CMT堆焊锅炉水冷壁的变形及控制

韩 雪，刘爱国，龚 翼，郑成博

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

锅炉水冷壁由于腐蚀、冲蚀磨损等原因造成管壁减薄甚至爆管的现象严重威胁着发电厂的安全经济生产，因此需要对锅炉水冷壁管排进行防护[1]。目前防护方法主要为热喷涂。热喷涂具有工艺灵活、生产效率高、易于现场施工等优点，但使用热喷涂方法得到的涂层存在结合强度不高、涂层有孔隙、在使用过程中容易脱落等问题[2]，不适合使用在腐蚀性非常强的工况中，如垃圾焚烧锅炉的防护。堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于工业中。利用堆焊方法在焊件表面可以获得耐热、耐磨、耐蚀等特殊性能的熔敷金属层，能显著提高焊件的寿命[3]。

堆焊层的防护性能除取决于其成分外，还受焊层稀释率的影响；稀释率越高，意味着泛铁现象越严重[4]，堆焊层的防护效果越差。降低稀释率，需要低热输入的焊接方法。冷金属过渡(Cold metal transfer，CMT)焊接，是一种短路过渡的焊接方法[5]，与传统焊接方法相比具有极低的热输入[6]，适合锅炉水冷壁的堆焊。

刘阳等[7]研究了Q235钢表面CMT堆焊310不锈钢的组织与性能，堆焊层成形良好，无宏观缺陷，堆焊层与基体结合界面处无气孔、熔合不良、夹杂、裂纹等焊接缺陷；堆焊层的稀释率低，熔合比非常小，可以用于锅炉水冷壁的堆焊。堆焊时管排受到不均匀加热，在堆焊完毕完全冷却后会存在残留应力和变形，所以热输入越低，焊接变形越小。CMT堆焊虽然热输入极低，但堆焊时的高温依然会使锅炉水冷壁管排变形，变形严重会影响锅炉水冷壁的安装、使用。控制焊接变形的方法有预变形法、反变形法、刚性固定法、减小焊缝的热输入、合理安排焊接顺序、焊后热处理等方法[8]。本文对CMT堆焊锅炉水冷壁的变形问题进行研究，分析变形产生的规律，采取刚性固定法控制变形，并与自由变形时进行对比。

1 堆焊实验研究

1.1 试验材料与设备

膜式锅炉水冷壁管排的材料为20G，钢管的内径为50mm，外径为60mm，为方便试验进行，所焊接的钢管长度确定为400mm。鳍片材料为Q235，尺寸为400mm×40mm×6mm。焊接锅炉水冷壁管排的焊丝选直径为φ1.2mm的ER50-6，堆焊焊丝直径为φ1.2mm的304不锈钢焊丝。保护气体选纯氩气。堆焊采用Fronius的TransPlus Synergic 4000 CMT焊机，焊接过程由FANU-Robot-RoiA机器人完成，自制焊接试验平台。

1.2 锅炉水冷壁管排的焊接

焊接时，锅炉水冷壁管与鳍片间留出1mm间隙，鳍片开35°左右坡口,以保证焊缝焊透；焊丝端部偏向水冷壁管一侧。焊接锅炉水冷壁管排的参数为：电流155A、电压13.3V、焊接速度2mm/s、气体流量18L/min。

1.3 锅炉水冷壁管排的堆焊

为分析水冷壁管排的堆焊变形规律，进行单根水冷壁管的无拘束堆焊和管排的无拘束堆焊。为尽量减少变形，堆焊时尽可能采用对称的堆焊顺序，单根水冷壁管的堆焊顺序如图1所示，其中的数字表示焊道顺序。

图1 单根管的堆焊顺序

图1中直径1和直径2是两个相互垂直的直径，直径1为水平方向。水冷壁管排的横截面如图2所示。

图2 锅炉水冷壁管排的截面图

由图2可以看出，水冷壁管排待堆焊表面高低起伏、形状复杂。如果将水冷壁管排水平放置进行堆焊，将出现多种不同焊接位置，堆焊层厚度难以保证均匀一致，为避免此种现象，本试验中将水冷壁管排竖直放置，立向下堆焊，如图3所示。单根水冷壁管也采用立向下堆焊，管排的堆焊顺序见图2所示。管排下方的字母A、B、C、D代表管排的编号。

图3 锅炉水冷壁管排的堆焊方向

通过调节焊接电流、电压、焊接速度、焊枪的摆动宽度、摆动频率、焊道两侧停留时间及保护气体流量，对堆焊工艺参数进行优化。堆焊工艺参数如表1所示，堆焊时保护气体流量均为18L/min，焊接电压为13.9V，焊接速度为2mm/s。

表1 锅炉水冷壁管排的堆焊参数

1.4 水冷壁管及管排堆焊变形的测量

单根水冷壁管堆焊，焊道长300mm，内径50mm，堆5道，对称堆焊。堆焊后测量单根管的挠曲、轴向收缩和径向变形。挠曲的测量如图4所示。

图4 挠曲测量示意图

挠曲1为第5道焊缝处的挠曲，挠曲2为第5道焊缝的背面，挠曲2测量时保证两侧的测量值相等。堆焊前在水冷壁管上量300mm，测量堆焊后的长度，两次测量的长度差为轴向收缩。径向变形测量直径1和直径2的值。水冷壁管排堆焊，焊道长300mm，管排宽360mm，同样测量堆焊后水冷壁管排的挠曲量、轴向收缩量和横向收缩。挠曲变形和轴向收缩的测量同单根管堆焊的测量相同，测4根管。横向收缩测管排总体的收缩量。管排编号和管排的宽测量皆如图2所示。

2 水冷壁管排CMT堆焊变形分析

堆焊前单根管和管排放在平面上与平面贴合，用现有测量工具不能测出变形，可认为堆焊前无变形。

2.1 单根水冷壁管无拘束堆焊的变形量及分析

单根管无拘束堆焊时的变形情况如图5所示，图5a为单根管的挠曲量，挠曲1和挠曲2分别为2mm、2.5mm，可以看出堆焊层一侧的挠曲量小于堆焊层的背面。图5b为每道焊缝的轴向收缩，焊缝1～5的收缩量分别为2mm、1mm、4mm、3mm、5mm；由于第2道与第1道为对称焊，第2道对第1道起反变形作用，所以第2道比第1道收缩量小，同理第3道与第4道也是如此，第5道的收缩量最大。图5c为直径1和直径2堆焊后变形量，直径1增加了0.5mm，直径2减少了0.5mm；出现这种情况的原因是堆焊时堆焊部位金属熔化，冷却时焊缝处金属凝固收缩，水冷壁管的其他部位阻止堆焊部位收缩，侧面金属被拉伸，所以直径1被拉长，直径2减小。

2.2 水冷壁管排无拘束堆焊的变形量及分析

无拘束堆焊后的锅炉水冷壁管排如图6所示。

从图6中可以看出，焊缝成型良好，除焊缝熄弧处其余部分无气孔等贯穿缺陷。堆焊后的管排横向和径向变形都较大。

水冷壁管排自由变形时的情况如图7所示。

由图7a可以看到，管排由A到D，挠曲1的挠曲量分别为1.5mm、2mm、2mm、2.5mm；挠曲2的挠曲量分别为2mm、1.5mm、1.5mm、2mm；先堆焊的部位变形较小，后堆焊的部位受前面变形的影响，挠曲量缓慢增加。管排两侧的管背面挠曲量比较大；自由变形时管排由A到D的轴向收缩分别为3mm、4mm、4mm、5mm，管排的轴向收缩量呈增长趋势。

图5 单根管无拘束堆焊的变形情况

3 刚性固定法控制锅炉水冷壁堆焊变形

由于无拘束堆焊单根管与管排的变形程度较大，为减小堆焊变形，采用刚性固定法对堆焊变形进行控制。分别对单根管和管排进行刚性固定，测量堆焊后变形，与无拘束堆焊时做对比。刚性固定方式如图8所示。将钢管焊在测量变形的单根管与管排后面进行刚性固定。单根管刚性固定将一根管焊在待堆焊管的后面。水冷壁管排刚性固定是将管排的每根管后面焊一根管，在管排的上下两侧焊接一根水平方向的管。

图6 锅炉水冷壁管排的堆焊

图7 水冷壁管排无拘束堆焊的变形情况

3.1 单根水冷壁管刚性固定堆焊的变形量及分析

单根水冷壁管刚性固定的变形情况如图9所示。

由图9a可知，挠曲1和挠曲2分别为1mm和2mm，管的堆焊侧的挠曲量小于背面的挠曲量；与图5a相比挠曲1减少1mm，挠曲2减少0.5mm，明显减小了挠曲量。图9b的轴向收缩从第1道到第5道的收缩量分别为1mm、1mm、2mm、1.5mm、2mm，第1、2道收缩量小，后面三道收缩量大，但整体上小于图5b的收缩量。图9c刚性固定堆焊后的直径与图5c相比，直径1增加0.5mm，直径2减少了1mm，变形程度大于自由变形时的变形量；出现这种情况的原因可能是刚性固定时堆焊层的后面用一根管子固定起来，焊接时由于焊缝部位冷却收缩，但固定位置阻止堆焊部位收缩，导致圆管变形严重，所以直径1方向被拉长，直径2被缩短；自由变形冷却收缩时，没有刚性阻挡，任由其收缩挠曲，所以径向变形不大。

图8 单根管和管排的刚性固定

图9 单根管刚性固定堆焊时的变形情况

3.2 水冷壁管排刚性固定堆焊的变形量及分析

水冷壁管排刚性固定时的变形情况如图10所示。

图10 水冷壁管排刚性固定堆焊时的变形情况

由图10可知，管排每根管的挠曲1分别为1mm、2mm、1.5mm、1mm，刚性固定时管排的挠曲中间稍大，两侧稍小；挠曲2分别为1.5mm、1mm、1mm、1.5mm，挠曲2两侧稍大中间稍小；挠曲量均明显小于图7a时的变形量，解决了无拘束堆焊时越到后面变形程度越大的问题。图10b为每根管的轴向收缩，第A～D根管的轴向收缩量分别为2mm、2mm、3mm、3mm，管排的轴向收缩量呈增长趋势，与图7b相比，刚性固定明显减小了管排的轴向收缩量。由图10c可知，管排无拘束变形时的横向收缩量为6mm；管排刚性固定的横向收缩量为5mm，与无拘束变形相比，收缩量略有改善，但改善程度不是很明显。

4 结论

(1)单根锅炉水冷壁管堆焊时，最上面一道焊缝的挠曲量和轴向收缩量最大，侧面的两道轴向收缩量最小，第2道的轴向收缩量要略小于第1道。单根管堆焊后直径1减小，直径2增加，呈椭圆形。

(2)单根管刚性固定时，挠曲和轴向收缩量明显比无拘束变形时减小，可有效控制焊接变形。

(3)刚性固定堆焊锅炉水冷壁管排的堆焊变形量比无拘束堆焊时的变形量小。

此种刚性固定方法虽然不能完全消除堆焊变形，但能有效减小堆焊变形。