真空電子束焊接在鎳基合金空冷器制造中的應(yīng)用

魏立華，楊志海，賀德先，張 斌，祁夢(mèng)玲， 張建曉

(1.蘭州長(zhǎng)征機(jī)械有限公司，蘭州 730299；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314 )

0 引言

電子束焊接(Electron Beam Welding,EBW)是一種借助于獨(dú)特的傳熱機(jī)制以及純凈的真空焊接環(huán)境，利用熱發(fā)射或場(chǎng)發(fā)射陰極產(chǎn)生的電子束作為熱源的焊接工藝[1-3]。電子束焊接與其他傳統(tǒng)的焊接方法(GTAW,SMAW,SAW等)相比,具有熱輸入量低、焊接變形小、能量密度大、穿透能力強(qiáng)、焊縫深寬比大、焊縫純潔度高、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、重復(fù)性和再現(xiàn)性好等特點(diǎn)，因此在航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等諸多工程領(lǐng)域得到越來越廣泛地應(yīng)用[4-6]。

鎳基耐蝕合金具有獨(dú)特的物理、力學(xué)和耐腐蝕性能，是在石油、化工、金屬冶煉、航空航天、海洋開發(fā)、核工業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用于耐高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境中的理想的金屬材料。NS1402(Incoloy 825，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為0Cr21Ni43Mo3Cu2Ti)合金是一種鈦穩(wěn)定化的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu耐蝕合金[7]，由于其優(yōu)良的耐硫化物及氯化物腐蝕的性能，在高硫原油的加工中，廣泛應(yīng)用于建造加氫裝置高壓空冷器管箱等設(shè)備，以保證高壓空冷器長(zhǎng)周期、安全操作[8-9]。

空氣冷卻器是石油化工和油氣加工生產(chǎn)中作為冷凝和冷卻應(yīng)用最多的一種換熱設(shè)備。其以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝，簡(jiǎn)稱空冷器。其一般由管束、風(fēng)機(jī)、百葉窗和構(gòu)架等組成，主要工作部分為管束?？绽淦髦圃爝^程中，主要是管束管箱的焊接，傳統(tǒng)焊接工藝為先開制 U 形坡口[10]，內(nèi)角焊縫焊接采用埋弧焊，外側(cè)打磨清理、 經(jīng)PT檢測(cè)合格后，再采用埋弧焊焊接外側(cè)焊縫,從而獲得雙面焊透的接頭[11]。由于存在工序較多、焊接質(zhì)量不高及效率低下、施焊環(huán)境不佳等缺點(diǎn)，國(guó)外空冷器制造行業(yè)普遍應(yīng)用真空電子束焊技術(shù)進(jìn)行空冷(器)管箱的焊接。本文針對(duì)厚壁鎳基耐蝕合金Incoloy 825，采用國(guó)產(chǎn)真空電子束焊接設(shè)備進(jìn)行工藝試驗(yàn)、產(chǎn)品工藝評(píng)定以及模擬件的制作，以獲得最佳工藝參數(shù)、制定出合理的制造工藝，充分發(fā)揮真空電子束焊接技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)，通過不斷摸索，最終應(yīng)用于空冷管箱的制造，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空冷器制造行業(yè)采用真空電子束焊接技術(shù)的空白。

1 電子束焊基本原理

電子束焊接是電子在陰極和陽(yáng)極間的高壓(25～300 kV)電場(chǎng)作用下加速到很高的速度(0.3c～0.7c)，經(jīng)一級(jí)或二級(jí)磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當(dāng)電子束撞擊工件表面時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的電子與工件內(nèi)部原子或分子相互作用，在介質(zhì)原子的電離與激發(fā)作用下，電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為焊件的熱能，被轟擊焊件迅速升溫、熔化并汽化，使焊接件結(jié)合處的金屬熔融。圖1示出電子束焊接原理簡(jiǎn)圖。當(dāng)電子束焊槍移動(dòng)時(shí)，在焊接件結(jié)合處形成一條連續(xù)的焊縫。一般熔焊能焊的金屬，如鐵、銅、鎳、鋁、鈦及其合金等都可以采用電子束焊，且焊縫化學(xué)成分與母材基本一致。

圖1 電子束焊接原理簡(jiǎn)圖

2 電子束焊工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)采用厚度56 mm的Incoloy 825鎳基耐蝕合金，化學(xué)成分、力學(xué)與物理性能分別見表1,2。試驗(yàn)用設(shè)備為THDW-30型，電子束焊機(jī)由真空系統(tǒng)和直熱式電子槍組成，電子束系統(tǒng)置于真空室中，真空室由聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、電源及焊接小車設(shè)備等組成[12]。

表1 Incoloy 825鎳基耐蝕合金化學(xué)成分

鎳基耐蝕合金液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差，熔深淺，具有較高的焊接熱裂紋敏感性，傳統(tǒng)的焊接工藝需采用較小的熱輸入量并保持較低的層間溫度。為獲得理想的電子束焊焊道成型，通過大量的焊接試驗(yàn)，以確定最佳的焊接工藝參數(shù)組合，圖2為其他參數(shù)不變時(shí)，在140,150,160,170,180 mA五種束流條件下的焊接接頭斷面及熔深，不同位置處測(cè)得的焊縫寬度見表3。從圖2、表3可以看出，隨著束流的增加，焊接接頭熔深h、熔寬均增加?？紤]到產(chǎn)品管箱厚度為32 mm，最終確定的焊接電流為180 mA，具體工藝參數(shù)組合見表4。

表2 Incoloy 825鎳基耐蝕合金的力學(xué)與物理性能

圖2 不同焊接工藝參數(shù)組合下焊接接頭斷面及熔深

表3 不同位置處測(cè)得的焊縫寬度

表4 最佳焊接工藝參數(shù)組合

3 電子束焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

選用表4中的焊接工藝參數(shù)，依據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》和空冷器的設(shè)計(jì)技術(shù)條件，對(duì)厚度為32 mm的Incoloy 825鎳基耐蝕合金試件進(jìn)行真空電子束焊接工藝評(píng)定，得到焊縫金屬化學(xué)成分、焊接接頭力學(xué)性能分別如表5，6所示。

表5 焊縫不同位置處測(cè)得的化學(xué)成分

表6 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)檢測(cè)的焊接接頭處3件Z向拉伸斷面收縮率為73%,72%,72%，母材位置3件Z向拉伸斷面收縮率為 62%,64%,65%,表明焊接接頭Z向拉伸值高于母材；按圖3沿焊接接頭厚度方向間隔1 mm分別測(cè)母材、熱影響區(qū)、焊縫處硬度值，測(cè)得的結(jié)果見表7?？梢钥闯觯覆?、熱影響區(qū)、焊縫金屬各部位硬度值基本一致。

圖3 焊接接頭硬度檢測(cè)位置

由表8可看出，由于電子束焊沒有填充焊絲，試件處于真空狀態(tài)下，焊接過程中合金元素沒有燒損，因此不同位置處的焊縫元素分布均勻(見表5)，從而保證了焊接接頭各區(qū)域力學(xué)性能穩(wěn)定、組織均勻以及耐蝕性能良好[13]，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足NB/T 47014—2011及產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求，表明所制定的電子束焊接工藝正確、合理。

4 采用真空電子束焊接管箱模擬件

在大量焊接試驗(yàn)和工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上，采用電子束焊接制作了空冷器管箱模擬件，空冷器管束如圖4所示，管箱焊縫外觀及焊縫斷面分別見圖5，6，并制定了Incoloy 825鎳基耐蝕合金電子束焊縫 UT，RT檢測(cè)工藝規(guī)程。與傳統(tǒng)焊接方法(SMAW，SAW，GTAW)相比(管箱坡口形式見圖7)，真空電子束焊接管箱具有變形量小(不同焊接方法變形量對(duì)比見表9)、焊縫和熱影響區(qū)硬度低、沖擊值高、焊縫一次檢測(cè)合格率高(統(tǒng)計(jì)表明，電子束焊焊接空冷器管箱的合格率為 97.2%，高于埋弧焊95.1%、氬弧焊92.8%的合格率)等優(yōu)點(diǎn)；真空電子束焊能夠大幅降低生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，焊接空冷器管束管箱主焊縫，單臺(tái)電子束焊接設(shè)備的焊接效率約等于24名熟練焊工的焊接效率，單片鎳基合金空冷管箱可節(jié)約人工成本0.5萬(wàn)元；電子束焊同樣省去了填充材料的費(fèi)用，單片鎳基合金空冷管箱可節(jié)約焊接材料費(fèi)用7.8萬(wàn)元左右。據(jù)此進(jìn)行了產(chǎn)品焊接，自2019年以來，已在多套裝置得到推廣應(yīng)用，至今運(yùn)行良好。

圖4 空冷器管束

圖5 管箱模擬件焊縫外觀

圖6 管箱模擬件焊縫斷面

表9 不同焊接方法焊接管箱變形量對(duì)比

5 結(jié)論

(1)通過大量焊接試驗(yàn)，確定了Incoloy 825鎳基耐蝕合金真空電子束焊最佳焊接工藝參數(shù)組合，采用確定的焊接工藝參數(shù)制作的焊接試件獲得了理想的焊接接頭性能，表明真空電子束焊接技術(shù)可應(yīng)用于厚壁鎳基耐蝕合金產(chǎn)品的制造。

(2)在大量焊接試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定合格的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了厚壁鎳基耐蝕合金空冷器管箱模擬件電子束焊接，證明其具有變形量小、無(wú)損檢測(cè)合格率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證厚壁鎳基耐蝕合金的焊接質(zhì)量。

(3)后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)厚壁鎳基耐蝕合金開制坡口、采用SMAW，SAW，GTAW需填充焊接材料的焊接方法相比，電子束焊接能夠大大縮短制造周期、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。