實芯焊絲在有色金屬容器制造中的應(yīng)用

杜永勤

實芯焊絲作為氣保焊、等離子弧焊、埋弧焊等焊接工藝方法的主要焊接材料，廣泛應(yīng)用于有色金屬壓力容器制造中。焊絲熔化作為有色金屬焊縫主要組成部分，必須具有良好耐蝕性能和力學(xué)性能，即與母材相當(dāng)甚至高于母材的耐蝕性能并承受一定載荷，焊絲質(zhì)量將直接影響焊縫質(zhì)量和有色金屬壓力容器的使用性能。

一、有色金屬壓力容器常用實芯焊絲

我公司作為專業(yè)從事不銹鋼、超級不銹鋼及有色金屬非標(biāo)設(shè)備及部件的設(shè)計、制造、研發(fā)、安裝及管道元件制作、安裝的大型制造加工企業(yè)，采用鎢極氬弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊及埋弧焊等焊接方法，選用實芯焊絲，相繼批量制造完成不銹鋼、超級不銹鋼、鎳及鎳合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金、鋯及鋯合金及其復(fù)合板的塔器、換熱器、反應(yīng)器、儲罐及管道等大型有色金屬化工裝置的焊接制造任務(wù)。

根據(jù)母材、使用工況、焊接方法及自動化程度，選用與母材成分、性能相匹配，符合中國標(biāo)準(zhǔn)、ASME標(biāo)準(zhǔn)或其他標(biāo)準(zhǔn)的實芯直絲和盤絲作為有色金屬壓力容器的填充材料，主要有：低合金鋼焊絲ER50—6、H08Mn2MoA、ERNi80s、ER55等，不銹鋼焊絲：ER316L、ER385、ER2594等，鎳及其合金焊絲：ERNi—1、ERNiCu—7、ERNiCrMo—13等，鈦及其合金：ERTA2ELI、ERTA10等，鋯及其合金：ERZr—2及鉭絲Ta1等350多種型號。

二、影響有色金屬壓力容器焊縫質(zhì)量的因素

1. 手工鎢極氬弧焊實芯直線狀焊絲

一般手工鎢極氬弧焊采用直絲，規(guī)格為φ1.6 mm、φ2.4 mm、φ3.0mm，長度為950mm，直絲在使用過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

（1）焊絲內(nèi)部中存在雜質(zhì)、空穴 圖1～圖3是生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的用材質(zhì)為ERZr—2、φ2.4mm直焊絲內(nèi)部存在雜質(zhì)或空穴典型案例。

圖1為抽樣的30根φ2.4mm的ERZr—2焊絲在射線檢測后發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部雜質(zhì)和空穴缺陷，圖2為有中心夾雜物的鋯焊絲的斷面宏觀金相和掃描電鏡能譜儀測定的中心夾雜物的成分，雜質(zhì)中碳、氧等含量很高；圖3為有空穴的鋯焊絲空穴部位的宏觀斷面金相。表1為鋯焊絲化學(xué)成分。

從長期的不同材質(zhì)的實芯直焊絲使用情況看，這種空穴或夾雜在碳鋼、不銹鋼、鎳基合金、銅及合金等直焊絲中發(fā)現(xiàn)較少，主要出現(xiàn)在＞φ2.4mm鋯或鈦焊絲中。

對在焊接中焊縫出現(xiàn)大量氣孔的同批鈦焊絲和鋯焊絲分別隨機抽取30根進行RT檢測和化學(xué)分析：每30根中，鈦焊絲有4根存在斷續(xù)密孔或夾雜物，鋯焊絲有8根存在斷續(xù)空穴或夾雜物；對有缺陷的焊絲在缺陷部位制備化學(xué)分析金屬屑，按標(biāo)準(zhǔn)方法進行成分分析，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如此焊絲質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，但存在氣孔和夾雜物，焊接完成的焊縫存在氣孔缺陷。表面抽樣化學(xué)成分檢測對于焊絲質(zhì)量控制存在缺陷，對于制造過程中鑄錠冒頭雜質(zhì)混入及軋制后的焊絲內(nèi)部空穴無法識別，需要加強和改進焊絲生產(chǎn)工藝控制解決。對于小直徑焊絲，當(dāng)有夾雜或空穴時，在加工過程中容易及時發(fā)現(xiàn)，從而有效保證成品焊絲質(zhì)量。

（2）供貨直焊絲中存在混入的其他型號的焊絲 同一包裝盒中，如ER308焊絲盒中混有幾根ER316L，或ERTA2ELI中混有ERZr—2焊絲，尤其是沒有端頭標(biāo)記的焊絲。這種混入的直焊絲與供貨焊絲外觀、熔化特點相似，焊接過程中很難發(fā)現(xiàn)，只有在后續(xù)PMI檢測時可能會發(fā)現(xiàn)。

（3）同一批焊絲中少量焊絲表面存在氧化皮或罅隙 焊絲表面氧化皮或罅隙的存在，增加焊縫含氧量和雜質(zhì)含量，影響焊縫質(zhì)量。一般采用砂紙打磨或酸洗去除后使用。這是焊絲制造過程質(zhì)量控制不嚴(yán)引起。

圖1 RT檢測發(fā)現(xiàn)的鋯或鈦直絲內(nèi)部的夾雜或空穴

圖2 鋯焊絲宏觀斷面（夾雜物）

圖3 鋯焊絲宏觀斷面（中心空穴）

表1 鋯焊絲成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2. 機械焊/自動焊用實芯焊絲

機械/自動焊焊接質(zhì)量穩(wěn)定、外觀成形美觀，勞動強度低，正在成為有色金屬焊接的替代高效焊接工藝方法。自動鎢極氬弧焊、等離子弧焊配用φ0.8mm～φ1.2mm焊絲，用于不銹鋼、有色金屬薄壁部件、活性金屬的換熱器管頭焊縫、縱環(huán)縫蓋面焊接及填絲等離子弧焊打底焊接；自動鎢極氬弧焊配φ2.0mm焊絲，用于有色金屬縱環(huán)焊縫填充蓋面焊接；埋弧焊主要用于鋼、不銹鋼、鎳合金及銅合金等焊縫焊接，埋弧焊焊絲一般選用φ2.4mm以上規(guī)格。密排形式盤狀供應(yīng)的機械/自動焊焊絲焊接過程穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量高，但由于焊絲規(guī)格、性能及供貨狀態(tài)影響，出現(xiàn)焊接質(zhì)量過程不穩(wěn)定。

（1）焊絲打彎造成焊接過程中斷 這類情況主要出現(xiàn)在細(xì)焊絲自動鎢極氬弧焊、等離子弧焊過程中，鈦細(xì)絲焊接尤為明顯，如圖4所示。

觀察發(fā)現(xiàn)直徑＜1.2mm純鈦焊絲由于氧、鐵含量低，硬度小，且存在打彎造成送絲不暢，因此對于細(xì)鈦焊絲，應(yīng)保持一定的氧含量以保證焊絲的強度，同時應(yīng)保持焊絲表面不能有死彎，影響送絲。

（2）埋弧焊絲硬度過高，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定 如圖5所示，鎳合金埋弧焊時，φ3.2mm鎳鉻鉬焊絲硬度過高引起焊接過程不穩(wěn)定造成焊縫質(zhì)量問題。通過對鎳鉻鉬埋弧焊焊接過程跟蹤和焊絲性能分析，發(fā)現(xiàn)焊絲硬度高，彈性大，導(dǎo)致焊絲散亂，送絲輪磨損打滑，出現(xiàn)送絲過程不均勻，焊縫形成糖葫蘆狀，局部焊縫存在中心裂紋。對出現(xiàn)錯亂的φ3.2mm鎳鉻鉬焊絲進行力學(xué)性能和組織分析，發(fā)現(xiàn)硬度過高和彈性大是由鎳鉻鉬焊絲拉拔加工硬化引起，即與焊絲供貨狀態(tài)有關(guān)，具體力學(xué)性能及組織如表2所示。

從表2看出，熱處理后焊絲硬度、強度明顯下降，塑性明顯提高，熱處理后組織變化如圖6所示。從圖6看出，950℃熱處理焊絲再結(jié)晶，碳化物溶入晶粒內(nèi)部，晶界減少，焊絲加工硬化消除，表面硬度顯著降低。后續(xù)供應(yīng)的熱處理的焊絲焊接過程穩(wěn)定證明了這一點。

對于機械/自動焊用實芯焊絲需要保證一定的硬度，不能過硬，也不能過軟，對于有強烈加工硬化傾向的高合金鋼，應(yīng)關(guān)注其供貨狀態(tài)，以保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

3. 熔化極氣體保護焊實芯焊絲

與碳鋼、低合金鋼實芯焊絲氣保焊應(yīng)用相比，不銹鋼、鎳基合金、鈦等有色金屬的實芯熔化極氣體保護焊，由于焊接工藝不成熟和擔(dān)心焊縫耐蝕性能不能滿足要求而很少在容器焊接過程中應(yīng)用。近年來隨著科技進步，焊機制造技術(shù)水平（如專業(yè)有有色金屬的焊接設(shè)備上市、冷焊工藝CMT工藝的出現(xiàn)）和對氣保焊焊接技術(shù)認(rèn)識的提高，使實芯焊絲熔化極氣體保護焊在有色金屬壓力容器制造過程中推廣應(yīng)用成為可能。逐步開展了不銹鋼、鎳合金、鈦的實芯焊絲氣保焊的工藝探索，圖7～圖9為鎳合金N10276、N06600及工業(yè)純鈦SB265 Gr2的熔化極氣體保護焊試件外觀成形。

從圖中看出，不銹鋼、鎳合金的熔化極氣體保護焊，由于材料中含有一定量的鎳，焊接過程中熔敷金屬流動性差，焊縫保護措施不到位，氧化嚴(yán)重，成形較差；鈦熔化極惰性氣體保護焊正面焊縫焊接飛濺嚴(yán)重。以上試件焊后經(jīng)RT檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷。不銹鋼、鎳合金、鈦合金由于應(yīng)用較少，實踐經(jīng)驗欠缺，所以需要進一步研究完善，并逐步推廣應(yīng)用。

圖 5

表2 φ3.2mm鎳鉻鉬焊絲力學(xué)性能

圖6 鎳鉻鉬焊絲供貨態(tài)和熱處理態(tài)組織情況

圖7 N10276實芯熔化極氣體保護焊焊縫正面背面成形

圖8 N06600實芯熔化極氣體保護焊焊縫正面背面成形

三、實芯焊絲在有色金屬制造過程的應(yīng)用前景及展望

隨著壓力容器制造焊接自動化水平的逐步提高，實芯盤狀焊絲的高效、節(jié)省材料、焊縫質(zhì)量優(yōu)異的優(yōu)點會更加明顯，將進一步促進有色金屬實芯焊絲的使用。但實芯焊絲質(zhì)量優(yōu)劣、焊接工藝技術(shù)進步，也將是影響焊接過程穩(wěn)定性、焊縫質(zhì)量及推廣使用的主要障礙。

從我國壓力容器制焊絲應(yīng)用來看，還需要從以下方面改進和提高。

圖9 鈦材實芯熔化極氣體保護焊焊縫正面背面成形

（1）壓力容器用實芯焊接材料標(biāo)準(zhǔn)相對滯后，焊接材料質(zhì)量層次不齊，有待進一步規(guī)范。

隨著石化裝置高溫、高壓、耐蝕及大型化發(fā)展，焊接材料種類越來越多，要求越來越高，國內(nèi)有色金屬材料制造技術(shù)研發(fā)滯后，造成焊接材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更新滯后，如鋯焊絲缺乏焊絲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，現(xiàn)行壓力容器焊接材料規(guī)范中應(yīng)用的實芯焊絲型號有限，缺乏對用于焊絲生產(chǎn)坯料及交貨狀態(tài)的規(guī)定等內(nèi)容，對實芯焊絲在壓力容器行業(yè)推廣應(yīng)用不利。

（2）加快有色金屬配套焊接材料和工藝技術(shù)研制，推動實芯焊絲高效焊接工藝在有色金屬壓力容器焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用。

長期以來國內(nèi)超級不銹鋼及有色金屬研發(fā)加工技術(shù)相對落后，焊接材料制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)嚴(yán)重滯后。由于有色金屬價格昂貴，焊接材料研發(fā)和工藝試驗成本高，致使實際生產(chǎn)中大量采用手工鎢極氬弧焊進行焊接制造，對超級不銹鋼、鎳合金等的埋弧焊、熔化極氣體保護焊實芯焊絲及活性金屬焊接的焊接材料研制及其焊接工藝研究較少，成熟應(yīng)用經(jīng)驗匱乏，需要進一步加強技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣，以促進實芯焊絲在壓力容器行業(yè)的應(yīng)用。

（3）加強焊接材料生產(chǎn)管理，提升焊材生產(chǎn)質(zhì)量控制水平，改進成品實芯焊絲質(zhì)量。實芯焊絲熔化后作為鑄造組織焊縫的一部分，為了確保焊縫性能與母材匹配，即焊絲的性能要求優(yōu)于母材，來確保焊縫與母材性能的等效性。如此焊材質(zhì)量控制應(yīng)高于母材制造，如此焊材供應(yīng)商應(yīng)在進一步了解和適應(yīng)壓力容器制造對材料性能的要求，樹立焊材質(zhì)量要求嚴(yán)于母材生產(chǎn)的觀念，從配料、冶煉、軋制、熱處理、檢驗試驗、標(biāo)記、包裝到發(fā)貨整個工藝過程應(yīng)嚴(yán)格控制，規(guī)范作業(yè)，確保焊絲在制造的可跟蹤性，提高實芯焊絲產(chǎn)品質(zhì)量。

四、結(jié)語

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，壓力容器向著大型化、環(huán)保型發(fā)展，隨著新材料不斷涌現(xiàn)，實芯焊絲作為新材料容器制造中的基本填充金屬是必不可少，也是推動新材料實現(xiàn)焊接應(yīng)用的基本途徑。實芯焊絲質(zhì)量的提高及高效應(yīng)用，不僅需要焊材供應(yīng)商加強焊材生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，也需要焊接工程技術(shù)人員不斷進行工藝研究，改進工藝適應(yīng)性，以促進實芯焊絲在有色金屬壓力容器行業(yè)的應(yīng)用。