氣化爐鎳基實心焊絲堆焊工藝研究及應(yīng)用

張　杰，張　濤，羅永飛，鐘正彬

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司工藝部，四川自貢643001）

氣化爐鎳基實心焊絲堆焊工藝研究及應(yīng)用

張杰，張濤，羅永飛，鐘正彬

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司工藝部，四川自貢643001）

通過工藝試驗，鎳基實心焊絲氣體保護焊采用焊絲ERNiCrMo-3（φ1.2 mm)，保護氣體選用I3（Ar+He）堆焊，基材1.7335（1Cr-0.5Mo）、SA-387Gr11CL2，其堆焊層化學(xué)成分、綜合力學(xué)性能均滿足EN規(guī)范要求，抗晶間腐蝕能力能夠滿足設(shè)備技術(shù)要求；焊縫成形美觀，飛濺少，工藝性能良好，能有效減少焊接變形，提高了焊接效率。已應(yīng)用于氣化爐內(nèi)件管屏等大面積堆焊制造，解決了氣化爐管屏、殼體、接管大面積鎳基堆焊技術(shù)難題。

ERNiCrMo-3實心焊絲；堆焊；氣化爐

0　前言

我國能源分布呈現(xiàn)出“富煤、貧油、少氣”的特點。近年來，以煤為原料的化學(xué)工業(yè)正顯現(xiàn)出強勁的發(fā)展競爭優(yōu)勢，煤制油、甲醇、合成氨、烯烴、天然氣以及余熱發(fā)電等產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。

氣化爐作為煤氣化設(shè)備的核心部件，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，氣化溫度高達1 500℃，長期在高溫、高壓環(huán)境下運行；合成氣主要由CO、H2、H2S、CO2、N2等強腐蝕性介質(zhì)組成，對氣化爐相關(guān)工作區(qū)域（如反應(yīng)室、合成氣冷卻器、導(dǎo)管內(nèi)壁等）提出了很高的耐腐蝕性能要求。根據(jù)腐蝕介質(zhì)情況，目前通常采用堆焊鎳基材料耐腐蝕層方式，防止、減少工作介質(zhì)腐蝕。

近年，東方鍋爐股份有限公司在煤化工領(lǐng)域取得了突破，簽訂了大型煤氣化爐設(shè)備項目。氣化爐內(nèi)件全面采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)制造，采用復(fù)雜的膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特別緊湊、復(fù)雜，制造難度特別大，該氣化爐內(nèi)件制造在我國尚屬首次。氣化爐內(nèi)件管屏材料主要為1.7335（1Cr-0.5Mo），在由管子和扁鋼組成的圓柱狀管屏的內(nèi)、外壁大面積堆焊鎳基ERNiCrMo-3材料，堆焊層厚度4～5 mm，由于堆焊基材母材壁較薄、堆焊面積多，焊接變形控制難度大，管屏堆焊技術(shù)是氣化爐內(nèi)件制造的難點。

為了保證堆焊質(zhì)量，減少焊接變形，提高焊接效率，兼顧制造成本，擬采用鎳基實心焊絲氣保焊堆焊工藝，為此開展了一系列的焊接工藝試驗，并成功應(yīng)用于氣化爐制造。

1　試驗方法和結(jié)果

1.1試驗?zāi)覆?/p>

管子材質(zhì)及規(guī)格1.733（EN10216-2）φ38 mm× 7.1 mm，加工試樣L=300 mm一支；鋼板材質(zhì)及規(guī)格為SA-387Gr11CL2，δ=30 mm，加工試樣270 mm× 150 mm一塊。母材的化學(xué)成分見表1。

表1　母材的化學(xué)成分％

1.2熔敷金屬化學(xué)成分及性能

焊絲選擇ERNiCrMo-3、φ1.2 mm，能滿足EN ISO14172；焊接保護氣體為（EN ISO14175）I3（Ar+ He），其熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2、表3。

表2　熔敷金屬ERNiCrMo-3，φ1.2 mm化學(xué)成分％

表3　熔敷金屬ERNiCrMo-3，φ1.2 mm力學(xué)性能（室溫）

1.3制作試樣兩組

采用焊絲ERNiCrMo-3、φ1.2mm，制作試樣兩組。試管堆焊試樣編號D1，試板堆焊試樣編號D2，試樣宏觀如圖1、圖2所示。

圖1　堆焊試樣D1

圖2　堆焊試樣D2

堆焊前，清除試樣待堆焊區(qū)域氧化皮、鐵銹、油污等污染物，堆焊區(qū)域D1為L=160mm，D2為150mm× 160 mm，采用脈沖熔化極氣體保護焊焊接設(shè)備堆焊3層，堆焊厚度5～6 mm，控制層間溫度小于等于100℃，堆焊焊道搭接量60％～70％，焊接規(guī)范如表4所示。試樣焊后立即后熱（300℃～400℃）×（3～4h），打磨焊縫PT、UT探傷面，堆焊層焊縫進行100％PT、100％UT檢驗；探傷檢驗合格后，試樣進行680℃×4h退火處理。

1.4試樣檢驗

1.4.1無損探傷檢驗

試樣堆焊層焊縫進行100％UT檢驗，合格標(biāo)準(zhǔn)按ISO15614-7（任何大于φ8 mm平底孔信號的缺陷是不允許存在）；堆焊層焊縫100％PT檢測，合格標(biāo)準(zhǔn)按EN571-1，合格級別EN1289Ⅰ級；UT檢驗、PT檢測合格。焊接規(guī)范如表4所示。

表4　焊接規(guī)范

1.4.2熔敷金屬化學(xué)成分

試樣D1、D2檢測化學(xué)成分各3組，包括母材、堆焊層，位置為堆焊層距母材表面高度，如表5所示。

表5　熔敷金屬化學(xué)成分

1.4.3彎曲、硬度試驗

按ISO15614-7標(biāo)準(zhǔn)要求進行彎曲、硬度試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6　彎曲、硬度試驗

1.4.4金相檢驗

試樣D1宏、微觀檢驗均未發(fā)現(xiàn)缺陷，堆焊層熔合良好，堆焊層焊縫組織為奧氏體+碳化物（見圖3），熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體+貝氏體（見圖4），母材組織為鐵素體+珠光體（見圖5）。

圖3　堆焊層微觀組織

圖4　熱影響區(qū)微觀組織

圖5　母材微觀組織

試樣D2宏、微觀檢驗均未發(fā)現(xiàn)缺陷，堆焊層熔合良好，堆焊層焊縫組織為奧氏體+碳化物（見圖6），熱影響區(qū)組織為貝氏體（見圖7），母材組織為貝氏體（見圖8）。

1.4.5晶間腐蝕試驗

試驗采用ISO9400 B法，Cu-CuSO4-16％H2SO4試驗方法通過，試樣D1、D2均無晶間腐蝕傾向。

1.5焊接變形對比試驗

分別采用ENiCrMo-3、φ3.2 mm焊條電弧焊，ERNiCrMo-3、φ1.2 mm半自動混合氣體保護焊，保護氣體I3（Ar+He），開展了堆焊工藝對比試驗。試驗結(jié)果表明：半自動混合氣體保護焊堆焊縫成形好，堆焊效率高，焊接變形量小，打磨清理工作量少。

上述試驗結(jié)果表明，半自動混合氣體保護焊鎳基焊絲焊接工藝性能良好，焊接時電弧穩(wěn)定、飛濺小、焊縫表面成形美觀、無氣孔和裂紋等缺陷。

圖6　堆焊層微觀組織

圖7　熱影響區(qū)微觀組織

圖8　母材微觀組織

2　試驗分析

2.1保護氣體設(shè)計

在保證堆焊層化學(xué)成分、焊縫組織的前提下，保護氣體的組成及比例就成為焊縫組織能否滿足技術(shù)要求的關(guān)鍵因素，針對混合氣體進行了優(yōu)化設(shè)計，具體思路如下。

氦氣（He）熱傳導(dǎo)系數(shù)高，可以明顯提高電弧對母材的加熱作用，從而提高焊接速度，避免未熔合、未焊透等焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接飛濺小，焊縫成形得到改善。

對于半自動混合氣體保護焊，在保護氣體Ar中加入適量的He，適當(dāng)增加熔深，改善焊縫成形，增加焊接弧柱的穩(wěn)定性和熔透性，可以得到穩(wěn)定的熔滴過渡過程，避免產(chǎn)生熱裂紋；采用噴射過渡時，可以獲得很好的效果，熔池具有良好的濕潤性，使得焊縫變平、變寬，熔深變淺，減少稀釋率，同時減少了未熔合等缺陷。

保護氣體流量的大小直接影響氣體的保護效果。氣體流量不足，氣體層流挺度不強，對熔池的保護作用減弱，氣體保護效果不好，容易使焊縫中產(chǎn)生氣孔；氣體流量過大，對熔池吹力增大，冷卻作用增強，易造成氣體紊流現(xiàn)象，破壞氣體保護效果，而且浪費保護氣體。

2.2焊接性分析

氣化爐內(nèi)件管屏、殼體上（1.7335、SA-387Gr11CL2）大面積堆焊ERNiCrMo-3耐腐蝕層在公司尚屬首次，無經(jīng)驗可以借鑒。根據(jù)鎳基堆焊材料的特點，結(jié)合氣化爐產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，在堆焊時要特別注意：

（1）焊前重視清理堆焊區(qū)域。在堆焊區(qū)域內(nèi)，采用不銹鋼絲刷清理，露出金屬光澤；堆焊時嚴(yán)格控制道間溫度在100℃以下，防止過熱；如果出現(xiàn)過熱，將降低焊縫的強度和耐腐蝕的性能，尤其是過渡層的塑性大大降低。

（2）焊接熱輸入大小對焊縫熱裂紋的產(chǎn)生和堆焊層晶間腐蝕傾向有重要影響。要盡可能采用較小的焊接電流，減少焊接熱輸入，改善熔池結(jié)晶形態(tài)，減少枝晶間偏析，以防止熱裂紋的產(chǎn)生，改善熔合區(qū)質(zhì)量。焊接熱輸入過大，晶粒長大傾向增大，化學(xué)成分偏析嚴(yán)重，擴散作用對堆焊層化學(xué)成分有一定影響，造成含鐵量的增加，增大了晶間腐蝕傾向。

（3）嚴(yán)格控制焊接熱輸入。保證電弧穩(wěn)定燃燒，焊槍保持在接近垂直位置，弧長盡量短，盡量直線運動，避免大幅度的橫向擺動。采用多道焊，每層焊道的接頭應(yīng)錯開；收弧時，要及時填滿弧坑，待弧坑冷卻后再切斷保護氣體。

2.3堆焊層稀釋率

堆焊層的化學(xué)成分及性能主要取決于堆焊層材料的稀釋率。堆焊時嚴(yán)格控制稀釋率，稀釋率過大會增加堆焊層熱裂紋的敏感性，降低堆焊層耐蝕性。

影響半自動混合氣體保護焊鎳基堆焊稀釋率的因素主要有：焊接電流、焊接電壓、焊接速度、干伸長度、焊道間距、焊接位置等。

（1）焊接電流。

焊接電流增大，焊縫熔深加大，將導(dǎo)致母材熔化量增加，稀釋率增大，造成堆焊層的硬度偏高，過渡層塑性、韌性下降，導(dǎo)致側(cè)彎不合格。

（2）焊接電壓。

在焊接電流一定的條件下，電壓過低，堆焊焊道高而窄，下一道焊接時容易造成夾渣等缺陷；電壓過高，堆焊焊道較寬，堆焊層厚度達不到技術(shù)條件的要求。

（3）焊接速度。

焊接速度對鎳基焊絲堆焊的焊道和堆焊層的稀釋率有直接影響。焊接速度太快，堆焊焊道窄而薄，容易與下次焊道重疊，并且稀釋率偏高，增加了堆焊層硬度；焊接速度太慢，易造成堆焊厚度過高，增大焊道的濕潤角，下一道焊接時易產(chǎn)生焊道下夾渣，容易堵塞噴嘴、使保護氣體流通不暢，影響焊道表面成形質(zhì)量。

（4）干伸長度。

干伸長度對電弧的穩(wěn)定性、焊道熔深、電弧能量都有影響。焊絲伸出長度太長，會造成電弧不穩(wěn)定和焊道成形較差，飛濺較大。焊絲伸出長度過短，易造成電流較大、熔深較深、稀釋率增大、堵塞和燒損導(dǎo)電嘴，保護效果變差，易產(chǎn)生氣孔等缺陷。

（5）焊道間距。

減少焊道間距，則增大焊道間搭接量，焊接時熔化的母材減少，稀釋率減?。环粗?，稀釋率則增大。同時堆焊焊道之間的搭接量直接影響堆焊層平整度。

（6）焊接位置。

下坡焊熔池受重力作用流動方向與焊接方向一致，熔深較淺，稀釋率較小。

3　工程應(yīng)用

采用上述工藝在材料1.7335、SA-387Gr11CL2上采用半自動混合氣體保護焊焊絲ERNiCrMo-3、φ1.2 mm堆焊，其堆焊層焊縫的化學(xué)成分、力學(xué)性能、腐蝕試驗均滿足EN規(guī)范要求，可以應(yīng)用于產(chǎn)品制造。

由于氣化爐設(shè)備結(jié)構(gòu)的特點和鎳基焊接材料的特征，在設(shè)備制造上的運用有很大的難度，通過開展一系列的鎳基堆焊技術(shù)攻關(guān)，摸索出一整套鎳基堆焊的經(jīng)驗，掌握了焊接操作技能，精心操作，嚴(yán)格控制焊接規(guī)范，焊縫成形良好，焊接質(zhì)量優(yōu)良，堆焊后工件變形小，滿足了產(chǎn)品設(shè)計要求，如圖9～圖11所示。

圖9　氣化爐內(nèi)件管屏堆焊

圖10　氣化爐內(nèi)件管子堆焊

圖11　氣化爐外殼堆焊

在應(yīng)用于氣化爐內(nèi)件堆焊的同時，還推廣應(yīng)用到氣化爐殼體的堆焊制造，用于筒體內(nèi)壁堆焊、法蘭、管接頭堆焊，焊縫質(zhì)量良好，焊接效率大大提高，滿足了產(chǎn)品設(shè)計要求。

4　結(jié)論

（1）在基材1.7335（1Cr-0.5Mo）、SA-387Gr11CL2上，采用半自動混合氣體保護焊焊絲ERNiCrMo-3、φ1.2 mm，保護氣體I3（Ar+He）堆焊，堆焊層的組織為奧氏體+碳化物，堆焊層與基體熔合良好，其堆焊層化學(xué)成分和綜合力學(xué)力學(xué)性能均滿足EN規(guī)范要求，晶間腐蝕試驗按ISO9400 B法，Cu-CuSO4-16％H2SO4試驗方法通過，抗晶間腐蝕能力能夠滿足設(shè)備技術(shù)要求。

（2）采用半自動混合氣體保護焊ERNiCrMo-3、φ1.2 mm堆焊，其焊接工藝性能良好、堆焊后焊接變形小，堆焊層表面成形美觀、平整，焊縫成形好，效率高。

（3）通過開展一系列技術(shù)攻關(guān)，半自動混合氣體保護焊鎳基堆焊工藝技術(shù)成功地運用于氣化爐內(nèi)件管屏、殼體、接管等大面積堆焊，焊縫質(zhì)量良好、焊接變形小，經(jīng)過嚴(yán)格檢驗，完全滿足歐洲AD2000標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足了設(shè)計圖紙技術(shù)要求，解決了氣化爐管屏、殼體、接管大面積鎳基堆焊技術(shù)難題。

[1]李亞江，王娟，劉強.有色金屬焊接及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]張杰.保護氣體對鎳基藥芯焊絲堆焊層性能的影響[J].焊接技術(shù)，2014，43（07）：12-14.

[3]王天先.CO2氣保藥芯焊絲堆焊側(cè)彎不合格原因分析[J].電焊機，2010，40（02）：74-76.

Research and application of overlaying technology on gasifier nickel-based solid wire

ZHANG Jie，ZHANG Tao，LUO Yongfei，ZHONG Zhengbin
（Technology Department，Dongfang Boiler Co.，Ltd.，Zigong 643001，China）

Process test，nickel-based solid wire GMAW welding ERNiCrMo-3 φ1.2，shielding gas selection I3(Ar+He)surfacing，substrate 1.7335(1Cr-0.5Mo)，SA-387Gr11CL2，surfacing layer chemical composition and comprehensive mechanical performance can meet the EN specification requirements，intergranular corrosion resistant ability can meet the equipment technical requirements；weld forms well，less spatter，good performance，and can effectively reduce welding distortion，and improve the welding efficiency.Has been applied to the manufacture of large-area welding pieces of pipe screens inside the gasifier，solved large-area nickel-based overlaying technical problems of the gasifier pipe screens，shells and nozzles.

ERNiCrMo-3 solid wire；overlaying；gasifier

TG455

A

1001－2303（2016）03－0027-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.06

2016-01-06；

2016-01-20

張杰（1965—），男，四川富順人，學(xué)士，高級工程師，主要從事電站鍋爐及壓力容器焊接工藝的研究工作。