哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150046
摘要：真空电子束焊是金属焊接技术的一种，它是利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，从而形成焊缝。本文阐述了汽轮机隔板真空电子束焊工艺试验。
关键词：汽轮机隔板；真空电子束焊；工艺试验
隔板作为汽轮机通流部分的核心部件，主要采用气体保护焊、手工电弧焊及埋弧焊进行焊接生产。近年来，随着大功率机组的不断问世，隔板质量要求愈来愈高，常规的焊接方法由于存在焊接热输入大、热影响区大、焊接变形大等问题，已难于满足大功率机组焊缝质量和尺寸精度要求。
一、隔板材料的真空电子束焊焊接性试验
1、焊接材料。焊接性试验是在特定的条件下，试验考核材料的焊接裂纹倾向。汽轮机隔板电子束焊结构隔板内、外环材料为15Cr2Mo1高、中压部分各级隔板的围带材料Cr11MoV，低压部分隔板的围带材料与内、外环相同，这说明隔板焊缝有两种材料组合。此外，15Cr2Mo1钢属于低合金耐热钢，由于含钼量较高，有很强的淬硬性。当采用常规的电弧焊或气体保护焊，焊接厚度又大于20mm时，如果不预热，就有可能产生100％马氏体转变而引起裂纹。所以为使焊缝热影响区得到贝氏体组织，焊前必须预热，预热温度≥200℃，但要低于马氏体转变温度Mf，才能避免裂纹的产生。Cr11MoV钢属马氏体热强钢。此类钢焊接时有强烈的冷裂倾向。焊后空冷，焊缝和热影响区都是马氏体组织，常规焊接时要预热250℃以上。
2、试件接头设计。由于国家颁布的焊接性试验标准中，没有相关电子束焊的标准，所以采用的焊接接头的设计是非标准的，并且还要受到试验电子束焊设备能力的局限。试件的外形尺寸是结合有实验室电子束焊接设备的实际情况进行设计的。
3、试件焊接参数。试件正式焊接前，根据焊机的工作能力，对各焊接参数进行试焊摸索和筛选。过去所焊接的材料厚度多在30mm以下，为了本次隔板焊接试验，在前期进行了大量试验。开始按之前焊接经验预调焦点位置，在焊接板厚超过40mm后，焊接厚度及成形总不理想，焊接功率增加了许多，但熔深增加不多，经过多次改变焦点位置，在焦点调到离表面较下位置时，焊接深度有了较大提高，使焊接深度达到60mm。
4、焊缝裂纹检验结果。两种材料组合试件均采用电子束散焦预热。焊后每组各解剖1件，以宏观检查（10X）和金相微观检查，所有试件焊缝和热影响区未发现裂纹。
5、焊缝机械性能试验。机械性能试验结果如表1。由其结果可知电子束焊接头拉伸及冲击功指标均能满足基材的要求。
表1 机械性能试验结果
6、试验结果分析。1）电子束焊由于其高能束功率密度，穿透力强，本试验接头深宽比约为6：1，焊缝形状如“钉子形。熔池由液态凝固，冷却速度较快。焊后试件回火，硬度降到300HV左右，满足机械加工的要求。由于焊缝及热影响区淬火倾向大，这就要求在产品结构刚性拘束大时，采用预热工艺，减缓接头区冷却速度，防止接头冷裂纹的产生。2）扫描电镜检验。为了解接头元素成分分布及烧损情况，分别制取15Cr2Mo1+Cr11MoV、Cr11MoV对接金相试样，采用X-650扫描电子分析仪对接头元素c r、Mo、V、S i、Mn进行了研究。根据试验数据，绘出主要舍金元素Cr、Mo、V的成份曲线，由此可知，电子束焊接头焊缝化学成份介于两侧母材成份之间，且接近熔合线存在成份升降区，焊缝化学成份相当均匀。
二、焊接质量全面控制
1、焊接工艺参数的影响和选择。焊接参数主要包括电子束束流、加速电压、焊接速度和聚焦电流等。根据国外试验得出的完全熔透条件下线能量与板厚的关系，即被焊材料和厚度可初步选定工艺参数。当然，在正式焊接前需经工艺试验和工艺评定，对参数进行修正后最终确定生产使用的焊接参数。焊缝截面的深宽比与加速电压是成正比的线型关系；增加电子束流，熔深和熔宽都会增加；而增加焊速将使焊缝变窄，熔深减小。电子束的聚焦状态也是对熔深及焊缝成形有很大影响的重要参数。根据试验，隔板焊接为避免由于电子束的轻微偏移和装配间隙不当所造成的未熔合，在满足熔深的前题下，采用60-70 kV的加速电压较适宜。
2、真空度的影响。真空度不仅影响熔深，而且在真空度不当时，还会引起气孔、元素烧损和氧化等缺陷，焊接时产生的各种气体和金属蒸汽对电子枪也有一定损害。通过试验，隔板焊接真空度在1.333×10-6 MPa以上时才能避免上述缺陷的产生，同时对被焊件材质也提出了一定要求，为减少金属中有害杂质的影响，被焊件应采用锻造件，即隔板的内、外环一般不采用铸件，这是电子束工艺中重要的一环。
3、电子束焦点位置的影响。在给定的电子束功率的条件下，电子束焦点位置也是影响熔深和成形的重要因素之一。经试验，确定A在焊接厚度超过50mm的厚板时，应将焦点调到离表面较远位置，这时焦点位置设定与焊接30-40mm板时完全不一样。
4、异种钢焊接时电子束的偏移问题。异种钢接头由于各自异种钢焊接时焊缝的偏斜物理化学性能的差异，在相互接触和受热时产生电位差，还由于各自吸收电子束能量的能力有差别，其结果会造成焊缝偏斜。
5、材料残磁的影响。材料残磁不仅会造成电子束的偏斜，甚至会引起聚焦紊乱，使焊缝产生各种缺陷，所以隔板材料必须经过退磁后才能进行电子束焊接，并且材料的残余磁场强度要控制在5×10-1 T以下，才能保证焊缝的熔合和成型。
6、工件装配间隙和粗糙度的影响。工件接缝的装配间隙和接合面粗糙度对焊缝质量的影响是直观的，间隙过大会成空洞、未熔合、塌陷等。通过试验得出，工件间隙小于0.2mm，粗糙度低于1.6才可获得良好焊缝。
三、工艺设计
1、结合面点焊。在装配拘束状态，用TI G焊法按以下条件对出汽侧进行点焊。①焊丝R307；②不需预热；③点焊长度100mm/1处，共10处。
2、电子束焊接前的检查。1）更换新灯丝进行焊接时，阴极加热30S，之后才能正常发射电子束进行焊接。2）工件进真空室，用水平仪检验水平度，工件的水平度应调整到0.50以内。3）异种材料接缝，为防止束流弯曲和偏斜，预先使电子枪倾斜一个角度进行修正。4）抽真空：真空度应为6.6661×10-5 MPa。5）启动焊缝跟踪装置，以确认跟踪系统与焊缝的随动性。
3、电子束焊接
1）定位焊。定位焊熔深约为5～6mm，其规范参数由工艺评定试验得出，定位焊顺序按外环侧-内环侧顺序进行。同时，每圈焊缝分为4段，每段间预留100mm间隔作为检测用。出汽侧定位焊后在其中一段焊缝的100mm范围内进行超声波检验，确认对正情况。
2）进汽侧正式焊接。按试验设定参数进行电子束焊接，先进行外环焊缝，然后焊接内环焊缝。
3）出汽侧正式焊接。进汽侧焊后，破坏真空，工件翻身，重新抽真空，按焊接进汽侧同样要领焊接出汽侧。
4、焊后检查。全部电子束焊缝都应进行超声波检查。1）质量控制按汽轮机行业标准进行。2）对因电子束偏移所造成的未熔合缺陷，允许再次电子束焊。3）对严重打火、烧伤等表面凹陷，可机械加工去除，采用氩弧焊或手工电弧焊补焊。
四、结语
总之，真空电子束焊接汽轮机隔板是目前汽轮机制造业的一项先进工艺方法，有着功率度高、精确快速的可控性等显著特点，广泛应用于汽轮机隔板的焊接生产。
参考文献：
[1]孙立权.隔板材料的真空电子束焊焊接性试验[J].焊接，2015.
论文作者:杨庆仁
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/27
标签：电子束论文; 隔板论文; 汽轮机论文; 材料论文; 工件论文; 真空论文; 参数论文; 《基层建设》2018年第15期论文;