采用合理的焊接规程，可较大提高了法兰密封面(槽)的堆焊质量和生产效率。

[1]张鹏林,赵文军,周涛,等.不锈钢药芯焊丝堆焊技术在在压力容器中的应用[J].电焊机,2006,(12):60-62.

[2]李文霞,乔岩莉,殷咸青.加氢反应器接管法兰内壁药芯焊丝堆焊工艺研究[J].现代焊接,2015，(4)：31-J34.

[3]张璞临,兰明,栗卓新.CO2气体保护不锈钢药芯焊丝用于法兰密封面(槽)堆焊的工艺[J].焊接技,1999,(3):14-16.

Application of overlay welding technique using FCAW in fl ange sealing surface

LIU Bao-jian Kang Jian-qiang Qin Zhi-kang

The anticorrosion layer of flange sealing surface(groove) is welded by the domestic automatic overlay welding equipment to improve the welding quality of FCAW,increase production ef fi ciency and reduce cost of production. The anticorrosion layer of fl ange sealing surface(groove)is welded with the domestic and foreign CO2gas shielded fl ux cored wire and the appropriate welding process to meet the technical requirements of the hydrogenation equipment.

FCAW automatic welding;Flange sealing surface; Domestic welding equipment;Welding skill

顾晓军，中国石化上海高桥石油化工有限公司物资装备中心 设备电仪部部长。