ENiCrMo-3等級鎳基合金單層帶極電渣堆焊工藝研究

張兆林

摘要：針對產(chǎn)品技術要求中ENiCrMo-3等級鎳基合金堆焊層厚度大于等于4.5 mm、堆焊層表面及堆焊層表面以下3.2 mm處化學成分需滿足ASME規(guī)范Ⅱ卷C篇SFA-5.11 ENiCrMo-3和彎曲性能合格的條款，采用單層帶極電渣堆焊工藝增加堆焊厚度的方法取代常規(guī)工藝中采用雙層帶極電渣堆焊的方法，在平板上和筒體內(nèi)壁兩種工況下進行堆焊試驗，摸索出了ENiCrMo-3等級鎳基合金焊帶單層電渣堆焊焊接工藝參數(shù)。試驗結(jié)果表明，除焊接熱輸入相關變量外，上坡量對焊縫成形尤為重要，對比平板堆焊和內(nèi)徑1 620 mm筒體內(nèi)壁堆焊的焊接參數(shù)可知，單層堆焊厚度大于等于4.5 mm時，兩種結(jié)構(gòu)下的適用焊接參數(shù)差異較大，平板堆焊參數(shù)不能適用于筒體內(nèi)壁堆焊。

關鍵詞：單層電渣堆焊;鎳基合金;堆焊厚度

中圖分類號：TG455文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0067-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.14

0 前言

近年來，高溫、高壓耐腐蝕的石油化工及煤化工壓力容器趨向大型化發(fā)展，對于一些大型主要設備，基于強度和耐蝕性的綜合考慮，內(nèi)壁往往要求堆焊奧氏體不銹鋼或Ni基合金[1]。傳統(tǒng)的電弧堆焊由于對母材稀釋率高，都采用兩層以上的堆焊工藝，帶極電渣堆焊技術由于其熔深淺、稀釋率低、效率高，通過外磁場控制可獲得表面平坦而光滑的堆焊層，因此，進行單層堆焊就可較容易地滿足堆焊層性能要求[2-3]。目前，國內(nèi)外在不銹鋼單層帶極電渣堆焊方面的研究和應用較多，在鎳基合金電渣堆焊主要采用兩層堆焊工藝，鎳基合金單層電渣堆焊方面的研究僅有莫青杉和陶學理學者在《單層電渣堆焊解決方案》中有所提及。在此，結(jié)合某產(chǎn)品的堆焊試驗，介紹ENiCrMo-3等級鎳基合金焊帶單層電渣堆焊焊接工藝的研究情況。

1 產(chǎn)品對堆焊層的技術要求

哈爾濱鍋爐廠有限責任公司前期某產(chǎn)品，燃燒室筒體內(nèi)壁要求堆焊ENiCrMo-3，堆焊層厚度大于等于6 mm。技術協(xié)議中要求工藝評定試板進行晶間腐蝕傾向性試驗，未對堆焊層化學成分進行要求。按照常規(guī)工藝生產(chǎn)制造，采用帶極電渣堆焊工藝，堆焊兩層，每層堆焊厚度3～3.5 mm，即可滿足產(chǎn)品要求。而在某新項目中要求堆焊層厚度大于等于4.5 mm，堆焊完成后進行100%PT+100%UT無損檢測，合格后進行695±10 ℃/8 h焊后熱處理。合格標準：宏觀試樣無缺陷，側(cè)彎試樣合格，堆焊層表面以及堆焊層表面以下3.2 mm處化學成分需滿足ASME規(guī)范Ⅱ卷C篇SFA-5.11 ENiCrMo-3要求，如表1所示。

2 焊接工藝試驗

2.1 試驗材料及方案的確定

為節(jié)省焊材和提高生產(chǎn)效率，采用單層帶極電渣堆焊進行試驗。實施焊接時，由于筒體存在曲率問題，與在平板上焊接存在很大不同[4]。所以，采用平板堆焊和筒體內(nèi)壁堆焊兩種試驗方案進行研究。平板堆焊試驗基材選用規(guī)格600 mm×300 mm×50 mm的12Cr2Mo1R鋼板，筒體內(nèi)壁堆焊試驗的基材為12Cr2Mo1R鋼板卷制而成的規(guī)格為φ內(nèi)1 620 mm×δ110 mm的筒體，基材化學成分如表2所示;為保證耐蝕層的化學成分和耐蝕性能，選用Ni-Cr含量較高、含碳量較低的堆焊焊材，帶極電渣堆焊所用焊劑主要考慮焊接過程的導電性、穩(wěn)定性、焊道的外觀形狀及潤濕性、脫渣性、熔深的均勻性、焊縫耐蝕性等方面因素。因此，選用工藝性能、耐蝕性較好的METRODE進口焊帶和焊劑[5]。焊帶牌號EQ62-50（60 mm×0.5 mm），匹配焊劑ES200，焊帶的化學成分如表3所示。

2.2 焊接工藝評定試驗

2.2.1 平板堆焊試驗

帶極電渣堆焊示意如圖1所示，根據(jù)經(jīng)驗設定焊帶伸出長度為35～40 mm，焊劑堆高25～30 mm，壓道量6～8 mm，壓道側(cè)（N極）磁控電流2.5 A，非壓道側(cè)（S極）磁控電流1.5 A，以焊縫厚度大于等于4.5 mm為首要變量，調(diào)整其他焊接參數(shù)，焊接參數(shù)測試過程如表4所示。

由表4可知，堆焊層厚度主要取決于焊接電流和焊接速度，焊接電流增加，堆焊層厚度增加;焊接速度增加，堆焊層厚度降低[6-8]。

編號1～4為首次平板堆焊參數(shù)記錄，堆焊試樣的4個側(cè)彎試樣中，開裂3個，2個裂紋位于壓道搭接與母材熔合處，1個從堆焊表面開裂，首次平板試板堆焊失敗。編號5～7為第二次平試板堆焊，試板切斷后發(fā)現(xiàn)壓道處兩焊道與母材結(jié)合處出現(xiàn)未熔合，如圖2所示。編號8～10為第三次平板試板堆焊，針對未熔合鈍角的問題略微調(diào)整焊接參數(shù)，調(diào)整后壓道處未發(fā)現(xiàn)未熔合，采用光譜法對堆焊層表面及向下3.2 mm處進行化學分析，選用德國OBLF公司QSN750型通用型多基體火花直讀光譜儀，化學成分合格，化學成分如表5所示，側(cè)彎試樣合格，化學試樣及側(cè)彎試樣如圖3所示。

從堆焊層表面到距表面3.2 mm處，Cr、Ni元素含量略微趨于降低，F(xiàn)e元素含量略微趨于增加，其余元素含量基本無變化，說明堆焊過程中化學元素穩(wěn)定，有利于堆焊層元素含量的控制。熔焊金屬與基材之間的接觸角不僅是界面張力的函數(shù)，也是重力的函數(shù)[9]。通過以上試驗過程可知，當單層鎳基合金堆焊厚度大于等于4.5 mm時，厚度越大，重力越大，厚度方向的熔焊金屬因重力場而向下堆積，而熔合線處受到固態(tài)基材的阻力，熔焊金屬只能在表層向焊道寬度方向兩側(cè)流動，同時由于受到表面張力的約束，接觸角增大，形成鈍角。搭接焊道時，電渣焊是依靠電流流通產(chǎn)生的電阻熱熔化母材和已堆焊的焊道，鈍角處的空間電流不導通，只能依靠熔焊金屬傳熱來熔合，極易在焊道搭接根部產(chǎn)生未熔合缺陷。

2.2.2 筒體內(nèi)壁堆焊試驗

筒體內(nèi)壁帶極電渣堆，根據(jù)經(jīng)驗設定焊帶伸出長度為35～40 mm，焊劑堆高為25～30 mm，壓道量為6～8 mm，上坡量為0～20 mm。

按平板堆焊試驗所獲得的焊接參數(shù)結(jié)合上述經(jīng)驗參數(shù)，在筒體內(nèi)壁進行單層帶極電渣堆焊，無法形成完整的焊道，表面不成形，焊縫中間下凹，兩邊凸起，焊道邊部出現(xiàn)卷邊，與筒體成銳角，焊道橫截面形狀如圖4a所示。經(jīng)過多次、多方面調(diào)整，堆焊表面成形仍未改善;因此，以焊縫厚度大于等于4.5 mm和上坡量為首要變量，重新調(diào)整其他焊接參數(shù)進行試驗，以圖4b所示焊道形狀為目標。焊接參數(shù)測試過程如表6所示。

編號1～14為單焊道試驗，15～19為壓道試驗，焊接參數(shù)的摸索是以焊道厚度和外觀成形為導向，最終得到滿意的焊道成形，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)設定筒體內(nèi)壁電渣堆焊的焊接規(guī)范參數(shù)，如表7所示。模擬件筒體堆焊外觀如圖5所示。采用光譜法對焊縫表面及距表面3.2 mm處化學成分進行測量，化學成分合格，如表8所示。

帶極在筒體內(nèi)的相對位置即上坡量對焊接過程的穩(wěn)定性以及焊道成形影響很大，同時影響稀釋率。上坡量需通過反復試驗來確定，過大會使稀釋率變大，不易造渣，成形不良;過小會使焊縫變薄、變寬、下凹增大，焊道兩邊厚，容易在焊道搭接處產(chǎn)生未熔合缺陷。

3 結(jié)論

（1）采用單層帶極電渣堆焊工藝堆焊ENiCrMo-3等級鎳基合金是可行的，能夠達到新項目中的要求，但焊接過程中生產(chǎn)難度較大，需要嚴格控制焊接參數(shù)和變量。

（2）對比平板堆焊和內(nèi)徑為1 620 mm筒體內(nèi)壁堆焊的焊接參數(shù)可知，單層堆焊厚度大于等于4.5 mm時，兩種結(jié)構(gòu)下的焊接參數(shù)差異較大，平板堆焊的參數(shù)不能適用于筒體內(nèi)壁堆焊。對于內(nèi)徑小于等于1 620 mm的筒體內(nèi)壁進行單層堆焊時，在具備條件的情況下，建議將平板傾斜不同角度，以模擬具有一定的上坡量的工況進行焊接工藝評定。

參考文獻：

[1] 郭曉春. 鎖斗錐體帶極堆焊工藝[J]. 焊接技術，2012，41（2）：23-26.

[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[J]. 電焊機，2004，34（5）：21-23.

[3] 劉寶劍，孔凡紅，王天先，等. 寬帶極單層高速電渣堆焊應用性的研究[J]. 壓力容器，2019，36（5）：14-20.

[4] 王金光. 大面積UNS N06625電渣帶極堆焊技術研究[J].石油化工設備，2011，40（6）：64-66.

[5] 孫敬巖，于淏，李春光. 大型德士古氣化爐焊接工藝研究[J]. 壓力容器，2014，31（7）：65-69.

[6] 李曉清，劉志穎，張堃. 90 mm寬帶極不銹鋼雙層電渣堆焊工藝試驗研究[J]. 壓力容器，2006，23（5）：17-21.

[7] 劉玉華，曾紅國，馮玉慶. 高壓分離器殼體內(nèi)壁堆焊工藝的確定[J]. 壓力容器，2004，21（2）：27-31.

[8] 顧曉華，董安霞. 加氫類設備內(nèi)壁單層堆焊試驗研究[J].壓力容器，2001，18（6）：44-46.

[9] 張波，李文，李宏. 金屬熔滴在基片上方和基片下方的潤濕性研究[J]. 表面技術，2009，38（2）：4-6.