燃机压气机缸返修缺陷原因分析及质量控制措施.docx

燃机压气机缸返修缺陷原因分析及质量控制措施 摘 要：燃气轮机（简称：燃机）压气机缸为整体铸件，其结构形式比较复杂，受国内铸造水平的限制，在持环槽周围往往会出现不同程度的缺陷，具有一定的普遍性。由于我厂对压气机缸精加工后的返修补焊尚无经验，需对其结构和材料焊接性进行有针对性的研究，并制定特殊工艺，使产品质量达到图纸要求。本文就某项目燃机压气机缸精加工后返修过程为切入点，重点分析压气机缸缺陷重复产生的原因，有针对性的制定控制措施，从而避免类似返修中缺陷重复发生。关键词： 压气机缸；缺陷；返修；控制；1 简介某项目燃机压气机下半缸持环槽精加工后出现线性缺陷，对其进行消缺补焊，返修后母材热影响区又出现新裂纹（如图1所示），经多次返修后，缺陷不但未能得到有效消除，反而缺陷域越来越深，宽度也越来越大。不仅如此，该压气机缸缺陷出现在精加工之后，整个焊接过程热影响变形控制难度非常大。此次某项目燃机压气机缸持环槽缺陷在返修15次后，最终缺陷尺寸为85mm20mm16mm。铸钢件15次返修补焊不合格实属罕见。本文就该气缸焊接缺陷产生原因进行分析，有针对性的制定缺陷返修质量控制措施，从而避免返修中类似缺陷重复发生。2 原因分2.1 裂纹定性分析按焊接裂纹产生的原因，可以分为热裂纹和冷裂纹，从缺陷分布位置中可知某项目燃机压气机缸裂纹产生于焊缝周围热影响区，并且与焊缝相平行，根据焊接裂纹的分类可以判断此次某项目燃机缸产生的裂纹为冷裂纹。母材热影响区冷裂纹产生原因十分复杂，该裂纹产生的主要原因是焊接热量输入过量导致热影响区组织脆硬冷裂纹。图2 焊接裂纹分类2.2热影响区组织脆硬冷裂原因分析燃机压气机缸三菱材料牌号为SCPH2,对应国内牌号为碳素铸钢ZG230-450根据碳当量计算公式 ：C.E. = %C + %Mn/6 + %Ni/15 + %Cr/5 + %Cu/13 + %Mo/4 (公式1) 1 （当CE0.40%时，钢材的淬硬冷裂倾向不大，焊接性优良，焊接时不必预热；当CE=0.40%0.60%时，钢材的脆性倾向增大；当CE0.60%时，钢材的脆硬冷裂倾向强，属于较难焊接的焊材；）将数据带入公式：C.E.=0.3%+0.9%/6+0.3%/16+0.35%/5+0.3%/13+0.2%/4 经过计算：C.E.=0.612%由于C.E.=0.612%0.6%，可以判断压气机缸的脆硬冷裂倾向强，属于易淬火钢，根据图1分析，易淬火钢焊接热影响区可分为三个区域：A淬火区（图中序号6表示区域）；B不完全淬火区（图中序号7表示区域）；C回火区（图中序号8表示区域）。图1 易淬火钢热影响区划分21熔合区；2过热区；3相变重结晶区；4不完全重结晶区；5母材；6淬火区；7不完全淬火区；8回火区A淬火区裂纹影响分析；淬火区在焊接时温度可达到AC3线以上达到完全奥氏体化，在快速冷却过程中，得到粗大的马氏体；若焊接热输入过大，不仅冷却速度变慢，促使该区域形成高碳马氏体和残余奥氏体的混合物以及上贝氏体等韧性较差的组织，而且晶粒也会长得非常粗大，这将严重降低焊缝的韧性，极易产生裂纹。B 不完全淬火区裂纹影响分析；这一区域焊接加热温度范围在AC1线到AC3线之间，渗碳体将不会发生变化，奥氏体主要由珠光体转变而来，含碳量增加，在随后的快速冷却当中，将形成非常脆硬的高碳马氏体，焊接组织脆性随之增大，从而增加了裂纹产生的可能。C 回火区裂纹影响分析；该热影响区处在低于AC1线的温度下加热，组织上不会发生任何变化，裂纹产生的可能性较小。综上原因，某项目燃机压气机缸返修焊接过程当中，有大量热量输入，淬火区和不完全淬火区组织脆硬冷裂倾向增加，在焊接时产生的拘束应力及在残余氢的作用下，最终导致了冷裂纹的产生。3裂纹防止措施3.1焊材选择为有效防止冷裂纹产生，选择强度级别比母材略低的焊条，强度较低的焊缝不仅本身冷裂倾向小，而且较易产生塑性变形，可降低接头的拘束应力，使焊趾、焊根等部位的应力集中效应相对减小，改善了热影响区的冷裂倾向，从而提高焊接的抗裂性能，故燃机压气机缸返修补焊，需根据气缸材料及力学性能进行焊材强度等级选择。对比选择焊缝金属的塑形、韧性和抗裂性能都比较好的碱性焊条J427，同时J427药皮中的萤石有较好的去氢能力，也能防止裂纹的产生。3.2 坡口冲击防止裂纹产生为防止焊接咬边及焊接收缩产生裂纹，在凹坑边缘制造一个冲击坡口。当返修补焊后，快速冷却过程中所产生的拘束应力将作用在母材上，由于母材被冲出来一部分，这部分在拘束力的作用下将发生塑形变形，从而对拘束力起到补偿，坡口冲击成此形状有效降低焊接裂纹的产生。3.3 施焊过渡层防止裂纹产生施焊过渡层作为焊接时的应力缓冲层，可吸收母材表面应力，防止焊接及使用中开裂；同时，施焊过渡层可以减少母材热量的输入，将有效防止裂纹的产生。本次返修施焊过渡层如图2所示（选用3.2的焊条，故过渡层大约5mm）。图2施焊过渡层3.4 锤击焊接盖面层释放应力防止裂纹产生；采用适当的锤击是一种有效降低残余应力的方法，特别是对于厚截面或者是焊缝被刚性固定的场合。但通常情况下打底层和盖面层是不允许锤击的，不锤击打底层是怕破坏打底层，不锤击盖面层是怕影响焊缝外观质量。由于该压气机缸在屡次返修后产生裂纹，故采用锤击盖面层的方法释放应力。为了不破坏精加工后的加工面。3.5 控制热量输入控制气缸变形；为了控制焊接热量输入，可减小焊接热影响区的宽度，进而减少气缸焊接变形。根据熔焊方法热源的主要特性得知：加热面积越小，热量的输入也就越少。但根据受公司场地等情况，此次某项目燃机压气机缸返修补焊选择金属极电弧。为了尽可能的减少热输入量，需尽可能选择直径小的焊条，根据公司焊条直径种类，最终选用3.2 (J427)的焊条。3.6多层焊锤击焊缝法用圆头锤击焊缝金属，能促使焊缝金属产生塑性变形，使焊缝适当的延展，以补偿焊缝的收缩，减少焊接应力及焊接变形。焊缝焊完一层后应立即锤击，保证锤击在热状态下进行（此时金属具有较高的塑性），锤击必须均匀，直至将焊缝表面锤击到出现均匀致密的麻点为止。本次某项目燃机压气机缸返修严格按照此要求进行，对裂纹产生和变形控制均起到有效控制作用。4 总结此次某项目燃机压气机缸下半持环处槽缺陷通过以上措施进行返修质量控制，最终返修合格，缺陷得以防止，且热变形得到了有效控制，达到了质量控制的目的。参考文献1 迈阿密佛罗里达.美国焊接协会.焊接检验工艺学，2006.72 李亚江.焊接组织性能与质量控制.化学工业出版社，2005.13 支道光.金属熔焊原理浅说.化学工业出版社，2009.5 4 高忠民.焊条电弧焊.金盾出版社，2012.124 -全文完-