摘要：本文主要进行了汽轮机高压阀门接管自动化焊接技术的研究及应用。通过试验验证了窄间隙2G横焊位自动TIG焊在阀门接管焊接生产中的可行性，通过可行性试验及产品模拟件试验，成功总结出阀门接管自动焊工艺参数，并顺利的将该技术应用于汽轮机高压阀门接管的生产，使我公司在阀门焊接制造达到了国内同行业的先进水平。
关键词：自动焊；窄间隙TIG；阀门接管
0前言
近年来我国超（超）临界汽轮机为了提升发电效率，在不断提高汽轮机蒸汽参数，这对汽轮机高温部件的制造提出了更高的要求。随着蒸汽参数的提升，汽轮机高压阀门的壁厚也逐步增加，传统的阀门接管主要用SMAW、GTAW方式，对高技能焊工的依赖性极高、生产效率低，焊接质量难以保证。随着我国的自动化焊接设备制造水平的发展，开展阀门接管自动化焊接工作，对于提高汽轮机高压阀壳产品质量，缩短生产周期，降本增效具有重要意义。
1 汽轮机高压阀壳结构
汽轮机高压阀壳通常为铸件，主要采用珠光体耐热钢或者马氏体耐热钢材料，合金元素含量较高，为了与现场管道焊接通常需焊接接管进行过渡，接管主要采用锻件，材料主要是P22、F91或F92材料。汽轮机高压阀壳工况恶劣，进汽压力大、温度高，高压阀壳典型结构见图1所示。阀壳与接管焊缝较深，坡口开口尺寸大，为保证产品质量，需要进行多次焊接、热处理、RT探伤，生产周期长，焊材利用率低，焊工的劳动强度大。开展接管自动化焊接研究工作，对于提高材料利用率、提高产品质量，缩短生产周期，降本增效，以及降低工人劳动强度方面具有重要意义。
2阀门焊接自动化设备应用现状及阀壳自动焊设备结构研究
电力装备制造行业中对大厚管焊接也一直在探索自动化焊接，选择方向主要是窄间隙（热丝）TIG焊接。窄间隙TIG焊既遗传了常规TIG焊接质量好，适用材料广泛、可控参数多，适合各种位置的焊接及全位置焊接的优点，减少焊接量，提高生产效率，同时缩小热影响区范围，降低焊接接头的残余应力与残余变形，显著提高了焊缝的综合力学性能[1]。核工业工程研究设计有限公司引进加拿大LIBURDI公司的全位置脉冲TIG自动焊机，对核电站主回路管道进行焊接试验研究[2]。唐山开元机器人系统有限公司从2007年开会与日本巴布科日立（Babcock-Hitachi）公司展开技术合作，积极引进日立公司在核电制造方面的先进焊接技术装备，共同研究开发全位置窄间隙热丝TIG焊接系统，从而更好地满足我国核电制造快速发展的需求[3]。针对产品特点，与国内外主要自动焊设生产厂家进行了多次技术交流，并实地考察了相关设备的工作情况，最终确定了采用2G横焊位、窄间隙坡口、十字悬臂导轨加联动旋转工作台的设备结构进行高压阀壳接管窄间隙自动焊。该方案更为实用，生产效率更高，质量更为稳定，工件采用插入式止口装配，该方案设备结构见图2所示。
图1 汽轮机高压阀壳 图2 转台式阀门接管窄
结构示意图 间隙TIG焊设备示意图
2.1转台式结构方案工艺性试验研究
考虑设备的技术成熟度及设备成本，为验证前期构想的可行性降低设备应用风险，同时验证窄间隙横焊位的适用性，进行工艺性验证焊接试验，选用碳钢材料，加工成窄间隙坡口，进行2G横焊位焊接。试件焊后对焊缝进行RT检验，并对焊缝截面进行了检验。
图3 试验焊缝成形情况 图4试验件断面解剖检验
通过窄间隙2G横焊位TIG焊接可行性验证试验，发现该方案焊缝成型较好，表面鱼鳞纹光滑，焊缝内部没有发现缺陷，侧壁熔合较好。初步验证了2G横焊位置、窄间隙实现深坡口焊接的可行性，设备厂商根据该方案按照我公司对产品结构的要求进行窄间隙2G横焊位TIG自动焊设备的生产制造。
2.2 产品模拟件焊接工艺评定试验
设备完成制造进行产品模拟件焊接试验，模拟件根据产品结构进行了适当简化，模拟件选用ZG15Cr1Mo1V铸件与F91锻件进行焊接，试验选用ER55-B2-MnV(R317 )低匹配焊丝进行焊接，焊前采用局部加热方式进行预热，焊后进行了去应力热处理和RT探伤，然后对接头进行解剖进行常规力学性能检验及宏观、微观金相检验。模拟件焊接接头拉伸及弯曲性能表1。
表1 模拟件焊接接头拉伸及弯曲性能
对模拟件焊接接头进行了分层取样，以检验不同位置焊缝强度，从表1看，焊接接头抗拉强度高于两侧母材标准要求，各个位置焊缝强度相差不大。通过侧弯试验，验检验焊接接头的完好性和塑性。整个接头塑性较好。对模拟件焊缝及两侧热影响区进行Charpy-V冲击试验，以检验整个焊接接头的韧性，试验结果见表2。
表2 模拟件焊缝冲击功
对模拟件焊缝进行了宏观及微观硬度检验，从宏观金相上可以看出焊缝接头没有焊接缺陷，焊缝与两侧母材熔合较好，道与道、层与层之间搭接较好，热影响区范围较小，如图5所示。
图5 模拟件焊缝宏观金相 图6 焊接接头硬度分布情况
然后对焊缝上、下表面进行了微观硬度检测，见图6所示。从图中可以看出，焊接头区域硬度分布近似成为M型。F91侧热影响区硬度最高，这是由于F91侧母材淬硬性强，焊接过程中由于快速冷却产生淬硬组织，靠近ZG15Cr1Mo1V母材区存在一个回火软化区，该区域在焊接过程中温度高于其母材回火温度形成软化区。通过RT检验和理化性能检验，接头没有发现焊接缺陷，接头的力学性能优异，拉伸及弯曲试验均满足标准要求。
3 结论
通过前期设备调研、工艺性试验、模拟件试验，产品焊接试验等一系列的技术研究，成功将窄间隙2G横焊自动TIG方案应用于超临界350MW及600MW高压阀壳接管焊接。该技术方案缩短了阀门产品焊接制造周期，并对汽轮机其它高温部件自动焊接技术的推广有重要的借鉴意义。
参考文献：
[1] 林金平，吴崇志.窄间隙焊技术在核电建设中的应用[J],电焊机，2011,41(9)：16-20.
[2] 王海东，任伟，裴月梅等.压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究[J],电焊机，2010,40(8)：21-27.
[3] 唐山开元机器人系统有限公司，窄间隙焊接系统二[J],现代焊接，2009，（7）;25-26.
论文作者:刘友东,毛桂军,杨建平
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
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