电站锅炉用耐热钢激光焊接工艺研究

电站锅炉用耐热钢激光焊接工艺研究

王长山

华能新疆吉木萨尔发电有限公司新疆乌鲁木齐831700

摘要：为了研究不同类型的接头的激光焊接性能，在本文中，采用窄间隙激光填丝焊接技术，对电站锅炉采取常规异种接头激光焊接实验，其对照实验为新型耐热钢同质异种接头激光焊接工艺实验。在常规焊接实验中，我们发现，锅炉背面出现内凹、火口裂纹等瓦问题，在采用新型耐热钢激光焊接时，锅炉并没有出现内凹、层间链状孔洞等问题。基于此，本文将对电站锅炉用耐热钢激光焊接工艺进行研究。

关键词：电站锅炉；耐热钢；激光焊接工艺；研究

前言：传通的耐热钢在实际焊接环节中，不能满足高蒸汽温度以及压力等要求。目前，在很多先进国家中，主要致力于发展566℃以下的Cr—Mo—V钢、566℃的wCr钢等。针对以上钢种进行焊接时，所需要采用焊接技术有埋弧焊、全位置自动TIG焊、混合气体保护半自动焊等。这些普通的焊接技术还不能使得焊缝的韧性达到与母材相当的水平，焊缝随着焊接热输入量增加而影响其焊接程度。而激光焊接技术是一种比较可靠的先进的焊接方式，在航空、汽车制造以及机车等领域广泛应用。基于耐热钢的激光焊接工艺性能，需要在实验对比下体现出来。

1.电站锅炉耐热刚激光焊接实验

1.1实验条件

在该实验中，选择窄间隙激光填丝多层焊接技术，焊接工艺进行的场所比较特殊，需要在未预热或者焊接后，材料被热处理的条件下进行。当条件满足实际需求时，需要判断焊接条件是否对材料内部产生缺陷，并且在表面上是否存在着良好的焊接接头。当焊接完成之后，需要进行RT、PT检验。在实际焊接实验中，不同的填充焊丝，其材质以及规格不同。利用采用T—HR3C焊丝时，其规格为48×10，单位毫米。其材质为HR3C；在采用TGS—50型号的焊丝时，其材质为20G，规格为51×10，单位为毫米[1]。

1.2实验方法

在该电站锅炉用耐热钢激光焊接实验中，激光器为德国Rofin—Sinar公司DC035SlabC02激光器。该激光器各个参数分为为：最大输出功率P—3500W；光束模式为TEM00模；焊接工作台为五轴联动工作台；实际焊接环节中，激光功率在3500W，离焦量为+2mm，聚焦光斑直径为0.26mm。双层喷嘴侧吹保护气，保护气的内层为Ar气，外层是He气。

2.电站锅炉耐热钢激光焊接实验结果分析

2.1材质坡口焊接熔合分析

为了确定在激光焊接实验中的坡口形式，对比两种坡口形式下的焊接情况；在V形坡口焊接中，在坡口一侧将会出现未熔合的现象。当用激光束进行补熔时，由于V型坡口比较难对准激光，当激光束偏离间隙中心时，在V型坡口的顿边厚度比较厚时，使得焊接出现没焊透的情况[2]。

在U型坡口中，以上问题就会减弱，但是U型坡口也存在着较大的问题，在破空间隙中，受到尺寸的限制，使得坡口底部比较容易出现未熔合的情况。同时，当顿边的厚度增加时，也会出现未焊透的情况，当焊接效率比较低下的情况，送丝量增加，就会引起在实际焊接时，出现稳定性降低的问题。在采用U形坡口时，坡口尺寸的优化，以及工艺参数的问题得不到解决。对于坡口尺寸的优化，需要特别注意焊缝背面内凹的情况[3]。

2.2焊缝底部内凹

在激光焊接环节中，比较容易出现焊缝底部内凹的情况。当坡口底部的尺寸比较小时，或者是高合金接头比较容易出现焊缝内凹，同时当工艺参数不合理时，也会出现焊缝的内凹。再实际的焊接环节中，为了避免焊缝内凹情况的加剧，需要对焊缝内凹产生的原因进行分析，并采取合理的措施，减少焊缝内凹。研究人员发现，焊缝的内凹的实际形成与其表面的张力存在着一定的关系。所焊接的材料合金成分、坡口尺寸等都对内凹产生直接影响。其中耐热钢中，只有20G和12Cr1MoVG在焊接环节中不会出现内凹情况。其他耐热钢材料，在同样的条件下，T23、T91、TP347H等焊接材料的焊接时候会出现很大程度的内凹。并且各自内凹存在着一定的差别。其中T23材料以及HR3C的内凹情况最为明显。

造成这样的原因有多种，在T23中，存在着很多难溶元素，使得熔断金属发生粘滞，增加了表面张力，呈现内凹。而在HR3C中，Cr和Ni的元素含量比较大，表面张力增加，坡地的尺寸比较小，容易出现内凹。经过大量的实验表明，提升焊接工艺参数，减小内凹，最为关键的方式就是提升焊接速度。在采用较高的焊接速度之后，焊缝的根部变得很窄，错边的适应力减小[4]。

2.3层间孔洞的出现

在窄间隙激光填丝焊接时，存在最为主要的问题，就是出现层间孔洞的问题。层间孔洞的基本位主要在顿边下方2毫米处，更严重的能够出现在上下2层中间处，使得上下两层都不能进行融合。对层间孔洞出现的原因进行分析，在实际焊接环节中，当小孔深度比较大时，焊丝在高温作业下融化，并将小孔屏蔽。被屏蔽了的小孔熔融金属在实际的金属流动中，其流动性比较差。在工件旋转中，小孔新生成，在熔点比较高的合金加入之后，其小孔中溶液流动性被恶化[5]。

2.4工艺参数优化

经过大量的焊接对比试验，电站锅炉用耐热钢激光焊接工艺，在采用了优化后的焊接工艺参数之后，焊接过程逐渐趋向于稳定。对焊接接头进行分析，焊接接头表面成型比较良好，在实际搭接过程中，过度比较均匀，弧坑比较饱满。当试样抛开后，并没有发现焊透以及未熔合等问题，并且在传统方式焊接中的内凹问题在大体上被消除。同时对焊接头进行RT检验和PT检验，接头合格。

3.实验结论

在实际焊接中，得到了多种接头优化参数，经过大量的实验，能够得出焊接正面、背面等成型良好，并且很少出现内凹的情况，对焊接头进行RT检验和PT检验，接头合格率为100%。在目前有限的实验条件下，焊接接头的常温、高温以及微观组织验证，还需要在未来的研究中不但深入[6]。

结论：综上所述，在本文中为了研究电站锅炉用耐热钢激光焊接的工艺特性，通过多组焊接实验，来分析焊接工艺。在实际焊接环节中，采用不同类型的耐热钢进行焊接，所产生的结果不同。焊接环节中，技术准备，激光功率在3500W，离焦量为+2mm，聚焦光斑直径为0.26mm。双层喷嘴侧吹保护气，保护气的内层为Ar气，外层是He气。对材质坡口焊接熔合、焊缝底部内凹、层间孔洞以及工艺参数优化等方面进行研究。

参考文献

[1]吴世凯,杨武雄,肖荣诗,亓安芳,李忠杰.电站锅炉用HR3C新型奥氏体耐热钢的激光焊接[J].焊接学报,2008,06:93-96+117-118.

[2]陶建平,唐海燕.两种电站锅炉耐热钢的焊接工艺探讨[J].科技资讯,2008,22:37.

[3]肖荣诗,亓安芳,吴世凯.激光焊接技术在电站锅炉制造中的应用前景探讨[J].锅炉技术,2008,05:53-56

[4]吴军.T92钢管焊接接头组织和性能研究[D].山东大学,2008.

[5]陈思杰.耐热钢瞬时液相扩散连接界面结构与强化机制研究[D].西安理工大学,2008.

[6]李忠杰,亓安芳,赵伟珍,肖荣诗.超临界电站锅炉用SA213-T23铁素体耐热钢的激光焊工艺及缺陷分析[J].机械制造文摘(焊接分册),2011,06:16-19.