光伏產(chǎn)業(yè)多晶硅設(shè)備配套焊材E2133Mn性能研究

白建斌，王士山，李 偉 ，邊 境，崔曉東，李佳恒

1.北京金威焊材有限公司，天津 301906

2.國家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心焊接技術(shù)研究院，天津 301906

3.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088

0 前言

中國力爭在2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”、在2060年前實現(xiàn)“碳中和”，清潔能源的發(fā)展成為了重中之重。地球上幾乎所有能源均直接或間接來自太陽輻射能量，太陽能取之不盡，用之不竭，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)化石能源的理想方案。

對于光伏和電子工業(yè)來說，多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)極為重要。多晶硅產(chǎn)業(yè)不僅可以帶來驚人的經(jīng)濟(jì)效益，同時對我國未來太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)以及電子工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義［1］。光伏產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，全球范圍內(nèi)多晶硅需求暴漲、供不應(yīng)求，國內(nèi)市場也不例外，多晶硅的價格在國內(nèi)市場屢屢攀升，多晶硅的生產(chǎn)供應(yīng)不足也制約了我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)的發(fā)展［2］。鑒于此，我國加快了多晶硅產(chǎn)業(yè)布局，金威焊材也對多晶硅設(shè)備用焊材進(jìn)行了一系列研究。

多晶硅生產(chǎn)過程的冷氫化反應(yīng)器、換熱器、流化床等主要設(shè)備的母材多為N08810（Incoloy 800H）鋼。匹配焊材國內(nèi)主要使用高溫性能較強(qiáng)的鎳基合金焊材，但鎳基焊材與N08810鋼在成分上為過匹配。國外多用經(jīng)濟(jì)性更好、更為適宜的E2133Mn焊材，其成分與N08810鋼更為接近，性能完全滿足N08810鋼的焊接應(yīng)用需求，其熔敷金屬熱膨脹系數(shù)與N08810鋼合金幾乎相當(dāng)，匹配性更佳。

1 N08810鋼及其焊材

1.1 N08810鋼物理性能

N08810鋼屬鎳合金Ni-Cr-Fe系合金，具有典型的耐腐蝕及抗高溫氧化性能［3］。該合金屈強(qiáng)比較高，塑性變形儲備能力大，加工硬化率低，且低于普通不銹鋼。N08810化學(xué)成分具有高鉻鎳元素含量，如表1所示，合金中的鉻元素促進(jìn)金屬表面形成保護(hù)性氧化，同時鎳元素增強(qiáng)了保護(hù)性［4］。N08810鋼的力學(xué)性能如表2所示。

表1 N08810鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of N08810 steel（wt.%）

表2 N08810鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of N08810 steel

1.2 N08810鋼焊材選擇

N08810鋼線膨脹系數(shù)較大（介于奧氏體不銹鋼與普通碳鋼之間）、熱導(dǎo)率較?。?0℃時為10.9 W/（m·K）］，焊接時焊縫中的一些雜質(zhì)元素和低熔點物質(zhì)容易在晶界偏析和集聚，并在熔池凝固過程中與鎳形成低熔點共晶體［5］，使N08810鋼具有較高的焊接熱裂紋敏感性，并因其耐蝕性及耐高溫性能要求，國內(nèi)多采用高溫性能較強(qiáng)的鎳基合金焊材。

N08810鋼焊材選用有ENiCrFe-3、ENiCrMo-3、ENiCrCoMo-1等，但都與N08810母材成分上為過匹配，存在性能上匹配不佳的問題。ENiCrFe-3適用低于650℃的工作溫度，在高于650℃工況下，其熔敷金屬強(qiáng)度及抗氧化性會急劇下降；ENiCrMo-3在980℃以內(nèi)具有良好的蠕變強(qiáng)度和疲勞性能，但在593～760℃長期工作時會產(chǎn)生一定的熱脆化傾向；ENiCrCoMo-1具有比ENiCrMo-3更高的蠕變強(qiáng)度，也不存在熱脆化傾向，但焊后熱處理后高應(yīng)力區(qū)域的焊縫會出現(xiàn)偶發(fā)性再熱裂紋。

本文研制的E2133Mn焊條是金威焊材針對N08810鋼開發(fā)的配套焊材，國外有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)暫無此類產(chǎn)品。E2133Mn焊材的化學(xué)成分相對上述焊材與N08810母材更匹配，其熔敷金屬熱膨脹系數(shù)與N08810合金幾乎相當(dāng)，匹配性更佳，故焊接熱裂紋傾向降低，更利于設(shè)備安全。并且E2133Mn價格相較于其他匹配鎳基合金焊條更具優(yōu)勢，可有效降低設(shè)備制造成本，相對于鎳基焊材，費(fèi)用可節(jié)省20%以上。

2 E2133Mn焊條的研制

2.1 研制難點及解決方案

N08810鋼多用于高溫高壓環(huán)境，對焊接工藝性能及接頭質(zhì)量要求較高，在高溫高壓的嚴(yán)苛環(huán)境下，任何缺陷都將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。尤其是焊接裂紋及氣孔等焊接缺陷，不僅直接減少了接頭的有效承載面積，且在裂紋尖端還形成了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，使裂紋尖端的局部應(yīng)力大大高于焊接接頭的平均應(yīng)力［6］，導(dǎo)致工件失效，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。所以對E2133Mn焊條性能要求較高。

2.1.1 抗裂性

N08810鎳基高溫合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性，施焊過程中焊縫表面易產(chǎn)生局部微裂紋［7］。E2133Mn焊條與母材成分相近，需嚴(yán)格注意其焊接熱裂紋的產(chǎn)生。從化學(xué)成分和組織上分析，該焊材Ni元素含量較多，系單相奧氏體組織，對雜質(zhì)元素的溶解度有限。Ni與S、P、N、O都可形成低熔點共晶，而Si易形成低熔點共晶夾層，焊縫金屬凝固時常形成粗大的柱狀晶，低熔點雜質(zhì)更易偏析于晶界，在應(yīng)力作用下極易開裂。

為防止熱裂紋產(chǎn)生，需嚴(yán)格控制熔敷金屬中S、P、O、Si含量，并提高M(jìn)n含量。一方面Mn優(yōu)先與S結(jié)合形成高熔點的MnS，增加固液相表面能，抑制S形成低熔點的共晶液膜的傾向，使得奧氏體-硫化物共晶溫度提高［8］；另一方面，Mn優(yōu)先與O結(jié)合，抑制低熔點的硅酸鹽形成，降低結(jié)晶裂紋傾向。

目前國內(nèi)藥粉原料品質(zhì)普遍不高，為減少藥粉中有害元素增量，采用單獨定制的合金芯，通過焊芯過渡主要合金元素、藥皮合金少量調(diào)整的方式進(jìn)行合金元素過渡，其成分過渡穩(wěn)定，有效保證了焊材的耐蝕性及抗裂性，保證焊材質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.1.2 焊接接頭高溫強(qiáng)度

E2133Mn焊材成分與母材相近，鎳基合金在同質(zhì)焊材焊接的情況下，焊接接頭在一般狀態(tài)下難以達(dá)到與母材等強(qiáng)度的要求。Ni-Cr-Fe系合金焊材的焊接接頭在高溫下的持久強(qiáng)度會進(jìn)一步降低。

提高高溫強(qiáng)度的具體措施有：控制雜質(zhì)含量凈化晶界，提高晶界強(qiáng)度，在成分設(shè)計上調(diào)整C、Nb等強(qiáng)化元素含量，析出彌散碳化物等高穩(wěn)定性組織，提高接頭的熱強(qiáng)性。

2.1.3 耐蝕性

由于N08810母材應(yīng)用環(huán)境較為嚴(yán)苛，焊縫金屬為耐蝕性薄弱區(qū)，并且焊縫金屬含C量較高，Ni-Cr-Fe系合金極易發(fā)生Cr的碳化物沉淀，引起晶界貧鉻現(xiàn)象，導(dǎo)致在腐蝕介質(zhì)中晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕傾向增大。在凈化焊縫的同時適當(dāng)提高Nb元素含量，使之優(yōu)先與C結(jié)合，以提高抗晶間腐蝕的能力。

2.1.4 其他工藝性能

熔敷金屬中加入C、Mn、Nb等會惡化焊接工藝性能，導(dǎo)致焊道成形較差、脫渣困難等問題。并且CO2和H2等在液相中溶解度較大，熔敷金屬凝固時溶解度急劇減小，鎳合金焊條鐵水流動性較差，使得熔敷金屬在快速冷卻過程中熔池中的氣體逸出困難，進(jìn)而形成氣孔［9］。針對此問題，E2133Mn焊條選用堿性藥皮體系以提高焊縫純凈度和抗裂性，并對其氧化還原性進(jìn)行優(yōu)化，在充分脫氧保性能的基礎(chǔ)上，提高焊接工藝性能，保證其充分抗氣孔能力。

2.2 E2133Mn性能設(shè)計

E2133Mn焊條應(yīng)具有良好的抗熱裂性及抗氣孔性等工藝性能，避免焊接缺陷形成。綜合考慮母材成分、性能并結(jié)合焊縫后續(xù)使用工況等因素，參考國外同類產(chǎn)品，對E2133Mn化學(xué)成分、熔敷金屬試驗項目及性能指標(biāo)進(jìn)行初步設(shè)計。其化學(xué)成分、力學(xué)性能要求和腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)如表3～表5所示。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of all-weld metal（wt.%）

表4 熔敷金屬力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of all-weld metal

表5 晶間腐蝕試驗（ASTM G28-A）Table 5 Intergranular corrosion test（ASTM G28-A）

3 E2133Mn熔敷金屬性能

3.1 焊材工藝性能

對研制的E2133Mn焊條進(jìn)行脫渣、抗氣孔、T型接頭焊接抗裂紋等試驗，分別如圖1～圖4所示。試驗表明，該焊材平焊時性能優(yōu)異，其深坡口內(nèi)易脫渣，抗氣孔、抗裂性能均良好。

圖1 平焊Fig.1 Flat welding

圖2 坡口內(nèi)焊接Fig.2 V-groove welding

圖3 坡口內(nèi)抗氣孔試驗Fig.3 Welding porosity test of V-groove

圖4 T型接頭焊接裂紋試驗Fig.4 Welding crack test of T-type welded joint

3.2 熔敷金屬性能

試驗用母材為Q235鋼板，試件以平焊位置施焊，熔敷金屬化學(xué)成分堆焊試件尺寸為70 mm×40 mm，堆焊8層，采用銑床去除表面氧化物后進(jìn)行取樣分析；熔敷金屬力學(xué)試板為兩塊Q235鋼板，開V型坡口（坡口形式見圖5，試件尺寸見表6），并在坡口表面及墊板堆焊兩層隔離層，坡口內(nèi)采用不擺動或小擺動焊接，共填充11層。焊接工藝參數(shù)如表7所示。

圖5 V型坡口形式Fig.5 Single-V groove type

表6 試件尺寸Table 6 Size of test piece

表7 焊接工藝參數(shù)Table 7 Welding parameters

E2133Mn焊條熔敷金屬化學(xué)成分、焊態(tài)及穩(wěn)定化態(tài)（900℃×4.5 h）的室溫拉伸、600℃高溫拉伸和ASTM G28-A法晶間腐蝕試驗分別如表8～表11所示，試驗證明熔敷金屬各項性能達(dá)到設(shè)計要求，并具有優(yōu)異的高溫及耐腐蝕性能。

表8 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 8 Chemical composition of all-weld metal（wt.%）

表9 熔敷金屬室溫力學(xué)性能Table 9 Room temperature mechanical properties of all-weld metal

表10 熔敷金屬高溫力學(xué)性能Table 10 High temperature mechanical properties of all-weld metal

表11 晶間腐蝕試驗（ASTM G28-A）Table 11 Intergranular corrosion test（ASTM G28-A）

4 E2133Mn焊條接頭性能

為進(jìn)一步研究E2133Mn焊條與N08810鋼的匹配性，進(jìn)行了對接焊接接頭性能試驗和分析，為焊材的后續(xù)實際應(yīng)用提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

4.1 母材及試驗參數(shù)

試驗采用φ4.0 mm E2133Mn焊條，母材為尺寸300 mm×150 mm×70 mm的UNS N08810鋼，采用對稱X型坡口，單邊坡口角度30°（見圖6）。焊接工藝參數(shù)如表7所示，以先焊接面為正面，打底層采用小參數(shù)焊接（焊接電流130 A；電壓17～20 V），背面砂輪清根。試件正面共填充14層，背面共填充15層，采用不擺動或小擺動焊接。

圖6 X型坡口形式Fig.6 Double V groove type

4.2 無損檢測

試板焊接完成后按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行100%RT-Ⅰ級檢測，檢測結(jié)果合格，無缺陷。

4.3 彎曲試驗

彎曲試驗及取樣方法依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》和NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》。面彎試樣取樣靠近母材表面，試驗結(jié)果如表12所示。彎曲試件表面情況如圖7所示，焊縫及熱影響區(qū)無可見裂紋，表明焊接接頭具有良好韌性。

圖7 彎曲試件表面情況Fig.7 Surface condition of bending test piece

表12 彎曲試驗結(jié)果Table 12 Bending test results

4.4 硬度試驗

對焊態(tài)及穩(wěn)定化態(tài)試樣的焊縫、熱影響區(qū)、母材進(jìn)行維氏硬度HV10試驗，結(jié)果如表13所示，焊縫平均硬度最高，然后依次是熱影響區(qū)、母材，并且穩(wěn)定化處理后焊接接頭整體硬度得到提升。

表13 焊接接頭硬度（HV10）Table 13 Hardness of welded joint（HV10）

4.5 拉伸試驗

室溫及高溫拉伸采用板拉伸試樣，試驗及取樣方法依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》。拉伸試樣取貼近母材上表面、下表面及X坡口中間層三層試樣（完成焊接面為上表面），具體位置如圖8所示。

圖8 拉伸取樣位置示意Fig.8 Schematic diagram of tensile specimen position

室溫拉伸試驗結(jié)果如表14所示，E2133Mn接頭拉伸試驗斷裂位置為母材，X型坡口上、中、下三層強(qiáng)度數(shù)據(jù)無明顯區(qū)別，而經(jīng)穩(wěn)定化處理后，強(qiáng)度有明顯提升。由于上、中、下三層拉伸試驗無明顯區(qū)別，600℃高溫拉伸只進(jìn)行了上層試樣的試驗，試驗結(jié)果如表15所示。接頭焊態(tài)及穩(wěn)定化態(tài)的強(qiáng)度有明顯降低，但斷裂位置仍為母材。室溫及600℃高溫拉伸試件分別如圖9、圖10所示?？梢缘贸鼋Y(jié)論：焊縫及熱影響區(qū)室溫、高溫強(qiáng)度全面優(yōu)于母材，完全滿足N08810鎳基合金焊接要求。

圖9 室溫拉伸部分試件Fig.9 Room temperature tensile test piece

圖10 高溫拉伸試件（600℃）Fig.10 High temperature tensile test piece（600 ℃）

表14 室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)Table 14 Room temperature tensile test data

表15 高溫拉伸試驗數(shù)據(jù)（600℃）Table 15 High temperature tensile test data（600℃）

4.6 微觀分析

圖11為熔敷金屬（WM）和母材（BM）的衍射圖譜，只有面心立方面的衍射峰，沒有體心立方面的衍射峰，并結(jié)合母材及熔金化學(xué)成分，可以確定母材及焊縫均為單一的奧氏體（γ）組織。

圖11 母材及焊縫金屬的XRDFig.11 XRD pattern of base metal and weld metal

圖12、圖13為焊縫微觀組織照片，可以看出，E2133Mn焊條接頭成形良好，熔敷金屬與母材熔合良好，無微觀缺陷。N08810合金在焊接時熱裂紋敏感性較高，焊縫金屬為方向性較強(qiáng)的奧氏體柱狀晶，利于雜質(zhì)的偏析及缺陷的聚集，且奧氏體的導(dǎo)熱率小、線膨脹系數(shù)大，冷卻時收縮應(yīng)力大，所以容易出現(xiàn)熱裂紋。熱影響區(qū)的晶粒較為粗大，大小不均勻。晶粒粗大主要是晶粒在焊接過程中受熱長大所致，焊接為極不均勻的過程導(dǎo)致其長大尺寸的差別。

圖12 焊態(tài)金相組織Fig.12 Metallographic structure of as-welded

圖13 穩(wěn)定化態(tài)金相組織Fig.13 Metallographic structure afterstabilization heat treatment

由拉伸試驗結(jié)果可知，拉伸斷裂位置為母材區(qū)，其原因是焊縫金屬中C、Nb元素含量較高，且Nb為強(qiáng)碳化物，Nb與C形成NbC，從焊縫中析出，形成沉淀硬化相提高了焊縫強(qiáng)度。

穩(wěn)定化處理是將Cr的碳化物充分溶解到奧氏體中，并進(jìn)一步形成穩(wěn)定的NbC，避免Cr的碳化物析出，以提高耐晶間腐蝕性。穩(wěn)定化熱處理后，焊接接頭晶粒得到細(xì)化，Nb的碳化物顆粒進(jìn)一步析出。穩(wěn)定化處理對奧氏體基體組織有著明顯的強(qiáng)化作用，使得焊接接頭的室溫拉伸強(qiáng)度和硬度均得到提升。

5 結(jié)論與展望

（1）E2133Mn焊條抗裂性、抗氣孔性及深坡口脫渣性能優(yōu)異，具有良好的工藝性能，可滿足實際焊接工藝要求。

（2）E2133Mn焊條熔敷金屬、力學(xué)性能及耐蝕性能均符合設(shè)計要求，焊態(tài)、穩(wěn)定化態(tài)的熔敷金屬強(qiáng)度和延伸率均超過ASME標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于N08810合金規(guī)定值。

（3）焊接接頭通過了X射線探傷、彎曲、拉伸等一系列試驗，證明E2133Mn焊條與N08810鋼匹配性良好，可形成性能優(yōu)異的焊接接頭，能夠滿足多晶硅設(shè)備實際焊接及使用的需求。

（4）經(jīng)過系列試驗證明，E2133Mn焊條具有良好的力學(xué)性能。但由于完成時日尚短，還未進(jìn)行實際設(shè)備生產(chǎn)，實際工況下焊接位置、母材厚度的改變對其性能的影響，還有待進(jìn)一步研究。