论文部分内容阅读
摘要：针对产品技术要求中ENiCrMo-3等级镍基合金堆焊层厚度大于等于4.5 mm、堆焊层表面及堆焊层表面以下3.2 mm处化学成分需满足ASME规范Ⅱ卷C篇SFA-5.11 ENiCrMo-3和弯曲性能合格的条款，采用单层带极电渣堆焊工艺增加堆焊厚度的方法取代常规工艺中采用双层带极电渣堆焊的方法，在平板上和筒体内壁两种工况下进行堆焊试验，摸索出了ENiCrMo-3等级镍基合金焊带单层电渣堆焊焊接工艺参数。试验结果表明，除焊接热输入相关变量外，上坡量对焊缝成形尤为重要，对比平板堆焊和内径1 620 mm筒体内壁堆焊的焊接参数可知，单层堆焊厚度大于等于4.5 mm时，两种结构下的适用焊接参数差异较大，平板堆焊参数不能适用于筒体内壁堆焊。
关键词：单层电渣堆焊;镍基合金;堆焊厚度
中图分类号：TG455文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）05-0067-05
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.14
0 前言
近年来，高温、高压耐腐蚀的石油化工及煤化工压力容器趋向大型化发展，对于一些大型主要设备，基于强度和耐蚀性的综合考虑，内壁往往要求堆焊奥氏体不锈钢或Ni基合金[1]。传统的电弧堆焊由于对母材稀释率高，都采用两层以上的堆焊工艺，带极电渣堆焊技术由于其熔深浅、稀释率低、效率高，通过外磁场控制可获得表面平坦而光滑的堆焊层，因此，进行单层堆焊就可较容易地满足堆焊层性能要求[2-3]。目前，国内外在不锈钢单层带极电渣堆焊方面的研究和应用较多，在镍基合金电渣堆焊主要采用两层堆焊工艺，镍基合金单层电渣堆焊方面的研究仅有莫青杉和陶学理学者在《单层电渣堆焊解决方案》中有所提及。在此，结合某产品的堆焊试验，介绍ENiCrMo-3等级镍基合金焊带单层电渣堆焊焊接工艺的研究情况。
1 产品对堆焊层的技术要求
哈尔滨锅炉厂有限责任公司前期某产品，燃烧室筒体内壁要求堆焊ENiCrMo-3，堆焊层厚度大于等于6 mm。技术协议中要求工艺评定试板进行晶间腐蚀倾向性试验，未对堆焊层化学成分进行要求。按照常规工艺生产制造，采用带极电渣堆焊工艺，堆焊两层，每层堆焊厚度3～3.5 mm，即可满足产品要求。而在某新项目中要求堆焊层厚度大于等于4.5 mm，堆焊完成后进行100%PT+100%UT无损检测，合格后进行695±10 ℃/8 h焊后热处理。合格标准：宏观试样无缺陷，侧弯试样合格，堆焊层表面以及堆焊层表面以下3.2 mm处化学成分需满足ASME规范Ⅱ卷C篇SFA-5.11 ENiCrMo-3要求，如表1所示。
2 焊接工艺试验
2.1 试验材料及方案的确定
为节省焊材和提高生产效率，采用单层带极电渣堆焊进行试验。实施焊接时，由于筒体存在曲率问题，与在平板上焊接存在很大不同[4]。所以，采用平板堆焊和筒体内壁堆焊两种试验方案进行研究。平板堆焊试验基材选用规格600 mm×300 mm×50 mm的12Cr2Mo1R钢板，筒体内壁堆焊试验的基材为12Cr2Mo1R钢板卷制而成的规格为φ内1 620 mm×δ110 mm的筒体，基材化学成分如表2所示;为保证耐蚀层的化学成分和耐蚀性能，选用Ni-Cr含量较高、含碳量较低的堆焊焊材，带极电渣堆焊所用焊剂主要考虑焊接过程的导电性、稳定性、焊道的外观形状及润湿性、脱渣性、熔深的均匀性、焊缝耐蚀性等方面因素。因此，选用工艺性能、耐蚀性较好的METRODE进口焊带和焊剂[5]。焊带牌号EQ62-50（60 mm×0.5 mm），匹配焊剂ES200，焊带的化学成分如表3所示。
2.2 焊接工艺评定试验
2.2.1 平板堆焊试验
带极电渣堆焊示意如图1所示，根据经验设定焊带伸出长度为35～40 mm，焊剂堆高25～30 mm，压道量6～8 mm，压道侧（N极）磁控电流2.5 A，非压道侧（S极）磁控电流1.5 A，以焊缝厚度大于等于4.5 mm为首要变量，调整其他焊接参数，焊接参数测试过程如表4所示。
由表4可知，堆焊层厚度主要取决于焊接电流和焊接速度，焊接电流增加，堆焊层厚度增加;焊接速度增加，堆焊层厚度降低[6-8]。
编号1～4为首次平板堆焊参数记录，堆焊试样的4个侧弯试样中，开裂3个，2个裂纹位于压道搭接与母材熔合处，1个从堆焊表面开裂，首次平板试板堆焊失败。编号5～7为第二次平试板堆焊，试板切断后发现压道处两焊道与母材结合处出现未熔合，如图2所示。编号8～10为第三次平板试板堆焊，针对未熔合钝角的问题略微调整焊接参数，调整后压道处未发现未熔合，采用光谱法对堆焊层表面及向下3.2 mm处进行化学分析，选用德国OBLF公司QSN750型通用型多基体火花直读光谱仪，化学成分合格，化学成分如表5所示，侧弯试样合格，化学试样及侧弯试样如图3所示。
从堆焊层表面到距表面3.2 mm处，Cr、Ni元素含量略微趋于降低，Fe元素含量略微趋于增加，其余元素含量基本无变化，说明堆焊过程中化学元素稳定，有利于堆焊层元素含量的控制。熔焊金属与基材之间的接触角不仅是界面张力的函数，也是重力的函数[9]。通过以上试验过程可知，當单层镍基合金堆焊厚度大于等于4.5 mm时，厚度越大，重力越大，厚度方向的熔焊金属因重力场而向下堆积，而熔合线处受到固态基材的阻力，熔焊金属只能在表层向焊道宽度方向两侧流动，同时由于受到表面张力的约束，接触角增大，形成钝角。搭接焊道时，电渣焊是依靠电流流通产生的电阻热熔化母材和已堆焊的焊道，钝角处的空间电流不导通，只能依靠熔焊金属传热来熔合，极易在焊道搭接根部产生未熔合缺陷。
2.2.2 筒体内壁堆焊试验
筒体内壁带极电渣堆，根据经验设定焊带伸出长度为35～40 mm，焊剂堆高为25～30 mm，压道量为6～8 mm，上坡量为0～20 mm。 按平板堆焊试验所获得的焊接参数结合上述经验参数，在筒体内壁进行单层带极电渣堆焊，无法形成完整的焊道，表面不成形，焊缝中间下凹，两边凸起，焊道边部出现卷边，与筒体成锐角，焊道横截面形状如图4a所示。经过多次、多方面调整，堆焊表面成形仍未改善;因此，以焊缝厚度大于等于4.5 mm和上坡量为首要变量，重新调整其他焊接参数进行试验，以图4b所示焊道形状为目标。焊接参数测试过程如表6所示。
编号1～14为单焊道试验，15～19为压道试验，焊接参数的摸索是以焊道厚度和外观成形为导向，最终得到满意的焊道成形，根据试验数据设定筒体内壁电渣堆焊的焊接规范参数，如表7所示。模拟件筒体堆焊外观如图5所示。采用光谱法对焊缝表面及距表面3.2 mm处化学成分进行测量，化学成分合格，如表8所示。
带极在筒体内的相对位置即上坡量对焊接过程的稳定性以及焊道成形影响很大，同时影响稀释率。上坡量需通过反复试验来确定，过大会使稀释率变大，不易造渣，成形不良;过小会使焊缝变薄、变宽、下凹增大，焊道两边厚，容易在焊道搭接处产生未熔合缺陷。
3 结论
（1）采用单层带极电渣堆焊工艺堆焊ENiCrMo-3等级镍基合金是可行的，能够达到新项目中的要求，但焊接过程中生产难度较大，需要严格控制焊接参数和变量。
（2）对比平板堆焊和内径为1 620 mm筒体内壁堆焊的焊接参数可知，单层堆焊厚度大于等于4.5 mm时，两种结构下的焊接参数差异较大，平板堆焊的参数不能适用于筒体内壁堆焊。对于内径小于等于1 620 mm的筒体内壁进行单层堆焊时，在具备条件的情况下，建议将平板倾斜不同角度，以模擬具有一定的上坡量的工况进行焊接工艺评定。
参考文献：
[1] 郭晓春. 锁斗锥体带极堆焊工艺[J]. 焊接技术，2012，41（2）：23-26.
[2] 李大军，张建晓. 压力容器内表面单层带极电渣堆焊技术[J]. 电焊机，2004，34（5）：21-23.
[3] 刘宝剑，孔凡红，王天先，等. 宽带极单层高速电渣堆焊应用性的研究[J]. 压力容器，2019，36（5）：14-20.
[4] 王金光. 大面积UNS N06625电渣带极堆焊技术研究[J].石油化工设备，2011，40（6）：64-66.
[5] 孙敬岩，于淏，李春光. 大型德士古气化炉焊接工艺研究[J]. 压力容器，2014，31（7）：65-69.
[6] 李晓清，刘志颖，张堃. 90 mm宽带极不锈钢双层电渣堆焊工艺试验研究[J]. 压力容器，2006，23（5）：17-21.
[7] 刘玉华，曾红国，冯玉庆. 高压分离器壳体内壁堆焊工艺的确定[J]. 压力容器，2004，21（2）：27-31.
[8] 顾晓华，董安霞. 加氢类设备内壁单层堆焊试验研究[J].压力容器，2001，18（6）：44-46.
[9] 张波，李文，李宏. 金属熔滴在基片上方和基片下方的润湿性研究[J]. 表面技术，2009，38（2）：4-6.
关键词：单层电渣堆焊;镍基合金;堆焊厚度
中图分类号：TG455文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）05-0067-05
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.14
0 前言
近年来，高温、高压耐腐蚀的石油化工及煤化工压力容器趋向大型化发展，对于一些大型主要设备，基于强度和耐蚀性的综合考虑，内壁往往要求堆焊奥氏体不锈钢或Ni基合金[1]。传统的电弧堆焊由于对母材稀释率高，都采用两层以上的堆焊工艺，带极电渣堆焊技术由于其熔深浅、稀释率低、效率高，通过外磁场控制可获得表面平坦而光滑的堆焊层，因此，进行单层堆焊就可较容易地满足堆焊层性能要求[2-3]。目前，国内外在不锈钢单层带极电渣堆焊方面的研究和应用较多，在镍基合金电渣堆焊主要采用两层堆焊工艺，镍基合金单层电渣堆焊方面的研究仅有莫青杉和陶学理学者在《单层电渣堆焊解决方案》中有所提及。在此，结合某产品的堆焊试验，介绍ENiCrMo-3等级镍基合金焊带单层电渣堆焊焊接工艺的研究情况。
1 产品对堆焊层的技术要求
哈尔滨锅炉厂有限责任公司前期某产品，燃烧室筒体内壁要求堆焊ENiCrMo-3，堆焊层厚度大于等于6 mm。技术协议中要求工艺评定试板进行晶间腐蚀倾向性试验，未对堆焊层化学成分进行要求。按照常规工艺生产制造，采用带极电渣堆焊工艺，堆焊两层，每层堆焊厚度3～3.5 mm，即可满足产品要求。而在某新项目中要求堆焊层厚度大于等于4.5 mm，堆焊完成后进行100%PT+100%UT无损检测，合格后进行695±10 ℃/8 h焊后热处理。合格标准：宏观试样无缺陷，侧弯试样合格，堆焊层表面以及堆焊层表面以下3.2 mm处化学成分需满足ASME规范Ⅱ卷C篇SFA-5.11 ENiCrMo-3要求，如表1所示。
2 焊接工艺试验
2.1 试验材料及方案的确定
为节省焊材和提高生产效率，采用单层带极电渣堆焊进行试验。实施焊接时，由于筒体存在曲率问题，与在平板上焊接存在很大不同[4]。所以，采用平板堆焊和筒体内壁堆焊两种试验方案进行研究。平板堆焊试验基材选用规格600 mm×300 mm×50 mm的12Cr2Mo1R钢板，筒体内壁堆焊试验的基材为12Cr2Mo1R钢板卷制而成的规格为φ内1 620 mm×δ110 mm的筒体，基材化学成分如表2所示;为保证耐蚀层的化学成分和耐蚀性能，选用Ni-Cr含量较高、含碳量较低的堆焊焊材，带极电渣堆焊所用焊剂主要考虑焊接过程的导电性、稳定性、焊道的外观形状及润湿性、脱渣性、熔深的均匀性、焊缝耐蚀性等方面因素。因此，选用工艺性能、耐蚀性较好的METRODE进口焊带和焊剂[5]。焊带牌号EQ62-50（60 mm×0.5 mm），匹配焊剂ES200，焊带的化学成分如表3所示。
2.2 焊接工艺评定试验
2.2.1 平板堆焊试验
带极电渣堆焊示意如图1所示，根据经验设定焊带伸出长度为35～40 mm，焊剂堆高25～30 mm，压道量6～8 mm，压道侧（N极）磁控电流2.5 A，非压道侧（S极）磁控电流1.5 A，以焊缝厚度大于等于4.5 mm为首要变量，调整其他焊接参数，焊接参数测试过程如表4所示。
由表4可知，堆焊层厚度主要取决于焊接电流和焊接速度，焊接电流增加，堆焊层厚度增加;焊接速度增加，堆焊层厚度降低[6-8]。
编号1～4为首次平板堆焊参数记录，堆焊试样的4个侧弯试样中，开裂3个，2个裂纹位于压道搭接与母材熔合处，1个从堆焊表面开裂，首次平板试板堆焊失败。编号5～7为第二次平试板堆焊，试板切断后发现压道处两焊道与母材结合处出现未熔合，如图2所示。编号8～10为第三次平板试板堆焊，针对未熔合钝角的问题略微调整焊接参数，调整后压道处未发现未熔合，采用光谱法对堆焊层表面及向下3.2 mm处进行化学分析，选用德国OBLF公司QSN750型通用型多基体火花直读光谱仪，化学成分合格，化学成分如表5所示，侧弯试样合格，化学试样及侧弯试样如图3所示。
从堆焊层表面到距表面3.2 mm处，Cr、Ni元素含量略微趋于降低，Fe元素含量略微趋于增加，其余元素含量基本无变化，说明堆焊过程中化学元素稳定，有利于堆焊层元素含量的控制。熔焊金属与基材之间的接触角不仅是界面张力的函数，也是重力的函数[9]。通过以上试验过程可知，當单层镍基合金堆焊厚度大于等于4.5 mm时，厚度越大，重力越大，厚度方向的熔焊金属因重力场而向下堆积，而熔合线处受到固态基材的阻力，熔焊金属只能在表层向焊道宽度方向两侧流动，同时由于受到表面张力的约束，接触角增大，形成钝角。搭接焊道时，电渣焊是依靠电流流通产生的电阻热熔化母材和已堆焊的焊道，钝角处的空间电流不导通，只能依靠熔焊金属传热来熔合，极易在焊道搭接根部产生未熔合缺陷。
2.2.2 筒体内壁堆焊试验
筒体内壁带极电渣堆，根据经验设定焊带伸出长度为35～40 mm，焊剂堆高为25～30 mm，压道量为6～8 mm，上坡量为0～20 mm。 按平板堆焊试验所获得的焊接参数结合上述经验参数，在筒体内壁进行单层带极电渣堆焊，无法形成完整的焊道，表面不成形，焊缝中间下凹，两边凸起，焊道边部出现卷边，与筒体成锐角，焊道横截面形状如图4a所示。经过多次、多方面调整，堆焊表面成形仍未改善;因此，以焊缝厚度大于等于4.5 mm和上坡量为首要变量，重新调整其他焊接参数进行试验，以图4b所示焊道形状为目标。焊接参数测试过程如表6所示。
编号1～14为单焊道试验，15～19为压道试验，焊接参数的摸索是以焊道厚度和外观成形为导向，最终得到满意的焊道成形，根据试验数据设定筒体内壁电渣堆焊的焊接规范参数，如表7所示。模拟件筒体堆焊外观如图5所示。采用光谱法对焊缝表面及距表面3.2 mm处化学成分进行测量，化学成分合格，如表8所示。
带极在筒体内的相对位置即上坡量对焊接过程的稳定性以及焊道成形影响很大，同时影响稀释率。上坡量需通过反复试验来确定，过大会使稀释率变大，不易造渣，成形不良;过小会使焊缝变薄、变宽、下凹增大，焊道两边厚，容易在焊道搭接处产生未熔合缺陷。
3 结论
（1）采用单层带极电渣堆焊工艺堆焊ENiCrMo-3等级镍基合金是可行的，能够达到新项目中的要求，但焊接过程中生产难度较大，需要严格控制焊接参数和变量。
（2）对比平板堆焊和内径为1 620 mm筒体内壁堆焊的焊接参数可知，单层堆焊厚度大于等于4.5 mm时，两种结构下的焊接参数差异较大，平板堆焊的参数不能适用于筒体内壁堆焊。对于内径小于等于1 620 mm的筒体内壁进行单层堆焊时，在具备条件的情况下，建议将平板倾斜不同角度，以模擬具有一定的上坡量的工况进行焊接工艺评定。
参考文献：
[1] 郭晓春. 锁斗锥体带极堆焊工艺[J]. 焊接技术，2012，41（2）：23-26.
[2] 李大军，张建晓. 压力容器内表面单层带极电渣堆焊技术[J]. 电焊机，2004，34（5）：21-23.
[3] 刘宝剑，孔凡红，王天先，等. 宽带极单层高速电渣堆焊应用性的研究[J]. 压力容器，2019，36（5）：14-20.
[4] 王金光. 大面积UNS N06625电渣带极堆焊技术研究[J].石油化工设备，2011，40（6）：64-66.
[5] 孙敬岩，于淏，李春光. 大型德士古气化炉焊接工艺研究[J]. 压力容器，2014，31（7）：65-69.
[6] 李晓清，刘志颖，张堃. 90 mm宽带极不锈钢双层电渣堆焊工艺试验研究[J]. 压力容器，2006，23（5）：17-21.
[7] 刘玉华，曾红国，冯玉庆. 高压分离器壳体内壁堆焊工艺的确定[J]. 压力容器，2004，21（2）：27-31.
[8] 顾晓华，董安霞. 加氢类设备内壁单层堆焊试验研究[J].压力容器，2001，18（6）：44-46.
[9] 张波，李文，李宏. 金属熔滴在基片上方和基片下方的润湿性研究[J]. 表面技术，2009，38（2）：4-6.