K-TIG在GE燃气轮机扩散器上的应用

K-TIG在GE燃气轮机扩散器上的应用一．摘要本文通过用K-TIG这种新型焊接方法进行焊接美国GE燃气轮机扩散器外通体环缝，该种K-TIG焊接方法具有效率高，产品质量好，节约焊材成本低等优点。但同时针对实际生产中遇到的装配间隙和错边量等问题提出解决方案，取得令客户满意的效果。二．关键词不锈钢扩散器；K-TIG焊；装焊工艺；质控措施三．前言K-TIG（KeyholeTIGWelding），也叫缩孔TIG焊，它是在传统TIG的基础上，通过大电流（300A）形成的较大电弧压力与熔池的液态表面金属张力实现相对的平衡，形成小孔而实现深熔焊的焊接方法。它和等离子电弧差不多，但和等离子实质还不一样，它是靠自然状态（非压缩电弧）在母材两个面的连接处逐渐的割出一个小孔，然后再结合母材，而不需要填充（也不需要开坡口），节约了焊材，而对于16mm以下钢板，可一次性焊透，做到单面焊双面成型，从而大大提高了生产效率。GEPOWER&WATER美国通用电气集团，世界500强上市公司，其生产的燃气轮机被世界各地发电厂所使用，常见的产品也由原来的F系列（比如6FA/7FA/9FA/9FB/7E/6B等）升级到H系列（7HA.01/9HA.01等），虽说燃气轮机的附件扩散器不是主要受压元件，但是根据GE设计使用寿命和高温等技术要求，也必须制定严格的焊接工艺保证其质量。其中全球首制件7HA.01扩散器，产品总高4726mm，桶身板厚度8mm，材质为ASTMA240/A240M347，外筒下法兰直径4789mm，外筒上法兰直径为3836mm；内筒上法兰直径1665mm，下法兰直径887mm，产品示意图如图一所示。四．正文1.母材焊接性分析347不锈钢板是按照美国ASTMA240/A240M标准生产出来的不锈钢的一个牌号。347不锈钢板相当于我国的0Cr18Ni11Nb不锈钢板。347属于奥氏体不锈钢的一种。奥氏体不锈钢在焊接过程中如果工艺制定不合理容易出现：1）.晶间腐蚀（包括刀状腐蚀）焊缝在450——850℃温度区间停留，或在焊接热循环下，加热至450——850℃的热影响区内，不锈钢中的碳和铬形成碳化铬，使晶粒边界处奥氏体局部贫铬，丧失耐腐蚀能力的现象（即沿晶粒边界发生腐蚀）。晶间腐蚀的特点：外观仍有金属光泽，但困晶粒已失去联系，敲击时失去金属声音、钢质变脆。一般认为650℃为晶间腐蚀敏感温度，奥氏体钢焊缝或热影响区，只要在这个温度停留十几秒到几分钟，就会产生晶间腐蚀。2）.热裂纹焊接不锈钢时，焊缝和近缝区会产生裂纹，而且主要是热裂纹、其原因为：①奥氏体不锈钢的导热系数小和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大拉应力。②奥氏体钢焊缝易形成方向性强的粒状晶组织，促进了有害杂质偏析，易形成晶间液态夹层，增大热裂倾向。3）.脆性б相析出奥氏体不锈钢焊缝，在650——850℃停留时间过长时，也有可能象铁素体不锈钢一样，析出一种硬脆（HRC≥60）、无磁性的金属间化合物（主要成分是铁和铬及小量的镍一б相）。由于这种脆性相的析出割断了晶间的联系／使该处的塑性和韧性严重降低，而且抗晶问腐蚀性能也有所下降。2.不锈钢347化学成分和力学性能347不锈钢板含Nb提高耐晶间腐蚀性，具有强度提高，塑性不降低，使材料的厚度减少，关键是耐高温，所以美国GE选用改材料为扩散器结构部件。3.焊接工艺制定a）焊接方法桶身板与法兰或桶身板与龙骨的环缝焊接原来一直使用传统手工钨极氩弧焊，最开始是开单面V型坡口，不留间隙，正面焊完后背面清根，然后封底焊完，这种传统的工艺虽然已经很成熟，也被许多公司所使用，但是背面清根不光造成车间空气质量下降，噪声等污染外，还可能会清根清偏掉，不利于焊接质量的保证。当然也可以加大装配间隙使用单面焊双面成型技术，但是对焊工操作水平要求相对较高。因短期内公司焊工焊接水平有限，后来又使用双面氩弧焊焊接技术，就是两个焊工同时在两侧同步施焊，主焊工在正面填丝，背面辅助焊工根据实时观察的熔池情况加或不加焊丝，这项技术要求两个焊工的配合默契度要求高。最后公司结合实际情况，在大量实验的基础上，借鉴国外优秀焊接经验的前提下，经综合考虑决定使用新的高效焊接方法K-TIG焊接技术进行焊接环缝。b）焊接材料第一层：不用；第二层：AWSA5.9-2012ER347Φ1.2mm备注：第二层仅起美化焊缝的作用，尤其是焊后余高和咬边等，也可以不用，具体需要看材质和板厚的情况，一般8mm以下可以不用焊第二层，直接焊接一层就可以了。ER347焊接性分析ER347是按照美国标准AWSA5.9-2012生产出来的，其对应的UNS号为S34780，相当于我国的H08Cr20Ni10Nb，ER347的化学成分见表三，力学性能见表四ER347是在20Cr,10Ni的基础上增加稳定元素铌（Nb）,铌减少晶间碳化铬的可能性，从而降低晶间腐蚀的敏感性。虽然铌是稳定元素，但是金属钽（Ta）也存在，钽与铌在高温方面起到几乎相同的作用，但是如果由于母材的稀释产生低铁素体或纯奥氏体焊缝金属，焊缝的裂纹敏感性会明显提高，所以焊接时需要特别注意。4.装配工艺制定1）.零部件制作法兰，龙骨，桶身板，先按图纸下料（注意留余量），然后定位，焊接，按GE内部标准P8A-AG1目视检验合格以后经无损探伤合格后法兰、龙骨及桶身板两端按图纸要求进行机加工。需要注意的是如果探伤不合格，需按照工艺返修，返修后还得经再次探伤合格以后方能使用。2）.所有零部件准备好以后，进行组装。a.先把外筒下法兰F4置于工装平台上，四周用C型夹固定，工装示意图如图二和图三所示b.装外筒桶桶身板P3，用手工钨极氩弧焊进行定位，然后装配顺序为龙骨、外筒桶身板P2、龙骨、桶身板P1、外筒上法兰F1。需要特别注意环缝的错变量和间隙一定要小于1mmc.总装后上滚轮架。如图四所示3).用K-TIG焊接环焊缝。4).待焊缝冷却后后，拆除工装。5).经检验合格以后流转到下一道工序。5.焊接过程与质量控制1）.焊前准备：a.坡口清理焊前焊缝两侧20mm范围内用丙酮，酒精等清理水分，油污，灰尘等杂质。b.K-TIG焊前需要注意枪头对中，操作者可以站在工作台上先在滚轮架上转一圈观察。工作台如图五所示c.正式焊前需焊实验块，把焊接系统调整好以后才能转入正常焊接。2）.焊接评定：因首次使用K-TIG这种新型焊接方法，做了大量试验，表五为初期探索的部分实验过程数据。焊后经过按照ASMEBPVCIX2013实验，后来总结为：K-TIG焊接方法对板厚10mm（材质：347）的装配间隙和错变量要求最大不得大于1mm，两个公差可以累积。为了达到要求,a.断切面机加工(当然前期下料时，已经留机加余量了)b.滚轮架必须是防窜动型的，防止突然窜动影响焊接质量。4).K-TIG与传统的手工钨极氩弧焊相比a.K-TIG焊接速度比传统的手工钨极氩弧焊焊接速度快，号称世界上最快的自动化焊接系统。b.关键是节约了焊材，节约了加工坡口的时间，节约了背部清根的时间，节约了焊接时间（手工钨极氩弧焊多层多道）。下面表八以10英寸SCH40系列管子对接为例，比较这两种焊接方法。c.K-TIG焊的不足之处有①一次性投入资金大，但从长远看，还是经济合算的；②对装配精度要求较高；③不能像传统手工钨极氩弧焊一样能焊接全位置，只能焊接平焊位置。5）.焊接质量控制①.焊前调试好焊接系统，中间尽量不要停弧。②.焊接中密切注意枪头对中情况，及时用遥控器微调。③.必须等焊缝冷却后才能拆除工装④.焊接中可以采取冷却措施（例如水冷、吹压缩空气等）措施、控制层间和焊后温度，尽量减少在450——850℃的停留时间。⑤.焊接电缆卡头在工件上要卡紧，以免发生打弧或过烧现象；⑥.焊缝交接处要错开。6.焊后检验焊后需按照GE内部标准P29B-AL-0001首先经VT检查合格后，再经ASME第V卷UT检查，如果不合格，需要按照公司“质量控制文件”返修或返工。五．结论K-TIG这种新的焊接方法焊接7HA.01扩散器外筒环缝从技术上是可靠的，从经济上是可行的。美国GE公司对我公司使用的新工艺也由当初的持怀疑态度转变为认可，同时又增加了5台7HA.02扩散器的订单。六．引用文献1：《高效焊接方法》林三宝等著机械工业出版社2：《焊接手册》中国机械工程学会焊接学会编机械工业出版社3：ASMEBPVCII&IX20134：AWSA5.9-2012