寬帶埋弧和電渣堆焊研究

李鵬飛，王建濤

(西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021)

寬帶埋弧和電渣堆焊研究

李鵬飛，王建濤

(西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021)

為了能夠在生產(chǎn)中提高耐蝕堆焊的效率和堆焊質(zhì)量，采用國(guó)產(chǎn)焊帶和焊劑，使用瑞典ESAB焊接設(shè)備進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。分別測(cè)定了電渣和埋弧堆焊的晶間腐蝕、側(cè)彎、金相和硬度。寬帶電渣和埋弧堆焊技術(shù)可以獲得與304L性能相似的堆焊金屬；帶極埋弧堆焊時(shí)可以采用磁控裝置來提高焊道質(zhì)量。

電渣堆焊；埋弧堆焊；磁控裝置

0 前言

核電站的厚壁壓力容器、穩(wěn)壓器、安注箱等設(shè)備內(nèi)壁均需大面積堆焊耐高溫、抗氧化和硫化氫等腐蝕的不銹鋼襯里。自20世紀(jì)80年代在國(guó)內(nèi)開始大量采用帶極堆焊不銹鋼技術(shù)以來，焊帶寬度從35 mm窄帶向60 mm、75 mm寬帶方向發(fā)展。但是，對(duì)于90 mm寬帶的帶極堆焊應(yīng)用較少。西安核設(shè)備有限公司(簡(jiǎn)稱西核公司)根據(jù)目前核電站設(shè)備的特點(diǎn)，決定進(jìn)行90 mm帶寬的帶極堆焊試驗(yàn)。采取埋弧堆焊和電渣堆焊兩種方法進(jìn)行試驗(yàn)，希望通過試驗(yàn)使該方法得到推廣。

1 堆焊用材料

1.1 堆焊試板

選用焊接性能優(yōu)良的16MnR作為堆焊試板，試板厚度60mm，試板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。

表116 MnR化學(xué)成分和力學(xué)性能

1.2 焊帶／焊劑

堆焊是一種粘附于母材表面的用于滿足材料所需性能的工藝措施，堆焊材料具有較好的抗腐蝕、耐磨等性能。用于帶極堆焊的焊接方法有兩種：帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊。這兩種焊接方法使用同樣的焊帶，不同的是它們的焊劑有很大的差別。

采用國(guó)產(chǎn)焊帶EQ309L(過渡層)和EQ308L(耐蝕層)，焊帶規(guī)格90 mm×0.5 mm。

電渣焊劑的要求是在液態(tài)熔渣時(shí)具有良好的導(dǎo)電性能。焊劑中包含有大量的氟化物和堿性氧化物來增加熔渣的導(dǎo)電率，焊劑具有優(yōu)良的脫渣性和焊接性能。綜合以上因素，選用北京安泰科技股份有限公司生產(chǎn)的SHD202電渣焊焊劑，該焊劑焊接性能良好。

埋弧焊焊劑有熔煉和燒結(jié)型兩種。埋弧焊焊劑的要求有：穩(wěn)弧性能和脫渣性能良好；對(duì)焊縫金屬的增碳傾向小，熔深及稀釋率低；焊道成形好，合金元素?zé)龘p少等。選用耗能少、易制造的節(jié)能型燒結(jié)焊劑SMJ34，同樣為北京安泰科技股份有限公司生產(chǎn)，焊帶和焊劑的化學(xué)成分分別如表2、表3所示。

表2 焊帶化學(xué)成分(復(fù)驗(yàn)值) %

表3 焊劑化學(xué)成分(標(biāo)準(zhǔn)值) %

2 堆焊用設(shè)備

堆焊試驗(yàn)采用瑞典ESAB焊接設(shè)備，電源是兩臺(tái)2 500 A平特性電源(型號(hào))，帶極堆焊機(jī)頭如圖1所示，磁控箱如圖2所示。

圖1 帶極堆焊機(jī)頭

3 試驗(yàn)過程

3.1 焊前準(zhǔn)備

試板待堆焊面焊前打磨露出金屬光澤，然后按照J(rèn)B／T4730.4-2005進(jìn)行磁粉檢查。焊劑焊前進(jìn)行300℃×2 h烘干。

圖2 伯樂蒂森的磁控箱

3.2 堆焊

采用如表4所示的埋弧和電渣帶極堆焊工藝參數(shù)時(shí)，表面成形和焊接過程都較為理想。電渣堆焊的表面質(zhì)量如圖3所示，埋弧堆焊的表面質(zhì)量如圖4所示。

表4 埋弧和電渣帶極堆焊工藝參數(shù)

圖3 電渣堆焊的表面質(zhì)量

圖4 埋弧堆焊的表面質(zhì)量

由表4可知，埋弧堆焊時(shí)磁控裝置也加有勵(lì)磁電流，磁控裝置的作用就是利用附加磁場(chǎng)來抵消焊接電流磁場(chǎng)產(chǎn)生的有害磁場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，帶極埋弧堆焊的磁控裝置分為不加勵(lì)磁電流和加勵(lì)磁電流兩種情況。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不加勵(lì)磁電流時(shí)，咬邊嚴(yán)重，焊縫中間凸起，表面很不平整，焊道的寬度也只有約80 mm；當(dāng)磁控裝置加1 A的勵(lì)磁電流時(shí)，產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)可有效改善焊道寬度，達(dá)到90 mm以上，咬邊消除。

焊接電流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)是造成堆焊寬度變窄、中間凸起現(xiàn)象的原因。如圖5所示，帶極堆焊時(shí)帶極電流的分布可被看作是同一平面上無數(shù)電流同向平行導(dǎo)線的導(dǎo)電，因而每一個(gè)帶電流導(dǎo)線都會(huì)被其他相近帶電流導(dǎo)線施以作用力。

式中 a為兩導(dǎo)體的軸線間距離；l為導(dǎo)體的兩相鄰支持點(diǎn)距離；μ0為磁導(dǎo)率。

圖5 無磁場(chǎng)時(shí)帶極堆焊狀態(tài)及電流分布

由式(1)可知，兩相鄰導(dǎo)線電流同向流動(dòng)時(shí)兩導(dǎo)線有相互吸引力F，作用力的大小與導(dǎo)線距離及電流大小相關(guān)。在帶極寬度方向上，電流間的這種相互吸引力必然使電流向中央?yún)^(qū)域聚集，使帶極電流產(chǎn)生了收縮現(xiàn)象。

磁場(chǎng)對(duì)電流(移動(dòng)電荷)產(chǎn)生作用力是磁控裝置通入電流后堆焊寬度變窄、中間凸起現(xiàn)象消失的原因。當(dāng)帶極堆焊時(shí)配置了磁控裝置，則帶極處于外加可控磁場(chǎng)中，帶極電流受外加磁場(chǎng)的影響，從而使帶極電流的分布發(fā)生改變，如圖6、圖7所示，磁場(chǎng)將收縮聚中的電流向帶極寬度方向上拉開，當(dāng)磁場(chǎng)的位置和強(qiáng)度適當(dāng)時(shí)，電流在帶極寬度方向上的分布趨于均勻，進(jìn)而改善了帶極堆焊焊接過程的穩(wěn)定性。

同樣從表4可以看出，90 mm帶寬帶極埋弧堆焊時(shí)，焊接電流增大，磁控裝置的勵(lì)磁電流也隨之增大。這是因?yàn)閹O電流增加時(shí)，焊帶中間的電流密度增加更多，電流間的相互吸引力更大，要使帶極電流的分布發(fā)生改變，就需要更大的勵(lì)磁電流產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)來改變電流的分布，改善帶極堆焊焊接過程的穩(wěn)定性。

以前西安核設(shè)備有限公司只對(duì)小于75 mm帶寬的帶極電渣堆焊加有磁控裝置來改善焊接質(zhì)量，國(guó)內(nèi)在帶極埋弧堆焊的應(yīng)用方面也從未發(fā)現(xiàn)采用附加磁場(chǎng)來改善焊接成形的先例。本公司在帶寬90 mm堆焊中利用附加磁場(chǎng)獲得了良好的焊接質(zhì)量。

同樣從表4還可看出，帶寬90 mm的埋弧堆焊電流小于電渣堆焊電流，而電渣堆焊的電壓卻小于埋弧堆焊電壓，這與帶寬小于90 mm的情況是一致的。原因是焊接原理和焊劑的性能存在差異所致。

圖6 外加磁控時(shí)帶極在磁場(chǎng)中的狀態(tài)

圖7 帶極電流分布狀態(tài)

3 焊后檢查

試板焊接完成后，對(duì)堆焊層表面進(jìn)行100%著色檢查，對(duì)熔合面進(jìn)行100%超聲波檢查。檢查結(jié)果分別滿足JB4730.5-2005和JB4730.3-2005的要求。

4 試板焊后熱處理

對(duì)上述兩種方法的試板分別截取一半進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。熱處理工藝如表5所示。

表5 消應(yīng)力熱處理工藝

5 性能檢測(cè)[1]

5.1 化學(xué)成分

堆焊層化學(xué)成分如表6所示。

表6 堆焊層化學(xué)成分(測(cè)定值) %

比較表6和表2可知，硅和錳的含量差異較大。埋弧堆焊時(shí)埋弧焊焊劑向熔敷金屬中過渡的硅元素較多，所以熔敷金屬中埋弧堆焊比電渣堆焊的硅含量高，w(Si)提高可顯著提高鋼在硫酸中的耐蝕性[2]。

埋弧堆焊是靠焊帶與工件之間的電弧產(chǎn)生的電弧熱來熔化金屬和焊劑，從而形成焊道；而電渣焊是將焊帶直接插入熔融的渣池，靠電流流過熔融渣池所產(chǎn)生的電阻熱加熱來熔化焊帶進(jìn)行堆焊。這兩種堆焊方法由于原理不一樣，所以對(duì)錳燒損程度也不一樣，可以看出埋弧堆焊比電渣堆焊的燒損大。雖然在不銹鋼中錳含量的變化對(duì)其組織沒有影響，但隨著錳含量的增加，也提高了強(qiáng)度。

5.2 鐵素體含量

根據(jù)表4的化學(xué)成分對(duì)其鐵素體含量按照WRC圖進(jìn)行計(jì)算，電渣堆焊的鐵素體含量為3.5%，埋弧堆焊的鐵素體含量為6.0%。

5.3 其他性能

將兩種焊接方法按熱處理和不熱處理兩種情況分別進(jìn)行晶間腐蝕、側(cè)彎、金相和硬度測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表7所示。

表7 晶間腐蝕、側(cè)彎、金相和硬度值

6 結(jié)論

(1)采用帶寬90mm的EQ309L(過渡層)、EQ308L (耐蝕層)焊帶與SHD202和SMJ34焊劑進(jìn)行帶極電渣和埋弧堆焊，可以獲得與304L性能相似的復(fù)合層。

(2)帶極埋弧堆焊時(shí)利用磁控裝置能夠提高堆焊焊道質(zhì)量。

(3)通過本試驗(yàn)，得到了90 mm寬帶堆焊的工藝參數(shù)，為其應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

[1]高宗仁.不銹鋼常用術(shù)語簡(jiǎn)解(中英對(duì)照)[M].太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2]JB4708-2000.鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定[S].

Reserch on electro-slag cladding and submerged arc welding of wide-strip

LI Peng-fei，WANG Jian-tao
(Xi'an Nuclear Equipment Ltd.，Xi’an 710021，China)

To improve the efficiency and quality of corrosion-resistant overlaying welding in production，the experiment on resurfacing welding was carried out using domestic strip and flux，applying welding equipment of ESAB.Intercrystalline corrosion，lateral bending，metallic phase and hardness of electro-slag strip cladding welding(ESW)and submerged arc cladding welding(SAW)were measured respectively.The technologies of ESW and SAW of broad band can acquire a deposited metal，whose property is similar to 304L stainless steel.The quality of weld pass can be improved by electric magnetic control for SAW.

EAS；SAW；electormagnet-contol unit

TG455

A

1001-2303(2010)02-0038-04

2009-10-19；

2010-01-10

李鵬飛(1978—)，男，陜西扶風(fēng)人，主要從事壓力容器的制造工作。