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焊接知识

如何用625镍合金焊丝激光堆焊垃圾焚烧发电高温烟气换热面

垃圾焚烧炉因为焚烧垃圾产生高温腐蚀性极强的烟气(如含有氯离子等)。这些烟气通过与受热面的换热实现烟气与水蒸汽的换热。受热面往往受到严重的烟气腐蚀。为了解决腐蚀问题,受热面如水冷壁等采用碳钢加外表面堆焊625合金的方式来实现即节省材料,又提升耐腐蚀能力的效果。625合金需要具备很高的耐氯离子击穿的点腐蚀能力,耐硫及其燃烧后产物腐蚀的能力等综合性能。

 

625合金还需要避免生成碳化物,金属间化合物等,这会降低耐腐蚀性能。为此需要超低碳含量,同时采用多种微合金化元素来降低金属间化合物在凝固过程中大量析出,降低全奥氏体焊缝凝固热裂纹发生的可能。

 

激光填丝焊接,选用1.0mm(或1.2mm焊丝),可以选择热丝电源对焊丝进行预热。选择5000-20000瓦的激光功率。激光器完全可以选择碟片的或光纤的固体激光器。半导体激光器一般功率会低于10000瓦,且光束质量不如固体激光器,它更适合喷涂粉末的作业,因为可以设置很大的光斑。而送丝作业不需要很大的光斑。选择好激光器以后,将激光的焦点调节至0.2-0.7mm,照射在焊丝的端点,焊丝的端点抵触在受热面的待堆焊表面(表面在堆焊前需要清理干净,露出金属光泽)。在侧向需要采用氩气-氮气的混合气体进行保护,即防熔化的金属与空气接触氧化严重,又降低了大功率激光产生的等离子体影响。等离子体的存在是必然现象,它

将严重降低激光的传输。等离子的组成即有小到数十纳米的金属微粒,也有金属阳离子,气体阳离子,自由电子和气体原子。

 

当一切准备就绪时,开动激光器,激光的焦点首先照射在焊丝端点,端点会在不到10毫秒的时间内熔化,此时控制的好就会使得激光穿透焊丝照射母材的能量极小化。比如焦点位置上偏差3mm以上(此时需要考虑光束质量来计算)。母材的熔化热量来源于熔化的焊丝,和透过焊丝而来的极少的能量,这样热量的来源不同于电弧焊,电弧焊哪怕是选用CMT,但是电弧仍然作用于母材。

 

激光的功率密度(106w/cm2)高于电弧,单位时间内,焊丝和母材获得的热量多,而主要的热量被焊丝吸收。电弧除了功率密度低以外,电弧的热量损失更多一些。因此5000瓦的激光束,比5000瓦的电弧更能高效的利用热能。这为更高速度的堆焊提供了前提条件。比如焊接同样一块1mm厚度的碳钢板,不填丝。同样功率下,激光的速度是电弧焊接的2-10倍。这意味着选用激光堆焊可以缩短一半以上的工期。

 

激光更容易控制母材获得的热量,进而影响母材的熔化深度,降低稀释率。电弧堆焊通常将稀释率降低到10%已经很难。而激光堆焊可以控制在5%以下,甚至更低。这意味着采用激光堆焊时可以不必堆焊3mm的厚度,完全可以堆焊2mm以下。如果每年的均匀腐蚀深度为0.1mm以下,依然可以做到十几年内仅需检测而不需垃圾焚烧发电厂停机补焊,甚至是整体切割受热面报废或维修。采用激光堆焊每平方米可以节省堆焊用625合金约8-12公斤,节省费用约2000-4000元人民币。激光送丝堆焊仍然需要利用“匙孔”焊,而不是单一的传导焊。只是控制小孔的底端在母材上最浅(降低稀释率)。电弧焊为了降低对母材的热输入,在焊接速度和熔深不变时,采用的是焊丝震动的方式,其目的是刚刚熔化成液体的焊丝熔滴脱离焊丝,它不会继续吸收电弧热量。这样在低温态就过渡到焊接熔池,进而即有效的利用了热量,又降低了焊接热输入。激光堆焊同样可以参比这一技术的应用效果。可以根据检测到的等离子体光谱信号作为焊丝端头熔化态金属温度的信号,与焊丝震动装置进行合并计算,最终输出焊丝合理的震动频率。激光填丝堆焊还需考虑摆动作业,摆动作业可以降低等离子体的影响,还可以提高工作效率,降低堆焊搭接量。当高速度的堆焊不能满足成形要求时还可以尝试采用30%He+2%CO2+0.1%O2+Ar以氩氦为主的多元混合气体的方式来改变成形性。

 

这样的激光填丝堆焊将大大降低工件的变形量,改善堆焊成形性。受热面有时尺寸巨大,一旦发生较大变形,需要用机械或者火焰的方式矫正,非常复杂而且需要经验和技巧以及大型的工具。否则如果将变了形的工件装配到发电站的机组上,那么锅炉内部的接口处只能强行组对。而强行组对焊接后,带来非常大的内应力,即容易导致应力腐蚀,又降低了材料的许用应力裕度(静载荷,疲劳载荷,蠕变载荷都会降低)。

 

综上所述:625丝极激光堆焊在焊材节省,焊材利用率,生产效率,工件变形控制等方面,大大优于以往的传统方法,而且提高了垃圾焚烧发电机组的运行安全。

 

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