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镍基药芯焊丝堆焊技术在压力容器中的应用
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摘 要:压力容器内壁堆焊镍基耐蚀层,以增加其耐蚀性。本文采用镍基药芯焊丝CO2保护焊进行小直径接管内壁堆焊,提高了堆焊质量,降低了生产成本,通过工艺评定证明:所选用的堆焊方法及堆焊工艺合理,各项性能检验结果均满足有关设备技术条件要求。

高温、高压而且临氢条件下运行的压力容器,为了避免由于脱硫反应产生大量的H2S对反应器内壁表面的腐蚀以及当反应器停止运行时,由连多硫酸(H2SXO6)引起的应力腐蚀开裂,在反应器内壁通常都堆焊耐蚀材料。以钼铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金625,具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能,从低温至980℃ 都具有很高的强度、韧性、疲劳强度和耐氧化性。在大气、天然水、海水、中性盐和碱等弱介质中,基本上是不腐蚀的,在更苛刻的介质中,既能耐氧化性酸,又耐还原性酸介质。耐晶间腐蚀,应力腐蚀、孔蚀和缝隙腐蚀能力优良。由于既适用于要求高耐腐蚀性,又能满足高温下耐蚀合金使用, 已被广泛应用于压力容器的制造。

对于容器内壁大面积可采用带极堆焊技术,小直径接管内壁堆焊,由于药芯焊丝堆焊工艺(FCAW)具有熔敷效率高,生产率明显提高,经济性优良;对电流电压的适应范围大,焊接条件实现较为容易,易于进行半自动和自动化的焊接;脱渣性能良好,焊缝成形美观;飞溅很小,电弧稳定性优良,合格率高等优点而广泛应用于生产。

本文根据镍基药芯焊丝625的焊接特点,通过焊接工艺试验,以确定影响药芯焊丝堆焊层成形及性能主要焊接工艺参数,为小直径接管内壁堆焊采用镍基药芯焊丝堆焊提供科学依据。

1 焊接设备及焊接材料

1.1 焊接设备

本试验采用ESAB LAH 500药芯焊丝堆焊设备,该设备由电焊机(包括电源送丝机构、控制系统)水冷焊枪以及行走系统、冷却系统、供气系统组成。不锈钢药芯焊丝气体保护焊设备采用平特性直流电源,通过改变送丝速度来调节焊接电流,因此,焊接规范调节比较方便。当弧长变化时,可引起较大的电流变化,有较强的自调节作用;同时,由于短路电流较大, 引弧比较容易。

1.2 焊接材料

根据产品堆焊技术要求,采用镍基625型镍基合金堆焊,根据焊丝的成分与规格,选用了WEL FCW 625堆焊材料。焊丝直径为φ1.2mm,在板厚为50mm的2.25Cr-1Mo材料上进行了镍基药芯焊丝堆焊,堆焊时严格控制第1层的预热温度、层间温度以及后热温度, 第2层堆焊的层间温度应控制在100℃以下。

1.3 镍基合金625的焊接特点

由于镍基合金625焊缝金属组织为单一奥氏体组织,液态焊缝金属流动性差,熔深浅,焊接时易产生热裂纹及气孔,因此焊前应彻底清洗工件;焊接时选用较小的热输入量,使接头高温停留时间减少,对控制和减少热裂纹,提高耐腐蚀性均有利;同时应选择合适的焊接速度;镍基合金之间焊接时不预热,层间温度应控制在100℃以下。

2 焊接工艺试验

影响药芯焊丝堆焊层成形及性能的焊接工艺参数主要有:焊接电流、焊接电压、焊接速度、干伸长、搭接量等。

2.1 焊接电流

焊接电流与堆焊焊道成形、熔深、稀释率、机械性能均有很大关系,焊接电流过大时,焊接过程飞溅大,堆焊层表面氧化且容易出现热裂纹;而焊接电流过小时,容易产生夹渣缺陷以及焊缝成形不良。经试验,对于直径为φ1.2mm药芯焊丝焊接电流确定在180~200A之间堆焊焊道成形最佳。

2.2 焊接电压

对于药芯焊丝堆焊,焊接电压与焊接电流的匹配很重要。在焊接电流一定的条件下,如果电压过低、堆焊焊道太窄,则容易出现夹渣现象,并且使堆焊厚度增加,造成焊材浪费;如果焊接电压过高、堆焊焊道比较宽, 使得堆焊厚度不能满足要求,经过多次试验,对于直径为φ1.2mm药芯焊丝焊接电压确定在28~32V之间堆焊焊道成形最佳。

2.3 焊接速度

焊接速度对药芯焊丝堆焊影响比较大,主要有两个方面:①堆焊焊道的几何形状;②堆焊层的稀释率。若焊接速度太快,堆焊焊道太窄、太薄, 则在下一道搭接焊时,容易造成重叠。反之,易形成堆高大、堆宽窄的焊道, 会造成喷嘴堵塞,易造成夹渣,对于直径为φ1.2mm镍基药芯焊丝焊接速度确定在250~300mm/min为最佳。

2.4 焊丝伸出长度和焊丝位置

焊丝伸出长度对电弧的稳定性、熔深、电弧能量等均有影响,焊丝伸出长度太长,会使电弧不稳定,飘忽不定,且飞溅大。焊丝伸出长度过短, 过多的飞溅物易造成喷嘴堵塞,使气体保护不良,堆焊时易产生气孔。经试验,焊丝伸出长度应在15~20mm范围。焊接时,焊枪倾角θ约40°时较好,如果θ过大或过小,会降低CO2 气体保护效果。

2.5 堆焊焊道之间的搭接量

堆焊焊道之间的搭接量(焊丝与前一道堆焊焊缝间的距离)直接影响产品的堆焊层厚度及不平度,并对堆焊层的侧弯性能影响较大,为了解决这些问题,对镍基药芯焊丝堆焊焊道之间的搭接量做了系列试验,并确定了获得堆焊焊道有良好成形、优良性能的工艺参数,即焊丝相对于前一道边缘0~1mm的堆焊焊道成形美观,机械性能好。

2.6 CO2气体流量

镍基药芯焊丝堆焊时,气体流量为15~20L/min,若气体流量较小,保护气体挺度不够,降低了气体保护效果;若焊接电流较大,焊速较快,焊丝伸出长度较长,均需加大气体流量。

2.7 最佳焊接工艺参数

经过上述大量焊接试验,确定了镍基药芯焊丝堆焊时,获得良好成形, 优良性能的堆焊层焊接工艺参数(表1)。为下一步工艺评定以及产品部件的焊接,提供了科学依据。

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3 焊接工艺评定

在工艺试验的基础上,按《压力容器内部625型镍基合金堆焊技术条件》要求,采用表1的焊接工艺参数堆焊了工艺评定试板,在板厚为50mm的2.25Cr-1Mo材料上进行了镍基药芯焊丝堆焊评定,堆焊时严格控制了第一层堆焊的预热温度、层间温度以及后热温度,第2层堆焊的层间温度控制在100℃以下。

堆焊层的试验结果(化学成分、堆焊层弯曲试验、硬度测量及腐蚀试验)分别见表2、表3、表4和表5。

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3.1 堆焊层化学成分见表2。
3.2 堆焊层弯曲试验见表3。
3.3 硬度测量见表4。
3.4 腐蚀试验见表5。

由表2、表3、表4和表5试验结果表明,堆焊层化学成分、堆焊层弯曲试验、硬度测量及腐蚀试验均满足要求,证明所选用的焊接工艺以及焊接材料正确合理。

4 产品接管堆焊

在工艺试验及工艺评定的基础上, 进行了接管内壁堆焊,事实表明,堆焊层成形美观,无损检测合格率高,堆焊层各项技术指标均满足要求。

5 结束语

5.1 临氢设备小接管内壁镍基堆焊,可以实现CO2气体保护药芯焊丝的堆焊, 从而降低了成本,提高了堆焊质量。

5.2 通过焊接工艺试验、焊接工艺评定及产品零件的施焊证明,所选用的焊接方法、堆焊材料、堆焊工艺正确合理。

参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册1-焊接方法与设备 [M]. 北京: 机械工业出版社. 2008.
[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册2-材料的焊接 [M]. 北京: 机械工业出版社.2008.
[3] 周振丰,张文钺. 焊接冶金及金属焊接性[M]. 北京: 机械工业出版社. 1993.
[4] 崔忠圻. 金属学与热处理[M] .北京: 机械工业出版社. 1993.(end)
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