常见阀门铸钢件的缺陷补焊与补焊处理
1、概 述
在工业管线的承压阀门中,铸钢阀门由于其成本的经济性和设计的灵活性,受到广泛运用。但是由于铸造工艺受到铸件尺寸、壁厚、气候、原材料和施工操作的种种制约,铸件会出现砂眼、气孔、裂纹、缩松、缩孔和夹杂物等各种铸造缺陷,尤以砂型铸造的合金钢铸件为更多。因为钢中合金元素越多钢液的流动性越差,铸造缺陷就更易产生。因此,缺陷判别和制订合理、经济、实用及可靠的补焊工艺来确保补焊后的阀门符合质量要求已成为阀门冷热加工共同关注的问题。本文介绍几种常见铸钢件缺陷的补焊方法和经验(焊条采用旧牌号表示)。
2、缺陷处理
2.1、缺陷判断
在生产实践中,有些铸件缺陷不允许补焊,如贯穿性裂纹、穿透性缺陷(穿底)、蜂窝状气孔、无法清除的夹砂夹渣和面积超过65cm2的缩松等,以及双方合同中约定的其他不能补焊的重大缺陷。在补焊前应判断缺陷的类型。
2.2、缺陷剔除
在工厂里一般可采用碳弧气刨吹去铸造缺陷,然后用手提角磨机打磨缺陷部位至露出金属光泽。但生产实践中更多的是直接用碳钢焊条大电流除去缺陷,并用角磨机磨出金属光泽。一般铸件缺陷剔除,可用<4mm-J422焊条,160～180A电流,将缺陷除干净,角磨机将缺陷口打磨成U形,减少施焊应力。缺陷清除的彻底,补焊质量好。
2.3、缺陷部位预热
碳素钢和奥氏体不锈钢铸件,凡补焊部位的面积<65cm2,深度<铸件厚度的20%或25mm,一般无需预热。但ZG15Cr1Mo1V、ZGCr5Mo等珠光体钢铸件,由于钢的淬硬倾向大,冷焊易裂,应作预热处理,预热温度为200～400℃(用不锈钢焊条补焊,温度取小值),保温时间应不少于60min。如铸件不能整体预热,可用氧-乙炔在缺陷部位并扩展20mm后加热至300-350℃(背暗处目测观察微暗红色),大号割炬中性焰枪先在缺陷处及周边做圆周快速摆动几分钟,然后改为缓慢移动保持10min(视缺陷厚度而定),使缺陷部位充分预热后,迅速补焊。
3、补焊方法
缺陷补焊用电流和焊条见表1。
3.1、要求
对奥氏体不锈钢铸件进行补焊时,要在通风处,使之快速冷却。对珠光体低合金钢铸件和补焊面积过大的碳钢铸件则应选背风处或用挡风板遮挡,避免快冷造成裂纹。补焊一个堆层的,补焊后应立即清除药渣,并沿缺陷中心向外均匀地锤击,降低补焊应力。若补焊分几层进行(一般3～4mm为一补焊层),则每层补焊后均要及时清除药渣和锤击补焊区域。如在冬季施焊,ZG15Cr1Mo1V类的珠光体合金钢铸件,每补焊一层还应用氧-乙炔反复加热,再迅速补焊,以避免产生焊接裂纹。
3.2、焊条处理
补焊前,应首先检查焊条是否预热,一般焊条应经150～250℃烘干1h。预热后的焊条应置保温箱中,做到随用随取。焊条反复预热3次,若焊条表面药皮有脱落、开裂和生锈,应不予使用。
3.3、补焊次数
承压铸件,如阀门壳体经试压渗水,同一部位一般只允许补焊一次,不能重复补焊,因为多次补焊会使钢中晶粒粗大,影响铸件的承压性能,除非铸件可以在焊后重新进行热处理。其他非承压同一部位的补焊,一般规定补焊不超过3次。同一部位的补焊超过二次的碳钢铸件,焊后应作消除应力处理。
3.4、补焊层高度
铸件的补焊高度一般高出铸件平面2mm左右,以利机加工。补焊层太低,机加工后易露出焊疤。补焊层过高,费时费力费材料。
4、补焊后处理
4.1、重要补焊
水压试验有渗漏的铸件、补焊面积>65cm2的铸件,深度>铸件壁厚20%或25mm的铸件,ASTMA217/A217M-2007中均认为是重要补焊。对此种重要补焊A217标准中提出,都应进行去应力处理或完全再加热处理,而这种去应力处理或完全再加热处理,必须用经审定合格的方法进行,即重要补焊需制订补焊工艺。ASTMA352/A352M2006中规定,重要补焊后的去应力或焊后热处理是强制要求。与A217/A217M相对应的我国行业标准JB/T5263-2005中将重要补焊定义为“重缺陷”。但事实上,除铸件毛坯可以完全再加热处理外,许多缺陷往往是在精加工过程中才发现的,已无法再完全热处理。因此,生产实践中,通常是由有经验的持有压力容器焊接证书的焊工在现场用有效的方法解决。
4.2、消除应力
精加工后发现的缺陷补焊后,已无法做整体消除应力回火处理,一般可采用缺陷部位氧-乙炔火焰局部加热回火方法。采用大号割炬中性火焰来回缓慢摆动,将铸件加热到表面出现目视可见暗红色(约740℃),保温(2min/mm,但不少于30min)。消除应力处理后应立即在缺陷处盖上石棉板。珠光体钢阀门通径上的缺陷,补焊时还应在通径内腔填塞石棉板,使之缓冷。此种操作,既简便又经济,但要求焊工有一定实践经验。
不锈钢铸件在补焊后一般不作处理,但应在通风处施焊,使补焊区快冷。除非补焊后表明已引起奥氏体组织的改变,或属于重缺陷。在合同和条件许可下,应重做固溶化处理。缺陷面积过大过深的碳钢铸件和各种珠光体铸件,处于铸件清整阶段和虽进入粗加工、但留有精加工余量的,应在补焊后实施消除应力处理。碳钢消除应力回火温度可设为600～650℃,ZG15Cr1Mo1V和ZGCr5Mo回火温度均可设为700～740℃,ZG35CrMo回火温度设为500～550℃。所有钢种的铸件,其消除应力回火的保温时间均不少于120min,并随炉冷却到100℃以下出炉。
4.3、无损检测
对于阀门铸件的“重缺陷”和“重要补焊”,ASTMA217A217M-2007标准中规定,如铸件生产符合S4(磁粉检查)补充要求的规定,补焊要采用检查铸件同一质量标准的磁粉检验来检查。如铸件生产符合S5(射线照相检查)补充要求的规定,对于水压试验渗漏的铸件、或准备补焊的任何凹坑深度超过壁厚的20%或1in1(25mm)的铸件以及准备补焊的任何凹坑面积约大于10in2(65cm2)的铸件的补焊,都要采用检查铸件同一标准的射线检验进行检查。JB/T5263-2005标准中规定,重缺陷补焊后应进行射线或超声检测。即对于重缺陷和重要补焊,必须要进行有效的无损检查,证明合格后方能使用。
4.4、等级评定
对于补焊区域无损检查缺陷报告的等级,JB/T3595-2002中规定,对于电站阀的铸钢件阀门坡口和补焊部位应按GB/T5677-1985进行评定,三级合格。阀门对接焊缝应按GB/T3323-1987进行评定,二级合格。JB/T644-2008中对铸件中同时存在二种不同等级缺陷也给出了明确规定,在评定区同时存在两类或两类以上且等级不同的缺陷时,取其中最低等级定为综合评定等级。同时存在两类或两类以上且等级相同的缺陷时,其综合等级应降低一级。
对于补焊区缺陷的夹渣、未溶合和未焊透,JB/T6440-2008中规定,可看作铸造缺陷的夹渣来评定,补焊区缺陷的气孔可看作铸造缺陷的气孔评定。
一般工况阀门的订货合同中不标注阀门铸件等级,更少在合同中注明缺陷补焊后的合格等级,这往往给阀门的生产、检验和销售带来诸多矛盾。根据我国目前铸钢件的实际质量水平和多年经验,补焊区域评定的等级一般认为不应低于GB/T5677-1985中的三级,即ASMEE446b标准规定的Ⅲ级。耐酸耐蚀管线工况的铸钢阀门和高压铸钢阀门的壳体承压部位,一般应达到ASMEE446bⅡ级或以上标准。射线检查结果表明,经符合标准程序和规范补焊的缺陷区域,熔敷过程中生成的缺陷比铸件本身还要少,级别更高。总之,补焊作为制造过程的一部分,不可掉以轻心。
4.5、硬度检测
补焊区虽经无损探伤检查合格,但如需机加工时,应该再检查一下补焊区的硬度,这也是对消除应力处理效果的检查。如果回火温度不够,或时间不足,会引起补焊区域的熔敷金属强度高,塑性差,机加工时焊区域会很硬,容易导致刀具崩裂。母材和熔敷金属性能不一致,还容易造成局部应力集中,出现补焊过渡交界的明显痕迹。因此,补焊区域需要用硬度值来鉴定和检测。用手提砂轮机轻轻磨平补焊区域,采用便携式布氏硬度计锤击三个点,将补焊区硬度值与铸钢件本身硬度值进行比较。如果二个区域的硬度值相近,则说明氧-乙炔回火基本成功。如果补焊区硬度值大于铸钢件硬度20以上,建议返工,直至硬度与母材接近。承压铸钢件经热处理后的硬度一般设计为160～200HB,硬度太低或太高都不利于机加工作业。补焊区硬度太高,会使其塑性下降,降低阀门壳体承载的安全性能。
5、结 语
铸钢件缺陷的科学补焊,是一项节能的再制造工程技术。在现代化测试手段配合下，应在补焊工具、焊材、人员和工艺上不断加以创新改进，真正实现制造与维修的一体化。