大型焊接件的氧乙炔火焰加热正火

来源:陕西国防工业职业技术学院作者:李学成

某公司产品水轮机是将水流的能量转换为旋转机械能的动力机械设备,用来带动发电机运转,以获得电能。水轮机有一个非常重要的部件就是磁隔圈(见图1),材料通常为Q345R钢,采用4块成型圆弧板组装焊接而成。焊后尺寸:直径10000mm,高2000mm,壁厚165mm,重约40余t。

磁隔圈外形图

图1 磁隔圈外形图

1、磁隔圈的焊接及存在问题

1.1、焊接

由于磁隔圈壁厚165mm,整体结构比较庞大,生产过程很难采用翻转装置实现四条焊缝的平位置焊接。为了提高生产效率,降低生产成本,经综合比较各种焊接方法,选择了丝极电渣焊进行焊接。焊接工艺参数见表1。

表1 磁隔圈的焊接工艺参数

磁隔圈的焊接工艺参数

1.2、存在问题

表1数据表明,电渣焊线能量较大,均值约32000J/cm,而其他焊接方法的焊接线能量约为16000J/cm。因此,采用电渣焊焊后会使焊接接头热影响区、焊缝区晶粒粗化(见图2,晶粒尺寸约为1.0~1.5mm,图中左侧为焊缝区,右侧为热影响区),必将引起整个水轮机结构冲击韧度急剧下降,最终导致水轮机结构在使用过程中提前失效。所以焊后必须进行细化晶粒的热处理,以提高冲击韧度,满足产品的使用性要求,提高使用寿命。

图2 磁隔圈焊缝区显微组织×200

 磁隔圈焊缝区显微组织

2、焊后热处理

焊后热处理是指焊接完成后,为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理。JB4708-1992中焊后热处理种类有:消除应力处理,正火,正火加回火淬火加回火。根据磁隔圈的使用要求,我们选择的焊后热处理方法为正火,其作用是消除焊接应力,均匀、细化焊缝和热影响区的组织,消除焊缝在焊接过程中产生的氢脆,以使焊缝金属与母材金属更好融合。

2.1、加热与保温

(1)根据磁隔圈的生产批量(单间小批量)、产品结构(大圆柱中空结构,四条均布焊缝)、尺寸、质量、技术要求、生产条件(立位放置)等,决定选用氧气与可燃性气体乙炔的燃烧热作为热源。

(2)加热工具为射吸式火焰加热器,一排有3个五号喷嘴(同射吸式焊炬H01-20,五号喷嘴),喷嘴间距50mm,喷嘴可加热区域100~150mm,筒体内外侧焊缝各布置适当数量加热器。

(3)火焰种类为中性焰。根据企业条件,氧气压力0.7~0.8MPa,乙炔压力0.05~0.12MPa。

(4)加热器喷嘴与工件间的距离5~10mm,上下往复移动,保证均匀加热。

(5)加热区域为焊缝及热影响区,总宽度约150mm。加热带以外部分应进行保温处理。

(6)加热温度910~920℃(钢材表面加热时的颜色淡桔色,偏亮)。

2.2、冷却

由于工件较厚(165mm),加热完成后如直接空冷,冷却速度较慢,得不到所需要的正火组织。在实际生产过程中,为提高空气的冷却速度,加强散热,采用轴流风机进行风冷。轴流风机型号T35,风叶直径900mm,功率1.25kW。实施风冷时,风机头距焊缝1000~1800mm,每条焊缝布置4台风机进行冷却(筒体内外各两台),上下各一台,风机头可上下摇摆,以保证高温区均匀冷却。

2.3、结果

磁隔圈焊接和按以上规范火焰加热、风冷正火后,焊缝区的显微组织如图3所示,为细小的珠光体和铁素体,晶粒尺寸0.01~0.05mm,均符合要求。

磁隔圈经火焰加热、风冷正火后焊缝区的显微组织

图3 磁隔圈经火焰加热、风冷正火后焊缝区的显微组织×400

3、结束语

大型焊接件,为了细化焊缝区的组织,提高焊接接头的韧性,延长结构件的使用寿命,采用火焰加热、风冷正火处理是可行的,这种正火工艺不需大型工业加热炉,简便易行,成本低廉,值得推广应用。