高速帶極單層電渣堆焊技術(shù)及質(zhì)量控制

費(fèi)紅茹，張璞臨，張 凱，厚喜榮，陳宏偉，張建曉

（1.中石油蘭州石化維達(dá)公司，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

高速帶極單層電渣堆焊技術(shù)及質(zhì)量控制

費(fèi)紅茹1，張璞臨2，張 凱2，厚喜榮2，陳宏偉2，張建曉2

（1.中石油蘭州石化維達(dá)公司，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

高速電渣堆焊技術(shù)堆焊層的增碳作用極小，由于堆焊時無電弧，母材熔深較淺，減少了因低合金鋼母材熔化引起的堆焊層增碳作用，可以顯著提高堆焊層的耐腐蝕性能；同時，由于電渣焊劑的堿度高，氧化性小，并在焊劑組分中加入某些成分改善熔池冶金物理化學(xué)反應(yīng)，有利于防止某些與氧親和力強(qiáng)的合金元素?zé)龘p。通過對高速單層帶極電渣堆焊用鋼帶、焊劑及有關(guān)工藝的試驗研究并進(jìn)行了筒體鑒證件的堆焊。

高速帶極單層電渣堆焊；焊接材料；稀釋率；控制要素

0 前言

高溫、高壓且在臨氫條件下運(yùn)行的壓力容器，為了提高高溫耐腐蝕性以及在高溫、高壓下由于氫與鋼中碳原子相結(jié)合生成甲烷（CH4），導(dǎo)致鋼的脆化與裂紋的發(fā)生，反應(yīng)器殼體通常都采用Cr-Mo型耐熱鋼。為了避免由于脫硫反應(yīng)產(chǎn)生大量的H2S對反應(yīng)器內(nèi)壁表面的腐蝕以及當(dāng)反應(yīng)器停止運(yùn)行時，由連多硫酸（H2SXO6）引起的應(yīng)力腐蝕開裂，在反應(yīng)器內(nèi)壁通常都堆焊奧氏體不銹鋼，目前，347L型不銹鋼已廣泛采用于堆焊材料，這種通過Nb穩(wěn)定化的超低碳不銹鋼堆焊金屬不僅具有優(yōu)良的抗H2S腐蝕的能力，且具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。為了提高堆焊層與母材之間的塑韌性，防止熔合區(qū)附近產(chǎn)生過多的馬氏體及焊后熱處理過程中由于碳遷移產(chǎn)生的增碳帶以及控制堆焊金屬中由于母材稀釋造成的增碳現(xiàn)象，通常采用309L作為母材與347L堆焊金屬間的過渡層堆焊材料，這就是大部分加氫反應(yīng)器采用的309L+347L雙層不銹鋼帶極堆焊工藝。

隨著堆焊材料和堆焊技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)用戶的要求和實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，有的反應(yīng)器要求只堆焊一層，因為堆焊一層就要達(dá)到臨氫條件下壓力容器要求的成分、耐腐蝕和力學(xué)等性能，這就要求焊劑的增碳傾向很小，稀釋率很低，且要更好適應(yīng)堆焊工藝和條件。

20世紀(jì)80年代初，日本神戶制鋼新開發(fā)并運(yùn)用了高速帶極堆焊法（HS），可使焊接輸入熱減少，從而細(xì)化了奧氏體晶粒，改善了堆焊區(qū)的抗剝離能力，同時該方法使用的電流大、焊速高，堆焊的熔敷率可進(jìn)一步提高。因此，高速帶極堆焊工藝是加氫設(shè)備大面積堆焊的一個發(fā)展方向。

1 帶極堆焊

1 帶極堆焊類型

（1）埋弧帶極堆焊。

堆焊時電弧熱熔化焊帶形成堆焊層，母材熔深較大，母材熔深較大，稀釋率高，堆焊時有電弧。

（2）電渣帶極堆焊。

由通過熔池的電流產(chǎn)生的電阻熱熔化焊帶形成堆焊層，堆焊時無電弧現(xiàn)象，母材熔深較淺，稀釋率較低。

1.2 帶極堆焊質(zhì)量控制要素

（1）最小表層厚度；（2）一定的化學(xué)成分范圍；（3）堆焊層金相組織及其有關(guān)特性。

要達(dá)到上述要求，需要控制的要素如圖1所示。由圖1可知，堆焊層厚度、堆焊層成分和組織受幾種相互關(guān)聯(lián)因素的影響。

圖1 帶極堆焊質(zhì)量控制要素

2 電渣帶極堆焊技術(shù)

電渣堆焊技術(shù)的特點(diǎn)就是焊劑在熔融狀態(tài)有良好的導(dǎo)電性，在一定的熔池深度下，由通過熔池的電流產(chǎn)生的電阻熱熔化焊帶形成堆焊層，堆焊時無電弧現(xiàn)象。與熔煉型埋弧堆焊相比，堆焊層的增碳作用極小，這是由于焊劑本身的含碳量很低，同時也由于堆焊時無電弧，母材熔深較淺，減少了因低合金鋼母材熔化引起的堆焊層增碳作用。所以使用燒結(jié)型電渣焊劑堆焊，可以顯著提高堆焊層的耐腐蝕性能。燒結(jié)型電渣焊劑的另一個特點(diǎn)是堿度高、氧化性小，并且在焊劑組分中加入某些成分改善熔池冶金物理化學(xué)反應(yīng)，有利于防止某些與氧親和力強(qiáng)的合金元素的燒損。因此，燒結(jié)型焊劑和熔煉型焊劑相比，鉻、錳、鈮等元素可以適當(dāng)減少，節(jié)約合金元素，特別是隨著鉻的減少，鋼中鐵素體相減少，改善鋼的鍛造、熱軋等性能，提高鋼帶的成材率，降低成本。

2.1 高速帶極電渣堆焊材料確定

容器內(nèi)壁不銹鋼堆焊材料的選擇，要求堆焊層合金元素的含量必須保證其組織為奧氏體+少量δ鐵素體，其中鐵素體含量為3%～10%。由于堆焊層在容器制造過程中要經(jīng)過多次熱處理，致使堆焊層發(fā)生敏化和脆化作用，這影響了不銹鋼層的抗腐蝕性能和機(jī)械性能。因此，對帶極材料的C、Nb含量都有比較嚴(yán)格的限制。在焊劑的選擇上，應(yīng)采用堿性燒結(jié)型焊劑，以防止合金元素的燒損，并具有好的工藝性能，如利于焊接過程的穩(wěn)定性、焊道成形和脫渣等。

2.2 高速帶極電渣堆焊接規(guī)范的確定

（1）盡量降低稀釋率。

（2）在滿足一定厚度的情況下，具有良好的表面成形。

（3）減少焊劑的熔化量。

試驗表明，影響堆焊層厚度和稀釋率的主要因素是焊接速度，其次是焊接電流，焊接電壓則影響較小。單層帶極電渣堆焊時應(yīng)適當(dāng)增大電流，以增加堆焊層的厚度，有效厚度不小于4 mm。

2.3 施工因素控制

（1）帶極在筒體內(nèi)的相對位置不同，上坡焊和下坡焊的焊道也不同（與平焊比較）。上坡焊：焊道一般稍帶凸度，易產(chǎn)生咬肉；在堆焊厚度大的情況下，與水平面的傾斜度為5/100的上坡焊，其焊道的外觀形狀和搭接部分的焊透程度令人滿意。下坡焊：產(chǎn)生咬肉的可能性小，但堆焊厚度?。划?dāng)堆焊稍厚的焊道時，中央易凹陷，焊趾部分易形成滿溢，造成夾渣。

（2）焊道搭接量的控制：帶極電渣堆焊的焊道比較平滑，如果不注意搭接量的控制，搭接區(qū)就會出現(xiàn)凹凸不平，影響焊道外觀。但搭接量與堆焊厚度有關(guān)，堆焊厚度薄時，搭接量可適當(dāng)大些；而堆焊厚度大時，搭接量就要減小。4 mm厚的焊道，搭接量應(yīng)為8～10 mm。

（3）焊劑的堆積體積對焊道的形成也有一定影響。焊劑的重力會造成對熔融金屬的擠壓，特別是當(dāng)焊嘴后側(cè)的焊劑堆積太多時，會擠壓熔渣向兩側(cè)流動，導(dǎo)致焊道中間凹陷。因此，焊劑的堆積厚度不能太高。

（4）大電流引起的咬邊，特別是寬帶極堆焊時很難避免咬邊。焊道出現(xiàn)咬邊與焊接回路的電流強(qiáng)度及其磁場相互作用產(chǎn)生的洛侖茲力有很大關(guān)系。當(dāng)電流從液態(tài)熔池通過時，這種影響最為顯著。為了減少磁場的影響，焊接電纜與工件的連接非常關(guān)鍵，最好是相對于堆焊方向連接工件。磁場對咬邊的影響與帶極寬度和工件大小有關(guān)系。一般60mm×0.5mm的帶極在大型工件上堆焊時，磁場作用不甚顯著。如果帶極再增寬，電流加大，磁場本身所產(chǎn)生的不利影響就難以從工藝上消除，此時，必須用附加磁場的專用裝置來克服焊接磁場的作用。

3 氫剝離裂紋形成

處在高溫、高壓、臨氫介質(zhì)工作的加氫反應(yīng)器，當(dāng)停工快速降溫時，基體內(nèi)溶解的氫沿堆焊層向外擴(kuò)散。由于氫在不銹鋼堆焊層擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于基體，易在熔合邊界區(qū)富集使其結(jié)合力降低，而在邊界熔合增碳區(qū)和粗大奧氏體區(qū)，沿晶界形成裂紋，稱氫剝離裂紋。

其原因是母材和堆焊層金屬因組織差異而具有不同的氫溶解度和擴(kuò)散速度，使得母材和堆焊層界面上的氫濃度呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)。氫在母材中溶解度的過飽和度要比堆焊層大，在奧氏體不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)要比Cr-Mo鋼小，當(dāng)設(shè)備由運(yùn)行工況冷卻到常溫狀態(tài)時，析出的氫由母材側(cè)向堆焊層側(cè)擴(kuò)散移動，且擴(kuò)散到堆焊區(qū)時速度將明顯放慢，造成堆焊層過渡區(qū)側(cè)氫大量聚集，氫致開裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1H值大幅度下降，從而誘發(fā)材料脆化剝離。

4 焊接工藝評定

依據(jù)BCEQ-9301/A1《壓力容器內(nèi)部單層堆焊（E347）技術(shù)條件》的要求進(jìn)行焊接工藝評定。高速帶極單層電渣堆焊的工藝參數(shù)如表1所示；焊帶TBD-309LNb+焊劑ML-305HS在12Cr2Mo1R鋼上堆焊層的化學(xué)成分如表2所示。堆焊焊道數(shù)量為3道；堆焊層厚度4.3～4.6 mm，不銹鋼層堆焊后分別進(jìn)行了著色探傷和磁性鐵素體測量。熱處理后進(jìn)行了超聲波探傷，堆焊試板進(jìn)行690℃×32 h焊后熱處理；無損檢測和鐵素體測量結(jié)果如表3所示；堆焊層金相組織及顯微硬度如表4所示；從堆焊試板制取的各種力學(xué)試樣試驗，試驗結(jié)果均滿足要求；從不銹鋼表面往下切取了3 mm的晶間腐蝕試片，進(jìn)行了硫酸-硫酸銅腐蝕試驗（GB/T4334.E-2008），試驗結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何晶間腐蝕現(xiàn)象。在12Cr2Mo1R鋼上堆焊焊帶TBD-309LNb+焊劑ML-305HS的焊接工藝評定，試驗結(jié)果滿足技術(shù)條件要求，表明所用焊接材料和焊接工藝規(guī)范能保證堆焊層在高溫、高壓、臨氫運(yùn)行環(huán)境下工作。

表1 高速帶極（60 mm×0.5 mm）單層電渣堆焊工藝參數(shù)

表2 高速帶極單層電渣堆焊母材、焊帶及堆焊層化學(xué)成分%

表3 無損探傷及鐵素體測量

表4 金相組織及硬度

5 筒體見證件的焊接

采用高速帶極單層電渣堆焊技術(shù)，在該設(shè)備筒體內(nèi)壁堆焊了焊帶TBD-309LNb+焊劑ML-305HS（見圖2、圖3），堆焊焊道表面平坦而光滑，堆焊結(jié)合面經(jīng)UT、堆焊層經(jīng)PT檢測合格，鐵素體含量滿足要求。

圖2 堆焊焊接

6 結(jié)論

（1）堿性燒結(jié)型焊劑ML-305HS可用于高速帶極單層電渣堆焊；堆焊層性能檢驗結(jié)果比較理想，選定的焊接材料合適。

（2）通過生產(chǎn)實(shí)踐證明高速帶極單層電渣堆焊技術(shù)能保證焊接質(zhì)量。

（3）高速帶極單層電渣堆焊技術(shù)可大大縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

圖3 堆焊完成

[1]張璞臨，徐笑梅，李曉耀.加氫反應(yīng)器帶極堆焊的質(zhì)量控制[J].壓力容器，1999，16（4）:49-54.

[2]李大軍，張建曉.壓力容器內(nèi)表面單層帶極電渣堆焊技術(shù)[J].電焊機(jī)，2004，34（5）：21-23.

[3]李大軍，張建曉.帶極電渣堆焊的磁場控制[J].電焊機(jī)，2006，36（8）：50-52.

Quality control and technology of high speed single layer of electroslag surfacing

FEI Hongru1，ZHANG Pulin2，ZHANG Kai2，HOU Xirong2，CHEN Hongwei2，ZHANG Jianxiao2
（1.PetroChina Lanzhou Petrochemical Vinda Ltd.，Lanzhou 730060，China；2.Lanzhou lanshi Heavy Equipment Co.Ltd.，Lanzhou 730314，China）

Surfacing layer of high-speed electroslag surfacing technology has minimum recarburation.Because of the welding without electric arc，the parent material's penetration is relatively shallow.Reducing the surfacing layer recarburation caused by low carbon alloy steel base metal，can significantly improve the corrosion resistance of the surfacing layer；at the same time，because of the high basicity of the slag flux，oxidation is small，and adding some ingredients to improve the metallurgical physical chemistry reaction of the weld pool，is propitious to prevent some of the strong affinity with oxygen burning loss of alloy elements.In this paper，the experimental study on the steel strip，flux and the related technology of the high speed single layer with high speed single layer is used，the overlaying of the shell identification is finished.

high speed single layer electroslag welding；welding materials；dilution rate；control elements

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0160-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.36

2015-07-10

費(fèi)紅茹（1965—），女，甘肅蘭州人，主要從事煉化裝置的管理工作。