MIG立向下堆焊Inconel 625焊接工藝研究

(大唐東北電力試驗研究院，長春 130012)

0 引言

堆焊Inconel 625被廣泛應(yīng)用在石油化工、電站等領(lǐng)域，用以解決設(shè)備耐蝕和耐磨問題。通過國內(nèi)外已有的研究發(fā)現(xiàn)，在Cl腐蝕環(huán)境中，Inconel 625堆焊層中熔入過多的Fe元素會導(dǎo)致腐蝕能力不足，Janusz[1]在進行高溫腐蝕環(huán)境(N2+9%O2+0.08%SO2+0.15%HCl)研究中，發(fā)現(xiàn)堆焊層中Fe含量過多，嚴重降低了其在該高溫腐蝕下的使用壽命，并且指出Inconel 625堆焊層中的Fe含量應(yīng)限制在7%以下。孫煥煥等[2]研究了MIG(熔化極惰性氣體保護焊)在20G管上堆焊Inconel 625合金的堆焊層接頭的組織和性能，結(jié)果表明，堆焊層表面Fe元素含量高達20%左右。王小艷等[3-12]對使用不同的堆焊方法的Inconel 625合金工藝和組織性能進行研究，但主要是圍繞堆焊層的組織性能進行研究，并沒有對MIG立向下堆焊工藝進行研究。目前，壓力容器等承壓設(shè)備的Inconel 625堆焊主要以帶極堆焊、藥芯焊絲堆焊、焊條電弧焊堆焊、氬弧堆焊為主。MIG堆焊焊接材料為實心焊絲，堆焊焊材成本比藥芯焊絲節(jié)省40%以上，在堆焊效率上明顯要優(yōu)于氬弧焊和焊條電弧焊。因此，對MIG堆焊Inconel 625焊接工藝的研究具有重要的意義。本文采用MIG立向下堆焊Inconel 625，研究不同工藝參數(shù)對堆焊層表面鐵含量的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料和設(shè)備

堆焊試驗用鋼板選用Q245R，符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求，厚度為8 mm，其化學(xué)成分見表1。堆焊Inconel 625用焊絲為ERNiCrMo-3(符合AWS A5.14《鎳和鎳合金焊絲、焊棒》：ERNiCrMo-3)，焊絲化學(xué)成分如表2所示，焊絲含鐵量僅為0.40%，焊絲直徑?1.2 mm。保護氣由惰性氣體加少量氧化性氣體構(gòu)成，焊接試驗過程氣體配比不變。焊接電源分別采用CMT焊機和一款具有脈沖功能的焊機(以下簡稱常規(guī)脈沖焊機)。

表1 Q245R鋼板主要化學(xué)成分 %

表2 ERNiCrMo-3焊絲主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗的堆焊層性能要求

本試驗Inconel 625堆焊層性能要求：在Q245R鋼板上堆焊ERNiCrMo-3焊絲，獲得不小于2 mm的Inconel 625堆焊層，堆焊層表面(距離2 mm位置)鐵含量≤5%?？紤]試驗的可比性和應(yīng)用的經(jīng)濟性，試驗Inconel 625堆焊層厚度控制在2～2.1 mm，如圖1所示。

圖1 Inconel 625堆焊示意

1.3 試驗設(shè)計和試驗過程

在Inconel 625的MIG立向下堆焊中，可能會影響堆焊稀釋率的因素有焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、擺動速度、焊絲干伸長、單層堆焊2 mm、雙層堆焊2 mm(每層堆焊1 mm左右)等。本試驗焊接電流和焊接電壓是一元化控制，可忽略焊接電壓的影響。為對比以上所述變量對堆焊層鐵含量(稀釋率)的影響，試驗設(shè)計焊接參數(shù)見表3。焊前試板溫度為20～30 ℃，層道間溫度控制在20～30 ℃，允許每道焊完采用風(fēng)冷降溫。單層堆焊工藝的焊道布置如圖2所示，雙層堆焊工藝的焊道布置如圖3所示，堆焊順序為①-②-③-④-⑤。

表3 堆焊焊接參數(shù)

注:1.采用單層堆焊工藝堆焊2 mm，焊接電源為常規(guī)脈沖焊機；2.采用雙層堆焊工藝，共堆焊2 mm，焊接電源為常規(guī)脈沖焊機；3.采用雙層堆焊工藝，共堆焊2 mm，焊接電源為CMT焊機

圖2 單層堆焊焊道布置示意

圖3 雙層堆焊焊道布置示意

2 試驗結(jié)果和分析

單層堆焊和雙層堆焊的焊道成形見圖4，5。堆焊層表面的化學(xué)分析取樣位置在距離基材2 mm 處的堆焊層表面。每種工藝的化學(xué)分析結(jié)果見表4。

圖4 單層堆焊工藝表面和截面成形情況

圖5 雙層堆焊試樣成形情況

表4 距基材2 mm處堆焊層位置的化學(xué)成分 %

2.1 對比分析1

工藝1和工藝2的堆焊層表面鐵含量分別為6.95%,6.67%，堆焊層表面鐵含量相近，且都高于5.0%的鐵含量要求。說明在其他焊接參數(shù)不變的條件下，采用圖2,3所示的單層堆焊方式和雙層堆焊方式對降低堆焊層表面鐵含量并沒有明顯的影響。

2.2 對比分析2

工藝3的堆焊層表面鐵含量為3.53%，已經(jīng)能夠滿足堆焊層表面鐵含量≤5.0%的要求。工藝3和工藝2相比，堆焊層表面鐵含量明顯降低，工藝3的擺動速度為100 mm/s，工藝2的擺動速度為60 mm/s，其他參數(shù)相同。說明焊接擺動速度的增加，可以降低堆焊的稀釋率，能夠顯著地降低堆焊層表面的鐵含量。

2.3 對比分析3

通過工藝3,4,5對比焊絲干伸長對堆焊層表面鐵含量的影響，工藝3,4,5的干伸長分別為13,18,20 mm，工藝3，4堆焊層表面的鐵含量分別為3.53%,2.24%，另外工藝5因干伸長過長，焊道中存在一定數(shù)量的圓形未熔孔洞(見圖6)，未測量堆焊層表面(距基材2 mm處)的鐵含量。

圖6 工藝5的焊道成形情況

在焊接過程中，還發(fā)現(xiàn)干伸長越長、焊接電流下降得越厲害。干伸長20 mm時，電流由160 A降到130 A以下，不同干伸長下的實際焊接電流見表5。

表5 不同干伸長下的實際焊接電流

干伸長對電流的影響主要與電源的控制特性以及焊絲的電阻率有關(guān)。當干伸長較長，焊絲干伸長上的電阻熱增加，促使焊絲熔化加快，但本試驗使用的MIG焊接電源通過降低焊接電流的方式，減少焊絲干伸長上的電阻熱，維持送絲速度設(shè)定值。焊接電流的降低，導(dǎo)致促進熔滴下落的力減弱，熔深變淺，稀釋率下降[13]，堆焊層表面鐵含量降低。

通過分析鎳基合金和鐵的電阻率發(fā)現(xiàn)，鎳基合金的電阻率為103×10-8Ω·m，而低合金鋼的電阻率僅為9.78×10-8Ω·m，鎳基合金的電阻率是鐵的10倍。因此堆焊Inconel 625鎳基合金時，干伸長對電流的影響要比低合金鋼明顯得多。在采用MIG堆焊鎳基合金時，應(yīng)特別關(guān)注干伸長對實際焊接電流和焊接稀釋率的影響?？紤]氣體保護、焊絲尖端位置的準確情況，筆者認為在產(chǎn)品堆焊時，干伸長不應(yīng)超過15 mm。

2.4 對比分析4

通過工藝6和工藝3的焊接試驗，對比送絲速度增加(電流增大)對堆焊層表面鐵含量的影響。工藝6調(diào)整了送絲速度，將送絲速度提高到8 m/min(工藝3為6 m/min)，在保持堆焊層厚度不變的條件下，需要提高焊接速度至60 cm/min(工藝3為45 cm/min)。試驗結(jié)果表明，工藝6和工藝3的堆焊層表面鐵含量非常相近，說明在保證堆焊層厚度的條件下，提高送絲速度(增加電流)，堆焊層表面的鐵含量變化并不明顯。

但值得注意的是，送絲速度的提高(焊接電流的增大)，有利于提高電弧在高速擺動情況下的穩(wěn)定性，也就說焊接電流提高時，可以通過提高擺動速度降低堆焊層表面的鐵含量。此外，焊接電流的提高還會提高焊接效率。

2.5 對比分析5

工藝7和工藝3相比，送絲速度等參數(shù)相同，唯一不同的是，工藝7采用CMT焊機進行堆焊，焊接電流有所降低。工藝7距基材2 mm處堆焊層位置的鐵含量僅為1.25%，工藝3為3.53%，說明在相同的焊接參數(shù)下，CMT焊機對降低堆焊層表面鐵含量是非常顯著的。

3 結(jié)語

通過表3的7組對比試驗，對MIG立向下堆焊2 mm的Inconel 625試驗的總結(jié)和展望如下。

(1)更快的擺動速度、更長的干伸長度和采用CMT焊接電源會比較明顯地降低Inconel 625堆焊層的鐵含量，但過長的干伸長會導(dǎo)致堆焊層表面成形不良。

(2)在相同的焊接工藝情況下，圖2，3的堆焊布道方式對堆焊層表面鐵含量的影響不明顯。

(3)在相同的焊接工藝情況下，提高送絲速度(增加電流)和相應(yīng)匹配的焊接速度，在堆焊層厚度不變的情況下，堆焊層表面的鐵含量變化并不明顯。

(4)通過工藝7的堆焊層鐵含量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CMT焊機在立向下堆焊Inconel 625獲得低鐵含量的堆焊層方面具有更優(yōu)秀的表現(xiàn)。如何使用常規(guī)脈沖焊機獲得更低鐵含量的堆焊層，將是下一步研究的重點。