法蘭密封面全位置TIG自動焊接設備及工藝

王彥坤， 段莉蕾

（一重集團大連核電石化有限公司技術中心， 遼寧 大連 116113）

隨著石化壓力容器行業制造技術的不斷發展， 自動化程度的要求不斷提高， 對產品制造提出了新的挑戰。 加氫反應器法蘭密封面耐蝕層的堆焊， 作為生產中重要環節之一， 其焊接質量和生產周期尤為關鍵[1-3]。 傳統法蘭密封面的堆焊采用手工電弧焊工藝， 堆焊后密封面凸凹不平，加工難度大， 加工時間較長。 同時， 密封面加工后PT 探傷往往存在缺陷， 返修率較高， 增加了生產成本和生產周期[4-5]。 另外， 為滿足產品技術要求， TP347 不銹鋼法蘭耐蝕層需要加氫反應器整體熱處理后進行堆焊， 但由于容器整體高度和質量的原因， 在車間內只能處于臥式狀態下焊接， 而此時人孔法蘭則為立式全位置焊接狀態，難度較大。 因此， 研究開發了一種法蘭密封面全位置TIG 自動堆焊設備和工藝。

本研究設計的法蘭密封面全位置TIG 自動堆焊設備和工藝， 可根據不同位置的焊接工藝要求， 通過電氣控制對密封面全位置分區， 并在不同區域調整焊接工藝參數， 完成自動堆焊， 并且通過了堆焊工藝評定。 該裝備和工藝的應用， 有效解決了傳統手工堆焊存在的弊端， 優化了焊接工藝， 提高了焊接質量， 降低了生產成本， 有助于實現石化壓力容器產品的自動化生產。

1 法蘭密封面結構

常規加氫反應器中人孔法蘭、 卸料管法蘭、底部彎管法蘭和法蘭蓋等部件都有耐蝕密封面，其結構為U 型， 如圖1 所示。 密封面中心直徑為200～1 200 mm， 兩側斜面角度為23°。 法蘭主體材質為12Cr2Mo1， 為達到密封面的耐蝕要求， 密封面需要堆焊過渡層TP309L 和復層TP347， 堆焊層總厚度≥6.5 mm， 復層TP347 的最小有效厚度≥3 mm， 且法蘭最終熱處理后堆焊TP347。

圖1 法蘭密封面結構示意圖

2 焊接設備及其使用方法

2.1 結構及功能

法蘭密封面全位置TIG 自動焊接設備由六爪自定心電動卡盤、 伺服旋轉機構、 焊接機頭、電控系統、 焊接電源和冷卻水箱等組成， 可滿足法蘭立式和水平兩種狀態的密封面堆焊， 焊接設備結構如圖2 所示。 其中， 卡盤卡緊范圍為Φ200 mm～Φ1 800 mm， 卡盤上盤面由伺服電機驅動回轉機構， 線速度可在80～1 000 mm/min 間無級調節， 卡爪卡緊過程采用6 個電動卡爪聯動進給。焊槍角度調整機構能夠滿足焊接U 型槽內斜面、立面、 外斜面焊槍姿態調整的需要[6-7]， 角度可變 范 圍 為±45°， 其 上安裝AVC 模塊， 可 實現AVC 弧壓跟蹤， 跟蹤速度為40～200 mm/min。 焊接機頭調整橫梁能夠滿足不同直徑密封面調整焊槍回轉半徑的需要。 焊接機頭、 送絲機構及焊接調整裝置均安裝在回轉盤面上， 設備回轉中心位置安裝水、 電、 氣轉換裝置， 機頭可實現無限回轉焊接[8-9]。 控制系統為整套設備的核心， 可實現全位置焊接過程的自動控制， 主要功能是完成全位置焊接分區（最多24 個）， 對焊接規范和焊接程序進行設定。 包括分區焊接電流、 AVC 電壓、 焊接速度和送絲速度等的設定。 控制系統內還包括旋轉伺服控制和送絲控制， 全部采用遠程控制盒操控。

圖2 法蘭密封面焊接設備結構示意圖

2.2 使用方法

根據法蘭密封面全位置TIG 自動堆焊設備設計要求， 安裝調試后需進行焊接試驗。 安裝調試時， 首先將設備套入法蘭外側， 通過遠程控制調節六爪電動卡盤， 使其裝卡在法蘭外側并鎖緊， 同時確定設備焊接的回轉中心； 其次， 手動調節焊接機頭在橫梁上的位置以及焊槍角度， 使焊槍到達密封面適當位置， 與待焊面呈一定角度； 然后， 通過遠程控制盒進行旋轉、 AVC 模塊和水電氣的測試；最后， 確定焊接起始位置、 全位置分區數量和焊接移距， 并進行焊接電流峰基值、 焊接速度、 送絲速度和AVC 跟蹤電壓等的設定。 在自動焊接過程中，伺服回轉機構控制回轉盤帶動焊槍圍繞法蘭進行轉動焊接， 同時可通過遠程控制盒對焊槍位置進行微調， 也可實時觀察、 調整焊接工藝參數。

3 法蘭復層堆焊工藝試驗

3.1 試驗過程

在法蘭密封面TP347 耐蝕層全位置堆焊中，堆焊位置包括立面、 R 角和2 個23°斜面， 如圖3所示。 根據密封面和焊槍的結構形式， 確定的焊接順序為： 先從外側R 角向中間焊接， 然后再從內側R 角焊到搭接處； 之后再從外側R 角起焊外斜面， 最后焊接內斜面。 為保證密封面內所有焊接區域堆焊層厚度均勻一致且成形良好， 將根據密封面直徑大小確定分區數量， 最多將全位置分成24 個焊接區域（起始位置在3 點鐘方向，按順時針方向排列）， 同時對每個區域進行焊接參數調試， 并且調整焊槍與工件角度。 當進行密封面邊緣及立面最后一道焊接時， 需根據實際情況調整焊槍角度、 移距和焊接工藝參數等， 以使堆焊層搭接處平整且均勻一致。

圖3 法蘭密封面全位置堆焊示意圖

3.1.1 立面和R 角試驗

在立面和R 角全位置焊接試驗過程中， 全位置焊接包含橫焊位和立焊位， 并且立焊位又存在上坡焊和下坡焊。 相關研究[10-13]表明， 在此位置焊接過程中， 熔池主要受電弧力、 重力、 表面張力的影響， 下坡焊時在電弧熱的作用下， 熔池具有下淌趨勢， 為保證焊道厚度和寬度均勻， 可適當增大焊接送絲速度、 峰值電流， 降低電弧電壓；而上坡焊時具有相反趨勢， 通過反向調整參數保證焊道成形良好。 在實際試驗調試過程中， 先對R角和立面位置不分區焊接， 根據不同區域焊道寬度和厚度的差異， 逐漸增加焊接分區數量直至焊道寬度和厚度達到工藝要求， 且焊道形貌良好，期間相應調整焊接參數和焊槍與工件的角度。 焊接分區的確定， 要盡量減小相鄰兩區間焊接參數的變化， 特別是送絲速度的變化。 同時， 起始焊接位置的直徑和換道移距也需要通過試驗確定。 經過試驗， 能夠獲得成形良好且厚度均勻一致的堆焊層。

3.1.2 斜面試驗

相對于法蘭中心軸線， 2 個23°斜面可分為外斜面和內斜面， 而斜面的焊接相當于6G 位置， 包括平焊、 立焊和仰焊。 相關研究[10-13]表明，仰焊過程中熔池受到重力作用影響， 焊縫塌陷傾向較大， 會影響到焊接成形和質量。 因此， 針對仰焊區域， 在試驗過程通過適當降低峰值電流、電弧電壓， 增加焊接速度和減少峰值停留時間來減少熱輸入， 以減少仰焊焊縫下塌現象。 同立面和R 角試驗一樣， 外斜面先采用不分區進行全位置焊接， 根據不同位置焊道寬度和厚度差異，并參考立面和R 角的工藝參數， 再將全位置分區并調整相應分區的焊接工藝參數和焊槍與工件的角度， 可獲得焊道寬度、 厚度和成形良好的堆焊層。 同理， 內斜面焊接試驗也根據密封面直徑大小確定分區數量， 內斜面不同區域的焊接工藝參數理論上與外斜面相關區域呈一一對應， 在實際過程中僅需對個別區域參數進行微調即可[14-15]。

3.2 焊接工藝

法蘭密封面TP347 層的立面、 R 角和2 個23°斜面的焊接試驗表明， 中心直徑1 200 mm 的密封面全位置焊最多分為24 個區域， 并匹配各個區域焊接參數以及焊槍與工件的角度， 可獲得厚度均勻、 成形良好的堆焊層， 如圖4 所示。 焊接工藝參數見表1， 其中， 換道移距4 mm， 搭接量2.5 mm，氣體流量15 L/min， 鎢極直徑3.2 mm， 焊接材料為ER347 焊絲， 焊絲直徑1.2 mm。

表1 法蘭密封面全位置焊接工藝參數

圖4 法蘭密封面全位置焊接形貌

3.3 工藝評定

采用上述焊接設備和工藝參數， 按照NB/T 47014—2011， 對主體12Cr2Mo1 法蘭密封面進行不銹鋼耐蝕層全位置TIG 堆焊工藝評定試驗。

3.3.1 化學分析

按照GB/T 223 在焊態耐蝕層表面及以下3 mm深度以內熔敷金屬取樣進行化學分析， 檢測結果見表2， 滿足產品技術要求。

表2 耐蝕層化學成分檢測結果

3.3.2 金相組織

用光學顯微鏡觀察母材、 熱影響區、TP309L 過渡層和TP347 耐蝕層的顯微組織，觀察結果如圖5 所示。 母材為貝氏體回火組織， 熱影響區為貝氏體回火組織， TP309L 堆焊層為奧氏體+鐵素體組織， TP347 耐蝕層為奧氏體+鐵素體組織， 并且200 倍觀察未發現焊接缺陷。

圖5 母材+堆焊層顯微組織

3.3.3 晶間腐蝕

按照GB/T 4334—2008 方法E——不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法的相關規定， 在堆焊層表面取焊態和敏化態 （650℃、 2h） 試樣，檢測堆焊層晶間腐蝕性能， 試樣尺寸80 mm×20 mm×3 mm。 酸煮腐蝕試驗后， 經過彎曲試驗均未發現試樣出現晶間腐蝕裂紋傾向， 滿足產品技術要求。

3.3.4 彎曲試驗

取大、 小橫向側彎試樣各4 件， 其中2 個試樣長軸垂直于堆焊方向， 2 個試樣平行于堆焊方向。 大側彎試樣尺寸10 mm×30 mm×200 mm，小側彎試樣尺寸3 mm×13 mm×160 mm。 按照NB/T 47014—2011 相關要求進行彎曲試驗， 彎心直徑4a， 彎曲角度180°， 彎曲面均未發現缺陷， 滿足產品技術要求。

3.3.5 硬度試驗

在試件斷面測量母材、 過渡層、 表層顯微硬度， 各測5 個點， 檢測結 果見表3， 硬度值≤248HV10， 表 面TP347 層 硬 度 值＞180HV10，滿足產品技術要求。

測試位置母材熱影響區HV10 186、 188、 187、 180、 185 190、 195、 192、 194、 198 TP309L 層TP347 層207、 204、 201、 200、 205 221、 219、 218、 220、 223

3.3.6 鐵素體含量

通過表2 化學成分， 按照不銹鋼焊縫金屬WRC-1992 （FN） 圖計算鉻當量Creq 和鎳當量Nieq， 測算δ 鐵素體含量 （FN） 為6.97， 滿足技術要求 （FN 為3～10）。 其中Creq=Cr+Mo+0.7Nb， Nieq=Ni+35C+20N+0.25Cu。 在焊態下，采用AWS A4.2 《測定奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼焊縫金屬中δ 鐵素體含量和磁性測定儀器的標定標準方法》， 通過磁性法在打磨的堆焊層表面測量6 點FN， 分別為6.6、 5.9、 7.1、6.8、 5.8 和6.7， 滿足要求。

3.3.7 無損檢測

按照JB/T 4730.5 對耐蝕層加工后的法蘭密封面進行100%滲透探傷 （PT）， 線缺陷及圓缺陷質量等級均為Ⅰ級， 滿足產品技術要求。

工藝評定結果顯示， 試樣性能指標滿足技術要求。 在試驗檢測中發現， 全位置分區焊接未對密封面硬度、 鐵素體含量等指標產生不利影響。

4 結束語

通過對法蘭密封面全位置TIG 自動堆焊設備及工藝的開發、 研究， 實現了密封面耐蝕層的自動化焊接， 全位置最多分為24 個焊接區域， 通過對不同焊接區域工藝參數進行調節， 能獲得焊接質量和成形良好的堆焊層， 并且焊接工藝評定結果滿足產品技術要求。 同時， 解決了傳統采用手工焊接存在的問題， 有效提高了產品自動化生產程度。