计算机辅助焊接工艺设计应用现状

计算机辅助工艺设计 (CAPP)是提高设计效率和工业生产率的理想工具 ,是联系CAD与CAM的纽带 ,也是实现计算机集成制造的关键因素之一。本文简要概括了计算机辅助工艺设计 (CAPP)的分类特点及发展趋势 ,在此基础上较详细地回顾了国内焊接工艺计算机辅助设计系统的发展历史 ,并针对焊接领域新一代CAPP应具备的功能作了简要总结。

620℃汽轮机X13CrMoCoVNbNB9-2-1钢转子轴颈堆焊层性能分析

轴颈堆焊技术是制造620℃超超临界汽轮机的重要技术之一。采用埋弧焊方法在X13CrMoCoVNbNB9-2-1转子钢圆环试验件上堆焊1Cr-0.5Mo材料,进行去应力热处理;测定了距熔合线不同距离处堆焊层的化学成分,测试了拉伸、硬度、冲击、弯曲等性能,分析了焊接接头的金相组织。试验结果表明,随着距熔合线距离的增加,堆焊层中Cr元素的含量呈指数规律降低,在第四层降到1.5%左右;堆焊层的强度和硬度随着距熔合线距离的增加而下降,冲击吸收功则显著提高。焊接接头弯曲性能优良,焊接接头中各区域微观组织正常,具有良好的综合力学性能。本项技术可以应用于620℃汽轮机X13CrMoCoVNbNB9-2-1钢转子的轴颈堆焊。

汽轮机9Cr钢阀座密封面现场堆焊工艺研究与应用

超超临界汽轮机主汽门和再热门阀座的材料均为9Cr钢,密封面上堆焊司太立合金层。很多阀座的堆焊层在高温下长期运行后会出现裂纹。分析了开裂的原因,认为Fe等元素的扩散导致在母材和堆焊层之间形成了脆性相,需要将原堆焊层完全去除后重新堆焊。根据现场堆焊修复的要求,制订了采用自动氩弧焊设备和镍基合金焊材的修复方案。所使用的焊接设备具有自动弧长跟踪、监控摄像、焊枪连续旋转等功能,能够在阀门内部的狭小空间内施焊。在现场将原堆焊层完全去除后采用镍基合金堆焊,并采取焊前预热、层间清理、后热处理等措施保证焊接质量。大量修复实践表明,本套修复工艺能够保证焊接过程的稳定以及较高的工作效率。镍基合金堆焊层的性能能够满足长期运行的要求。

NiCrMoV耐热钢贝氏体焊缝韧性薄弱区的确定

研究汽轮机低压焊接转子用30Cr2Ni4MoV耐热钢贝氏体焊缝多层多道焊韧性薄弱环节及其影响因素。采用冲击韧度试验评价焊缝的整体性能,并设计裂纹沿埋弧焊焊缝的准静态韧性试验,观察裂纹的扩展方式,利用能谱分析焊缝微区成分。冲击韧度试验表明,焊缝室温冲击吸收功为118 J,焊缝整体韧性良好。焊缝准静态韧性试验研究发现,裂纹在焊缝层间不完全相变区发生失稳扩展,为焊缝韧性相对薄弱的环节。通过光学显微镜观察高温苦味酸水溶液腐蚀的试样发现,焊缝层间不完全相变区存在大量的黑色线条,裂纹的失稳扩展沿黑色线条进行。借助扫描电镜和能谱分析发现,黑色线条处的碳的质量分数明显高于基体部分,推测这些局部富碳区含有较多的对韧性不利的组织,是造成层间韧性薄弱的主要原因之一。

燃气轮机退役转子焊接接头微区冲击韧性研究

为了探究长期高温服役后焊接转子冲击韧性变化规律,以某退役的燃气轮机透平端CrMoV钢焊接接头为研究对象,对接头各微区显微组织演变特征进行了系统表征,基于此,阐明了接头各特征微区冲击韧性变化规律与显微组织的内在关联。在组织表征中发现焊缝中出现了大量的析出相,尺寸为0.5~1μm,粗大的块状或杆状析出相主要沿原奥氏体晶界分布,而尺寸为100~200 nm的大量细小杆状析出相主要在晶内分布,这说明焊缝组织在长期高温服役过程中发生了时效演变。接头各特征微区冲击试验表明,冲击韧性最低值出现在焊缝柱状晶区(7.1 J),其次为焊缝中心等轴晶区(15.6 J),这是由于焊缝中大量杆状析出相易诱发应力集中,导致裂纹萌生与扩展,且沿晶分布的粗大块状析出相易导致沿晶开裂,从而严重降低了焊缝的冲击韧性。而在热影响区内,粗晶区的高强马氏体以及粗大晶粒导致冲击功较低(25.7 J),细晶区内高强高韧的细小马氏体板条以及更多晶界使其拥有最好的冲击性能(188.6 J),回火区由于存在粗大块状析出相和少量细小杆状析出相,导致冲击功在过回火区出现了局部低值(48.5 J)。该研究结果可为发电机组的延寿设计提供参考借鉴。

尾吹保护对激光熔覆Stellite 6合金涂层组织和力学性能的影响

为解决激光熔覆Stellite 6涂层的裂纹与气孔问题,利用尾吹保护的特殊工艺,以半导体激光器为光源,氩气为保护气,同轴送粉的方式熔覆制备了合金涂层复合材料。并利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度计分别对尾吹保护工艺下激光熔覆Stellite 6合金涂层的成型性、显微组织和硬度进行测试分析。结果表明:在15L/min的尾吹气保护下,熔覆所得合金涂层成型良好;熔覆过程中的气孔、热裂纹的缺陷得到抑制;层间、结合处涂层的微观组织得到了细化,晶体生长形态由树枝晶转变为等轴晶;多层多道涂层间的硬度分布均匀;晶粒生长方向发生改变,熔覆层组织与β相Co基本保持一致。由此证明,引入尾吹保护工艺能够改善激光熔覆Stellite 6合金涂层的组织性能。

汽轮机焊接转子接头残余应力研究一:25Cr2Ni2MoV钢核电转子模拟件热处理前后残余应力的对比

利用焊接方法制造大型汽轮机转子已成为电力装备制造业的主要方向,通过测量焊接转子模拟件接头处的残余应力,对于转子设计、优化焊接与热处理工艺、评估服役状态都具有重要的参考意义。测试了25Cr2N i2MoV钢核电转子模拟件外圆、内圆、剖面处热处理前后的残余应力分布,发现转子深窄间隙接头处存在较为显著的轴向压应力,内、外圈在热处理前均有较大的切向拉应力;经过热处理,残余应力大大降低,且保持较好的应力状态。重复性测量的数据稳定性较好,反映出加工过程的高稳定性。

NiCrMoV钢汽轮机焊接转子模拟件接头低周疲劳性能研究

通过研究汽轮机转子焊接模拟件接头的低周疲劳性能,可为评估转子启停、转速或负荷变化等工况条件下的安全性提供参考。测试了25Cr2Ni2MoV和30Cr2Ni4MoV两种焊接转子模拟件接头室温下的低周疲劳性能,发现在较大应变幅作用下,塑性是其接头低周疲劳寿命的主要影响因素,而两种接头均具有良好的塑性储备,对疲劳寿命有利;与文献报道的30Cr2Ni4MoV锻件相比,在失效载荷相同的条件下,两种材料的埋弧焊接头可承受的弹性应变幅高于锻件,塑性应变幅略低于锻件。从整体上看,两种材料的焊接接头疲劳循环参数相近,均具有良好的低周疲劳性能。

疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述

对文献中影响疲劳裂纹扩展门槛值的多种因素进行综述,对显微组织、晶粒取向尺寸、载荷比R、加载频率和温度的影响做了较为详尽的归纳总结。研究表明,显微组织、晶粒尺寸、载荷比R、加载频率和试验温度等对疲劳裂纹扩展门槛值的影响较突出,其影响规律和机理则因材料的不同而异。

汽轮机焊接转子接头残余应力研究四:核电焊接低压转子1∶1验证件接头区残余应力分布

焊接区残余应力的研究对核电低压转子制造工艺、服役安全性以及应力腐蚀评价均有重要的参考作用。测试了百万级核电焊接低压转子1∶1验证件接头区热处理前后残余应力分布,结果表明,现有热处理工艺对降低焊接残余应力是可行、有效的,且测量数据反映出焊接过程比较稳定。相关结果对掌握焊接转子残余应力分布提供重要参考。

汽轮机焊接转子接头残余应力研究三:125MW及1000MW汽轮机低压焊接转子产品残余应力

在测试转子模拟件外圆、内圆、剖面处热处理前后的残余应力分布的基础上,在研究弹性槽对根部打底焊缝处残余应力的影响以及盖面焊缝下方4～5层焊道处残余应力的分布的基础上,测试了125 MW及1 000 MW实际火电低压焊接转子接头处的残余应力。结果表明,实际产品残余应力的分布与模拟件相似,数值更小;不同结构均承受-120 MPa左右的轴向压缩应力,切向应力可被忽略。相关结果对掌握焊接转子残余应力分布提供了重要参考。

汽轮机焊接转子接头残余应力研究二:带有弹性槽的30Cr2Ni4MoV模拟件热处理前后残余应力变化

在测试25Cr2Ni2MoV钢核电转子模拟件外圆、内圆、剖面处热处理前后的残余应力分布的基础上,进一步研究了弹性槽对根部打底焊缝处残余应力的影响,测量了盖面焊缝下方4～5层焊道处残余应力的分布。结果表明,弹性槽对缓解根部应力有显著作用,盖面焊缝下方4～5层焊道处存在超过屈服极限的纵向拉应力;热处理后,残余应力大大降低,且保持较好的应力状态。相关测量工作肯定了实际生产工艺对控制残余应力的有效性。

NiCrMoV转子钢贝氏体焊缝韧性影响因素研究

研究了25Cr2Ni2MoV转子钢贝氏体焊缝韧性的影响因素,对贝氏体焊缝进行不同温度下的冲击韧性试验,采用热模拟方法重点研究焊缝层间区域,结果表明,焊缝整体冲击韧性良好,层间局部区域呈现撕裂棱较多的准解理形貌,焊缝层间区域为韧性薄弱环节,裂纹沿焊缝局部富碳区域中的M-A组元扩展,M-A组元的存在是影响韧性的主要因素之一。相关结果对如何选择焊材、优化焊接及热处理工艺具有指导意义。

汽轮机焊接转子接头残余应力研究五:低压转子锻件焊接修复及热处理后残余应力

残余应力是影响转子焊接修复安全可靠性的因素之一,通过残余应力的测量,可评价焊接修复工艺,并对优化修复工艺提供参考,因而具有重要的工程应用价值。测试了采用埋弧焊方法进行堆焊和焊后热处理修复的低压转子原汽轮机端靠背轮外圆堆焊区残余应力。结果表明,现有热处理工艺对降低焊接残余应力是可行有效的,且测量数据反映出焊接过程比较稳定。相关结果对评估堆焊修复可靠性提供重要参考。

回火参数对NiCrMoV转子钢焊缝时效韧性的影响

为了揭示回火参数对耐热钢焊缝时效韧性的影响机理,针对采用不同回火参数处理的超临界汽轮机低压转子模拟件焊缝进行了时效韧性的研究。研究发现当回火温度利于碳化物析出聚集时,经过350℃×3 000 h时效后室温冲击韧性明显下降。通过对金相试样进行扫描电镜观察发现,时效后试样中的析出物较时效前显著增加。透射电镜观察发现析出物聚集长大后基体内的位错密度明显下降,因此热强性退化。若适当提高回火温度,经过相同的时效处理后仍然能够保持较高的冲击韧性,且析出物没有明显变化。由此证明,回火参数对碳化物析出行为的作用是其影响时效韧性的主要途径。本研究可为回火参数的优化提供一定参考。

窄间隙焊接技术在600MW汽轮机低压转子上的应用

简要介绍了某类型600MW大型汽轮机低压转子的焊接工艺试验和应用情况。该转子由两个轴头和两个轮盘组成,共有3条焊缝,材料为25Cr2Ni2MoV钢,材料的屈服强度大于等于700MPa,坡口设计为窄间隙坡口,采用窄间隙氩弧焊打底,窄间隙埋弧焊填充。为了研究接头的性能,用模拟件进行了焊接试验,并测试了接头的力学性能。结果表明,接头0.2%屈服强度及延伸率均达到了转子材料规范的要求,并具有良好的冲击韧性。该焊接转子完全符合机组设计和安全运行的要求。

9%Cr钢表面激光熔覆1CrMo合金层的力学性能研究

为了解决9%Cr钢汽轮机转子轴颈堆焊1CrMo合金时,由于稀释率大、热输入高导致的新转子轴径表面降Cr质量分数效率低和磨损后不适合局部修复的问题,采用激光熔覆技术替代堆焊,在9%Cr钢表面进行了1CrMo合金激光熔覆试验,并对熔覆层组织结构和性能进行了测试分析。结果表明:激光熔覆技术可在9%Cr钢表面制备成形质量及力学性能良好的1CrMo合金熔覆层,熔覆层组织主要由铁素体和颗粒状碳化物组成;与堆焊相比,激光熔覆可有效降低基体对熔覆层的稀释率,提高表面降Cr质量分数效率;与基体材料相比,1CrMo合金熔覆层强度略低,但塑韧性更好,力学性能达到9%Cr钢汽轮机转子轴颈设计要求。

长时时效后的NiCrMoV异种钢接头焊缝性能和组织的研究

对在350℃长时间时效的异种NiCrMoV钢接头进行冲击试验发现,时效处理后焊缝冲击性能下降明显。通过光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射分析、化学成分和微观组织分析,结果表明:M3C碳化物沿晶界析出、溶质原子N在晶界偏聚和时效过程中残余奥氏体的热失稳分解是导致异种NiCrMoV钢接头时效后性能下降的主要原因。

深窄间隙焊接接头疲劳性能试验研究

通过高周疲劳试验,测定了大厚壁NiCrMoV钢深窄间隙埋弧焊焊接接头的S-N特征曲线。疲劳试验发现,疲劳试样断裂位置多发生在焊缝处,并对疲劳断口进行了SEM分析。发现疲劳裂纹源出现在材料内部,焊缝的裂纹源多萌生于焊接缺陷处,非金属夹杂是造成母材疲劳裂纹形核的原因。试验得出了该焊接接头的条件疲劳强度(N=5×107)为405 MPa,从而为结构设计工作人员提供了技术依据;严格控制焊接缺陷可改善整个接头的疲劳性能。

NiCrMoV钢汽轮机转子堆焊接头组织性能研究

选用马氏体不锈钢E410NiMo15作为堆焊层材料及NiMo1作为过渡层材料,对核电汽轮机高压转子NiCrMoV钢轴颈进行埋弧堆焊试验研究。焊后采用EPMA线扫描分析了堆焊接头化学成分的变化规律,并借助光学显微镜观察了堆焊接头各层微观组织结构,通过冲击试验和电化学耐腐蚀试验分别研究了堆焊接头各区域的力学性能及耐腐蚀性能。试验结果表明:过渡层的添加对改善不锈钢耐蚀层的冲击韧性和堆焊接头表面耐腐蚀性能是有利的。