張兆林

摘要：針對(duì)產(chǎn)品技術(shù)要求中ENiCrMo-3等級(jí)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(xué)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(jìn)行堆焊試驗(yàn)，摸索出了ENiCrMo-3等級(jí)鎳基合金焊帶單層電渣堆焊焊接工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，除焊接熱輸入相關(guān)變量外，上坡量對(duì)焊縫成形尤為重要，對(duì)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(shí)，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(guān)鍵詞：?jiǎn)螌与娫押?鎳基合金;堆焊厚度

中圖分類號(hào)：TG455文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0067-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.14

0 前言

近年來(lái)，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(duì)于一些大型主要設(shè)備，基于強(qiáng)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(duì)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(shù)由于其熔深淺、稀釋率低、效率高，通過外磁場(chǎng)控制可獲得表面平坦而光滑的堆焊層，因此，進(jìn)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(guó)內(nèi)外在不銹鋼單層帶極電渣堆焊方面的研究和應(yīng)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?jī)H有莫青杉和陶學(xué)理學(xué)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(yàn)，介紹ENiCrMo-3等級(jí)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(duì)堆焊層的技術(shù)要求

哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)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(shù)協(xié)議中要求工藝評(píng)定試板進(jìn)行晶間腐蝕傾向性試驗(yàn)，未對(duì)堆焊層化學(xué)成分進(jìn)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(xiàng)目中要求堆焊層厚度大于等于4.5 mm，堆焊完成后進(jìn)行100%PT+100%UT無(wú)損檢測(cè)，合格后進(jìn)行695±10 ℃/8 h焊后熱處理。合格標(biāo)準(zhǔn)：宏觀試樣無(wú)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(xué)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)施焊接時(shí)，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(yàn)方案進(jìn)行研究。平板堆焊試驗(yàn)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(yàn)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(xué)成分如表2所示;為保證耐蝕層的化學(xué)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(dǎo)電性、穩(wěn)定性、焊道的外觀形狀及潤(rùn)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(jìn)口焊帶和焊劑[5]。焊帶牌號(hào)EQ62-50（60 mm×0.5 mm），匹配焊劑ES200，焊帶的化學(xué)成分如表3所示。

2.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

2.2.1 平板堆焊試驗(yàn)

帶極電渣堆焊示意如圖1所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定焊帶伸出長(zhǎng)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(cè)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(hào)1～4為首次平板堆焊參數(shù)記錄，堆焊試樣的4個(gè)側(cè)彎試樣中，開裂3個(gè)，2個(gè)裂紋位于壓道搭接與母材熔合處，1個(gè)從堆焊表面開裂，首次平板試板堆焊失敗。編號(hào)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(hào)8～10為第三次平板試板堆焊，針對(duì)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(duì)堆焊層表面及向下3.2 mm處進(jìn)行化學(xué)分析，選用德國(guó)OBLF公司QSN750型通用型多基體火花直讀光譜儀，化學(xué)成分合格，化學(xué)成分如表5所示，側(cè)彎試樣合格，化學(xué)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(wú)變化，說明堆焊過程中化學(xué)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(yàn)過程可知，當(dāng)單層鎳基合金堆焊厚度大于等于4.5 mm時(shí)，厚度越大，重力越大，厚度方向的熔焊金屬因重力場(chǎng)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(dòng)，同時(shí)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(shí)，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(dǎo)通，只能依靠熔焊金屬傳熱來(lái)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(yàn)

筒體內(nèi)壁帶極電渣堆，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定焊帶伸出長(zhǎng)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(yàn)所獲得的焊接參數(shù)結(jié)合上述經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在筒體內(nèi)壁進(jìn)行單層帶極電渣堆焊，無(wú)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(jìn)行試驗(yàn)，以圖4b所示焊道形狀為目標(biāo)。焊接參數(shù)測(cè)試過程如表6所示。

編號(hào)1～14為單焊道試驗(yàn)，15～19為壓道試驗(yàn)，焊接參數(shù)的摸索是以焊道厚度和外觀成形為導(dǎo)向，最終得到滿意的焊道成形，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)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(duì)焊縫表面及距表面3.2 mm處化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)量，化學(xué)成分合格，如表8所示。

帶極在筒體內(nèi)的相對(duì)位置即上坡量對(duì)焊接過程的穩(wěn)定性以及焊道成形影響很大，同時(shí)影響稀釋率。上坡量需通過反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定，過大會(huì)使稀釋率變大，不易造渣，成形不良;過小會(huì)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(jí)鎳基合金是可行的，能夠達(dá)到新項(xiàng)目中的要求，但焊接過程中生產(chǎn)難度較大，需要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和變量。

（2）對(duì)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(shí)，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(duì)于內(nèi)徑小于等于1 620 mm的筒體內(nèi)壁進(jìn)行單層堆焊時(shí)，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(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

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