魏立華，楊志海，賀德先，張 斌，祁夢玲， 張建曉

(1.蘭州長征機械有限公司，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)是一種借助于獨特的傳熱機制以及純凈的真空焊接環(huán)境，利用熱發(fā)射或場發(fā)射陰極產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、焊縫深寬比大、焊縫純潔度高、工藝適應性強、重復性和再現性好等特點，因此在航空航天、石油化工、生物醫(yī)學等諸多工程領域得到越來越廣泛地應用[4-6]。

鎳基耐蝕合金具有獨特的物理、力學和耐腐蝕性能，是在石油、化工、金屬冶煉、航空航天、海洋開發(fā)、核工業(yè)等領域，應用于耐高溫、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，國內牌號為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，廣泛應用于建造加氫裝置高壓空冷器管箱等設備，以保證高壓空冷器長周期、安全操作[8-9]。

空氣冷卻器是石油化工和油氣加工生產中作為冷凝和冷卻應用最多的一種換熱設備。其以環(huán)境空氣作為冷卻介質，橫掠翅片管外，使管內高溫工藝流體得到冷卻或冷凝，簡稱空冷器。其一般由管束、風機、百葉窗和構架等組成，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]，內角焊縫焊接采用埋弧焊，外側打磨清理、 經PT檢測合格后，再采用埋弧焊焊接外側焊縫,從而獲得雙面焊透的接頭[11]。由于存在工序較多、焊接質量不高及效率低下、施焊環(huán)境不佳等缺點，國外空冷器制造行業(yè)普遍應用真空電子束焊技術進行空冷(器)管箱的焊接。本文針對厚壁鎳基耐蝕合金Incoloy 825，采用國產真空電子束焊接設備進行工藝試驗、產品工藝評定以及模擬件的制作，以獲得最佳工藝參數、制定出合理的制造工藝，充分發(fā)揮真空電子束焊接技術的顯著優(yōu)勢，通過不斷摸索，最終應用于空冷管箱的制造，填補國內空冷器制造行業(yè)采用真空電子束焊接技術的空白。

1 電子束焊基本原理

電子束焊接是電子在陰極和陽極間的高壓(25～300 kV)電場作用下加速到很高的速度(0.3c～0.7c)，經一級或二級磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當電子束撞擊工件表面時，高速運動的電子與工件內部原子或分子相互作用，在介質原子的電離與激發(fā)作用下，電子的動能大部分轉化為焊件的熱能，被轟擊焊件迅速升溫、熔化并汽化，使焊接件結合處的金屬熔融。圖1示出電子束焊接原理簡圖。當電子束焊槍移動時，在焊接件結合處形成一條連續(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，且焊縫化學成分與母材基本一致。

圖1 電子束焊接原理簡圖

2 電子束焊工藝試驗

試驗采用厚度56 mm的Incoloy 825鎳基耐蝕合金，化學成分、力學與物理性能分別見表1,2。試驗用設備為THDW-30型，電子束焊機由真空系統(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、偏轉線圈、電源及焊接小車設備等組成[12]。

表1 Incoloy 825鎳基耐蝕合金化學成分

鎳基耐蝕合金液態(tài)焊縫金屬流動性差，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，以確定最佳的焊接工藝參數組合，圖2為其他參數不變時，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，具體工藝參數組合見表4。

表2 Incoloy 825鎳基耐蝕合金的力學與物理性能

圖2 不同焊接工藝參數組合下焊接接頭斷面及熔深

表3 不同位置處測得的焊縫寬度

表4 最佳焊接工藝參數組合

3 電子束焊接工藝評定試驗

選用表4中的焊接工藝參數，依據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》和空冷器的設計技術條件，對厚度為32 mm的Incoloy 825鎳基耐蝕合金試件進行真空電子束焊接工藝評定，得到焊縫金屬化學成分、焊接接頭力學性能分別如表5，6所示。

表5 焊縫不同位置處測得的化學成分

表6 焊接接頭力學性能試驗結果

試驗檢測的焊接接頭處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分別測母材、熱影響區(qū)、焊縫處硬度值，測得的結果見表7?？梢钥闯?，母材、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)域力學性能穩(wěn)定、組織均勻以及耐蝕性能良好[13]，各項指標均滿足NB/T 47014—2011及產品設計技術條件要求，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

在大量焊接試驗和工藝評定的基礎上，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、焊縫一次檢測合格率高(統(tǒng)計表明，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；真空電子束焊能夠大幅降低生產周期和生產成本，焊接空冷器管束管箱主焊縫，單臺電子束焊接設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0.5萬元；電子束焊同樣省去了填充材料的費用，單片鎳基合金空冷管箱可節(jié)約焊接材料費用7.8萬元左右。據此進行了產品焊接，自2019年以來，已在多套裝置得到推廣應用，至今運行良好。

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比

5 結論

(1)通過大量焊接試驗，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組合，采用確定的焊接工藝參數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可應用于厚壁鎳基耐蝕合金產品的制造。

(2)在大量焊接試驗和焊接工藝評定合格的基礎上，進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、無損檢測合格率高等優(yōu)點，能夠保證厚壁鎳基耐蝕合金的焊接質量。

(3)后續(xù)生產實踐表明，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、提高生產效率、降低生產成本。