熱絲TIG在接管Ni基合金內(nèi)壁堆焊工藝要點

摘要： 針對公司正在生產(chǎn)的蒲城德士古式氣化爐，因其堆焊要求特殊，上下筒體全部堆焊Ni基材料，難度大并且質(zhì)量不易保證，尤其在筒體大直徑接管內(nèi)壁堆焊過程中，如何獲得高質(zhì)量的接管內(nèi)壁堆焊，對整體堆焊質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著非常大的影響。文中針對上述氣化爐堆焊技術(shù)要求，以公司采用熱絲TIG設(shè)備堆焊蒲城大直徑接管內(nèi)壁為實例，綜述了熱絲TIG在接管內(nèi)壁堆焊Ni基合金的應(yīng)用情況。結(jié)果表明，焊縫裂紋率減少了16%，焊后無損檢測一次性合格率提升了40%，焊接效率提高了近30%。

關(guān)鍵詞： 熱絲TIG；Ni基堆焊；接管

中圖分類號： TG 47

Key points of applying hot wire TIG in Nibased alloy surfacing of pipe inner wall

Hao Yuqi

（Harbin Boiler Company limited，Harbin 150001，China）

Abstract： The Pucheng Texaco gasifier being produced in our company has a unique welding requirementuse Nibased materials to fully weld the upper and lower cylinders. Difficulties in ensuring quality are significant， especially during the process of welding the inner wall of the largediameter pipe within the cylinder. Achieving highquality inner wall surfacing bears substantial influence on the overall welding quality and production efficiency. In response to these gasifier welding demands， our company has adopted hot wire TIG equipment to weld the inner wall of their largediameter pipe， and has conducted an extensive review of the application of hot wire TIG in welding Nibased alloy on the inner wall of the pipe. The results indicate a 16% reduction in weld seam crack rate， a 40% increase in firstpass nondestructive testing qualification rate， and nearly a 30% improvement in welding efficiency.

Key words： hot wire TIG; Nibased welding; pipe

0前言

德士古氣化爐用于煤的氣化，煤的氣化是指煤與氣化劑進(jìn)行多相反應(yīng)生產(chǎn)碳的氧化物、氫、甲烷的過程（產(chǎn)生的主要成分為H2、CO、CH4），也可以說，煤的氣化過程是將煤中的無用固體脫除，轉(zhuǎn)化為可用做工業(yè)燃料、城市煤氣和化工原料氣的過程。氣化爐的下部為激冷室，在激冷室內(nèi)，生產(chǎn)的氣化氣經(jīng)過冷卻后，其成分除了H2、CO、CH4等成分外，還含有硫化物和氫化物等腐蝕性較強(qiáng)的氣體介質(zhì)，因此氣化爐激冷室內(nèi)壁堆焊層點腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和熱應(yīng)力裂紋［1-5］。

通常激冷室內(nèi)壁堆焊有防止腐蝕的不銹鋼層，為應(yīng)對爐內(nèi)出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象，有研究表明，將堆焊材料更換為鎳基合金，可有效減緩腐蝕速率［6-9］。我公司將要生產(chǎn)的蒲城氣化爐即為德士古氣化爐，其上下筒體內(nèi)壁全部要求堆焊，并且采用的焊材也由傳統(tǒng)的E316L改為Ni基焊材。鎳及鎳基合金是一種能夠具有抗高溫、抗氧化和抗腐蝕特點，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，但其焊接性較差，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋［10-15］，極大增大了堆焊難度，尤其接管內(nèi)壁堆焊。氣化爐內(nèi)件鎳基堆焊工藝方法通常包括焊條電弧焊、手工TIG焊、熔化極氣體保護(hù)焊等［16-22］，常規(guī)TIG焊具有焊接過程穩(wěn)定、焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點，但其焊接效率低，因此面對數(shù)量較多的大直徑接管內(nèi)壁Ni基堆焊，我公司基于石化項目氣化爐產(chǎn)品需求，為保證焊接質(zhì)量的同時提高生產(chǎn)效率，決定采用熱絲TIG工藝進(jìn)行，熱絲TIG與常規(guī)TIG工藝相比，焊絲的加熱不僅可以提高焊接速度，而且可以明顯改善熔敷效率，調(diào)整焊接熔池的熱輸入量，尤其降低了母材的稀釋率，這對Ni基堆焊來說非常有利于保證質(zhì)量。

1試驗設(shè)備和方法

1.1接管內(nèi)壁堆焊設(shè)備組成

分廠所采用的熱絲TIG接管內(nèi)壁堆焊設(shè)備如圖1所示，主要由焊接操作機(jī)、焊接變位機(jī)、焊接電源、水冷焊槍組成，通過焊接變位機(jī)的回轉(zhuǎn)進(jìn)行接管內(nèi)壁堆焊作業(yè)。通過操作系統(tǒng)的操作盒及觸摸屏根據(jù)需要設(shè)定各個焊接參數(shù)，焊接過程中可以根據(jù)實際需要進(jìn)行各個軸向動作以及各個焊接參數(shù)的微調(diào)。

為滿足大直徑接管的內(nèi)壁堆焊要求，分廠實際采用上下左右行程為2 m×2 m的KM3015焊接操作機(jī)，并且配備載重10T的KP10T變位機(jī)。

1.2熱絲TIG堆焊原理

熱絲TIG堆焊系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括TIG電源、熱絲電源、焊槍和操作系統(tǒng)，TIG電源及熱絲電源均采用FRONIUS，型號分別為TransTig 5000 Job G/F和TransTig 2200 G/F ，操作系統(tǒng)采用三菱FIN-24MT，其中TIG焊電源用于提供電弧熱熔化母材和焊材，熱絲電源用于在焊絲干伸長部分，通過電阻熱效應(yīng)加熱焊絲。操作系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、DA模塊、AD模塊、驅(qū)動器、變頻器等構(gòu)成。

2堆焊工藝試驗

2.1試驗材料及工藝參數(shù)設(shè)定

采用SA-182F11CL2作為基體材料，選用直徑1.0 mm的ERNiCr-3焊絲，配以99.99%純度的Ar作為保護(hù)氣體。采用熱絲TIG焊工藝，焊接極性設(shè)為脈沖DCEN，其中鎢極直徑為4.0 mm。焊絲采用后送絲方式，位于電弧后方，經(jīng)加熱后借電弧熱熔化融入熔池。依據(jù)表1所列焊接工藝參數(shù)，可確保焊縫成形良好。

2.2焊接工藝要點

考慮到實際Ni基焊材堆焊的要求，熱絲TIG接管內(nèi)壁Ni堆焊除了上述焊接工藝參數(shù)的設(shè)置，還應(yīng)考慮以下參數(shù)的設(shè)定：鎢極擺動寬度、擺頻、擺動速度、電流衰減、熱絲電流及電壓、引弧時間、引弧電流、提前及滯后送氣時間，送絲速度，擺動停留時間、衰減電流、壓道量等參數(shù)。焊接過程如圖3所示。

2.3熱絲TIG堆焊難點

由于Ni基合金熱裂紋敏感性較大，在焊接的過程中容易產(chǎn)生熱裂紋，影響堆焊性能和設(shè)備質(zhì)量。

堆焊法蘭面時將變位器轉(zhuǎn)動0°，在法蘭面與內(nèi)壁轉(zhuǎn)角的R處，要將變位器轉(zhuǎn)動45°以保證焊接位置為1G，實際焊接情況見圖4。

單層堆焊厚度按2.0～2.2 mm，總堆焊厚度應(yīng)滿足圖紙要求堆焊厚度t+2，由于Ni基焊材非常容易出現(xiàn)收弧裂紋，這可能會導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降以及焊接效率的降低。

大直徑管接頭在裝配到變位機(jī)上后，在接管底部起弧堆焊時由于靠近變位機(jī)轉(zhuǎn)盤，存在難于觀察的問題。這會導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降以及安全隱患增加等問題。

由于接管內(nèi)壁堆焊在起弧后要長時間焊接，接管內(nèi)部溫度較高，這可能會導(dǎo)致焊接件熱變形以及焊接件強(qiáng)度與硬度不均等問題，這對設(shè)備的使用性能和壽命都有一定的影響。

2.4改進(jìn)措施

針對氣化爐堆焊中Ni基合金容易產(chǎn)生熱裂紋的問題，因此需要嚴(yán)格控制層間溫度，首層層間溫度120～250 ℃，其它層層間溫度10～200 ℃。焊件在堆焊過程中應(yīng)采用適當(dāng)?shù)耐獠匡L(fēng)冷措施。通過這些措施減少了焊接裂紋的產(chǎn)生，提高了焊縫質(zhì)U4/XeSfzwOBylXhsYJUYLYQTx+d2N2iWQZmCrvqJD4w=量，延長了設(shè)備服役壽命。

為減少收弧裂紋，?；r必須將弧坑填滿，設(shè)置電流衰減時間6～8 s，滯后送絲時間2.0～3.0 s，衰減電流10～15 A，延時停氣時間9～10 s，并且在焊接過程中要盡量減少斷弧。通過對參數(shù)的嚴(yán)格控制，保證堆焊過程的穩(wěn)定性。

為便于觀察，可在管接頭和轉(zhuǎn)盤間加裝另一個圓筒型接管，并在接管上開孔用來觀察堆焊情況，整個內(nèi)壁堆焊要做表面檢測，壓道量及成形情況要精確調(diào)整以保證質(zhì)量。

為了解決焊接過程中接管內(nèi)部溫度較高的問題，焊槍必須采用水冷以保證長時間工作過程中的冷卻，要隨時觀察水冷系統(tǒng)的工作情況，并且要防止在水冷管處起弧引起漏水。這減少了焊接熱應(yīng)力，提高了焊接質(zhì)量，延長了設(shè)備壽命。

通過采取上述解決措施有效地抑制了焊接裂紋的產(chǎn)生，焊接裂紋率減少了16%，焊后無損檢測合格率提升了40%。

2.5熱絲TIG與冷絲TIG對比

熱絲TIG與冷絲TIG均屬于TIG方法，冷絲TIG由于沒有對焊絲加熱功能，導(dǎo)致其熔敷率存在局限，通常只能達(dá)到1.5～2.0 kg/h，而熱絲TIG焊在熔敷效率和焊接速度上都比冷絲TIG有大幅提高，其熔敷效率可達(dá)普通TIG焊2倍以上，在同等焊接電流和速度情況下，熱絲TIG焊的堆焊面積和厚度比普通TIG焊提高了30%～50%，并且通過對堆焊焊縫截面的觀察可知，熱絲TIG方法能夠減小母材稀釋，提高堆焊層的抗腐蝕性能。實例中公司熱絲TIG內(nèi)壁堆焊設(shè)備采用Ni基堆焊的焊縫截面如圖5所示，可見其熔深較淺，母材稀釋率低。

采用熱絲TIG焊進(jìn)行蒲城德士古式氣化爐堆焊后，對堆焊層按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第 5 部分：滲透檢測》中Ⅰ級合格的要求進(jìn)行 100%著色探傷驗收，驗收合格，運(yùn)行情況良好。與冷絲TIG焊對比，生產(chǎn)周期縮短了20%。

3結(jié)論

由于接管形式以及Ni焊材堆焊的難度大影響，大直徑接管的內(nèi)壁堆焊工作量大并且難以保證質(zhì)量，熱絲TIG堆焊設(shè)備的采用極大的提高了生產(chǎn)效率，充分保證了堆焊的質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。熱絲TIG焊成熟的工藝方法為大直徑接管的內(nèi)壁Ni基堆焊提供了更完善的解決方案。

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收稿日期： 2024-07-12

郝玉奇簡介： 1984年出生，本科，主要從事壓力容器的焊接技術(shù)工作。