镍基药芯焊丝堆焊技术在压力容器中的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 12 焊接材料展厅 焊锡, 焊锡膏, 铜焊条/钎焊材料, 银焊料, 铝焊料, ... 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。 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。 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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