楊寶峰,荊志龍,魏凌霄,齊 慶,逯 瑤

(太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司,天津 300452)

1 引言

氣化爐在爐體下部沿周向裝置了一組噴嘴，將混合氧氣/水蒸氣高壓噴入爐內(nèi)，形成爐內(nèi)局部高溫燃燒區(qū)，氣化爐較高的反應(yīng)區(qū)和熔融的煤渣要求氣化爐具有很強(qiáng)的耐高溫性和耐腐蝕性。鎳基合金是一種能夠在600 ℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的合金材料，其具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。氣化爐內(nèi)夾套(材質(zhì)Q245R，厚度34 mm)下部采用堆焊鎳基合金Inconel625，堆焊厚度3 mm，以滿足氣化爐內(nèi)部高溫、腐蝕性的反應(yīng)環(huán)境。

本文主要介紹帶極電渣堆焊的優(yōu)點(diǎn)、帶極電渣堆焊Inconel625焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及該工藝在氣化爐上的應(yīng)用。

2 產(chǎn)品技術(shù)要求

氣化爐內(nèi)夾套直徑Ф4000 mm，材質(zhì)為Q245R，厚度為34 mm，要求在Q245R基層上堆焊鎳基合金Inconel625，堆焊厚度至少3 mm，并滿足以下要求。

(1)堆焊層厚度應(yīng)均勻，最厚與最薄之差不大于1 mm。

(2)基層材料的待堆焊表面應(yīng)按 NB/T47013.4-2015 進(jìn)行 100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

(3)堆焊后按 NB/T47013.5-2011 對(duì)堆焊層進(jìn)行 100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格，堆焊層不得有夾渣、咬邊、裂紋、未熔合等缺陷。焊后設(shè)備應(yīng)進(jìn)行爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理。

(4)堆焊前按照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行耐蝕堆焊焊接工藝評(píng)定。

3 帶極埋弧堆焊與帶極電渣堆焊比較

壓力容器內(nèi)部大面積耐蝕堆焊，工程上常使用帶極埋弧堆焊或帶極電渣堆焊。埋弧堆焊法和電渣堆焊法其本質(zhì)差別在于：埋弧堆焊時(shí)，由電弧熱將焊帶、焊劑及局部母材熔化，隨后冷卻形成堆焊焊道及渣殼；電渣堆焊時(shí)，這一熱量則來(lái)自電流通過(guò)熔渣渣池所產(chǎn)生的電阻熱。在電渣堆焊的開(kāi)始階段，靠電弧熔化焊劑，由于熔渣的電阻低于電弧，所以電弧消失，形成電渣過(guò)程。埋弧堆焊過(guò)程中焊帶前后都需添加焊劑，熔化和凝固過(guò)程全都在焊劑下進(jìn)行，否則如果焊渣不能完全覆蓋焊縫金屬，則會(huì)出現(xiàn)飛濺及氣孔等焊接缺陷。電渣堆焊焊帶直接插入渣池中，只需在焊帶前面添加焊劑，渣池上方不能添加焊劑，讓熔融渣池暴露于空氣中，否則焊接不穩(wěn)且易產(chǎn)生壓坑。

兩種堆焊方法對(duì)比，電渣堆焊較埋弧堆焊具有以下特點(diǎn)。

(1)電渣堆焊熔敷效率高，在中等電流下，比埋弧堆焊高50%。

(2)電渣堆焊熔深淺且均勻，稀釋率低，生產(chǎn)上可控制到10%，從第一層起就能獲得超低碳的耐蝕堆焊層。

(3)通過(guò)附加磁場(chǎng)，控制焊縫成形，焊道形狀規(guī)則，不易有夾渣等缺陷，搭架熔合平滑，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，表面不平度小于1 mm。

(4)電渣堆焊金屬中雜質(zhì)元素(氧、硫、磷等)含量低，非金屬夾雜物明顯減少，力學(xué)性能優(yōu)良。

(5)電渣堆焊由于接頭熔合區(qū)的碳擴(kuò)散層窄，馬氏體帶寬度小，接頭熔合區(qū)性能優(yōu)于埋弧堆焊。

綜上，氣化爐內(nèi)夾套鎳基合金Inconel625耐蝕堆焊優(yōu)先采用帶極電渣堆焊。

4 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)

4.1 Inconel625焊接特點(diǎn)

鎳及鎳基合金的導(dǎo)熱性差，焊接時(shí)容易過(guò)熱引起晶粒長(zhǎng)大，焊接時(shí)應(yīng)盡量采用小的熱輸入量。鎳非常容易被硫和鉛脆化，形成熱裂紋，所以控制焊材中的硫、鉛含量，焊前應(yīng)打磨清理待堆焊表面的油污、銹蝕、油漆、灰塵等雜物。

4.2 焊接材料和帶極電渣堆焊影響因素及要點(diǎn)

帶極電渣堆焊焊帶選用哈焊所H625(0.5 mm×60 mm)，配套焊劑選用電渣型燒結(jié)焊劑SJ82B。焊帶H625的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 焊帶金屬化學(xué)成分 %

影響帶極電渣堆焊質(zhì)量的工藝參數(shù)有焊接電壓、電流和焊接速度，其次還有干伸長(zhǎng)、焊劑層厚度、焊道間搭接量等。焊道成形與堆焊過(guò)程的穩(wěn)定性及磁場(chǎng)控制技術(shù)等有關(guān)。要獲得平整的焊道、較小的稀釋率、較高的堆焊效率，主要取決于堆焊規(guī)范參數(shù)及匹配。

4.2.1 堆焊電壓

帶極電渣堆焊過(guò)程對(duì)電壓比較敏感，焊接電壓低，引弧困難，不利于渣池的建立。焊接電壓太高，也不利于電渣過(guò)程的穩(wěn)定，隨著電壓的升高，到了一定程度，電渣過(guò)程幾乎全部變成了電弧過(guò)程。電渣焊不易采用高電壓，在保證焊接穩(wěn)定性的前提下要盡量采用低電壓焊接。

4.2.2 堆焊電流

帶極電渣堆焊時(shí)，焊接電流對(duì)電渣過(guò)程的建立、母材熔深及焊道成形均有較大影響。電流過(guò)小，不利于引弧造渣；電流太大，雖然能夠很好地保證電渣過(guò)程的穩(wěn)定，但隨著熱輸入量的增加，使熔深增加，稀釋率變大，進(jìn)而影響焊道的化學(xué)成分，同時(shí)為防止咬邊就需要增加磁控。

4.2.3 焊接速度

帶極電渣堆焊時(shí)，焊接速度對(duì)電渣堆焊的影響非常大。 在電流、電壓規(guī)范一定的情況下，焊接速度太低，生產(chǎn)效率低，并且母材受熱作用時(shí)間較長(zhǎng)，晶粒粗大，熔深增加，焊道較厚，且母材稀釋率變大。焊接速度太高，由于新卷入熔池的焊劑不能充分熔化而使熔池溫度下降而產(chǎn)生電弧，而且使焊道堆高太薄，影響焊道成形質(zhì)量。為了能夠達(dá)到理想的堆焊層，堆焊速度應(yīng)當(dāng)和其他規(guī)范參數(shù)達(dá)到最佳匹配。

4.2.4 焊接熱輸入

堆焊質(zhì)量的好壞，堆焊稀釋率的高低是堆焊電流、電壓、焊接速度共同作用的結(jié)果，也就是焊接熱輸入的影響。有研究認(rèn)為，帶極電渣堆焊時(shí)，焊接工藝參數(shù)的適應(yīng)范圍較寬，熱輸入量在50～90 kJ/cm時(shí)，可獲得不同厚度的堆焊層，且堆焊金屬的內(nèi)在質(zhì)量、力學(xué)性能均能合格。

4.2.5 帶極伸出長(zhǎng)度

帶極伸出長(zhǎng)度影響到焊帶的熔化和堆焊過(guò)程的穩(wěn)定性。隨著干伸長(zhǎng)的增加，稀釋率下降。因焊帶隨著伸長(zhǎng)而電阻增加，消耗在焊帶上的電阻增加，電弧區(qū)的電壓降低，從而降低了稀釋率，當(dāng)干伸長(zhǎng)達(dá)到55 mm時(shí)，焊帶出現(xiàn)發(fā)紅現(xiàn)象，焊帶的熱量會(huì)傳遞到機(jī)頭導(dǎo)電嘴，影響導(dǎo)電嘴的使用壽命，同時(shí)也影響了焊接穩(wěn)定性，易發(fā)生黏帶斷弧現(xiàn)象。干伸長(zhǎng)太短，導(dǎo)電嘴容易與熔池接觸而燒損。

4.3 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評(píng)定

4.3.1 焊前準(zhǔn)備

采用試板規(guī)格34×200×300，材質(zhì)Q245R，堆焊前打磨待堆焊表面，清除油污、氧化皮、銹等雜質(zhì)，打磨表面按照 NB/T47013.4-2015 進(jìn)行 100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。焊劑SJ82B提前進(jìn)行300 ℃烘干2 h。焊接設(shè)備采用唐山開(kāi)元帶極堆焊焊接中心DC-1500-KM6080，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。

4.3.2 焊接試板

采用直流反接法，焊接電流850～900 A,電壓24～28 V，焊接速度18～20 cm/min，焊帶桿伸長(zhǎng)度30～40 mm，焊道之間搭接8～10 mm，焊接熱輸入量72 kJ/cm。堆焊起弧時(shí)電壓應(yīng)適當(dāng)放大，剛開(kāi)始起弧是埋弧堆焊階段，但起弧后電弧消失轉(zhuǎn)為電渣堆焊階段，這時(shí)電壓應(yīng)適當(dāng)降低，在焊帶后方逐漸形成熔融渣池，焊帶直接插入渣池中，這時(shí)只能在焊帶前方鋪撒焊劑，后方不再撒焊劑，讓熔融的渣池暴露在空氣中。堆焊見(jiàn)圖1，堆焊厚度在3～4 mm。

圖1 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評(píng)定

4.3.3 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)堆焊層進(jìn)行100%PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

4.3.4 爐內(nèi)消應(yīng)力熱處理

升溫400 ℃后，升溫速度60 ℃/h；加熱溫度為620±10 ℃，保溫300 min；以60 ℃/h降溫至400 ℃，出爐空冷。

4.3.5 化學(xué)及力學(xué)性能試驗(yàn)

從堆焊層上鉆取鋼屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表2；切取4件橫向側(cè)彎按照GB/T2653進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎心直徑D=4a，彎曲角度180°，彎曲試樣表面沒(méi)有裂紋及任何開(kāi)口缺陷，4件試樣全部合格。試板取樣見(jiàn)圖2。

表2 焊縫金屬化學(xué)成分 %

4.3.6 結(jié)論

該Inconel625耐蝕堆焊工藝評(píng)定按NB/T47014-2011規(guī)定焊接試件、檢驗(yàn)試件、測(cè)試性能，評(píng)定合格。

圖2 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評(píng)定取樣示意

5 結(jié)語(yǔ)

(1)Inconel625耐蝕帶極電渣堆焊，選擇配套的焊接材料，合理地選擇焊接電流、電壓、焊接速度、焊帶桿伸長(zhǎng)量及焊道的搭接量，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，堆焊焊道成型美觀，化學(xué)成分和力學(xué)性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。圖3為氣化爐Inconel625耐蝕帶極電渣堆焊。

圖3 氣化爐Inconel625耐蝕帶極電渣堆焊

(2)鎳基合金Inconel625耐蝕堆焊技術(shù)成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古某煤化工項(xiàng)目氣化爐，該氣化爐已投產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行至今10年。