(大唐東北電力試驗(yàn)研究院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

堆焊Inconel 625被廣泛應(yīng)用在石油化工、電站等領(lǐng)域，用以解決設(shè)備耐蝕和耐磨問(wèn)題。通過(guò)國(guó)內(nèi)外已有的研究發(fā)現(xiàn)，在Cl腐蝕環(huán)境中，Inconel 625堆焊層中熔入過(guò)多的Fe元素會(huì)導(dǎo)致腐蝕能力不足，Janusz[1]在進(jìn)行高溫腐蝕環(huán)境(N2+9%O2+0.08%SO2+0.15%HCl)研究中，發(fā)現(xiàn)堆焊層中Fe含量過(guò)多，嚴(yán)重降低了其在該高溫腐蝕下的使用壽命，并且指出Inconel 625堆焊層中的Fe含量應(yīng)限制在7%以下。孫煥煥等[2]研究了MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)焊)在20G管上堆焊Inconel 625合金的堆焊層接頭的組織和性能，結(jié)果表明，堆焊層表面Fe元素含量高達(dá)20%左右。王小艷等[3-12]對(duì)使用不同的堆焊方法的Inconel 625合金工藝和組織性能進(jìn)行研究，但主要是圍繞堆焊層的組織性能進(jìn)行研究，并沒(méi)有對(duì)MIG立向下堆焊工藝進(jìn)行研究。目前，壓力容器等承壓設(shè)備的Inconel 625堆焊主要以帶極堆焊、藥芯焊絲堆焊、焊條電弧焊堆焊、氬弧堆焊為主。MIG堆焊焊接材料為實(shí)心焊絲，堆焊焊材成本比藥芯焊絲節(jié)省40%以上，在堆焊效率上明顯要優(yōu)于氬弧焊和焊條電弧焊。因此，對(duì)MIG堆焊Inconel 625焊接工藝的研究具有重要的意義。本文采用MIG立向下堆焊Inconel 625，研究不同工藝參數(shù)對(duì)堆焊層表面鐵含量的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

堆焊試驗(yàn)用鋼板選用Q245R，符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求，厚度為8 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。堆焊Inconel 625用焊絲為ERNiCrMo-3(符合AWS A5.14《鎳和鎳合金焊絲、焊棒》：ERNiCrMo-3)，焊絲化學(xué)成分如表2所示，焊絲含鐵量?jī)H為0.40%，焊絲直徑?1.2 mm。保護(hù)氣由惰性氣體加少量氧化性氣體構(gòu)成，焊接試驗(yàn)過(guò)程氣體配比不變。焊接電源分別采用CMT焊機(jī)和一款具有脈沖功能的焊機(jī)(以下簡(jiǎn)稱常規(guī)脈沖焊機(jī))。

表1 Q245R鋼板主要化學(xué)成分 %

表2 ERNiCrMo-3焊絲主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)的堆焊層性能要求

本試驗(yàn)Inconel 625堆焊層性能要求：在Q245R鋼板上堆焊ERNiCrMo-3焊絲，獲得不小于2 mm的Inconel 625堆焊層，堆焊層表面(距離2 mm位置)鐵含量≤5%。考慮試驗(yàn)的可比性和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)Inconel 625堆焊層厚度控制在2～2.1 mm，如圖1所示。

圖1 Inconel 625堆焊示意

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程

在Inconel 625的MIG立向下堆焊中，可能會(huì)影響堆焊稀釋率的因素有焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、擺動(dòng)速度、焊絲干伸長(zhǎng)、單層堆焊2 mm、雙層堆焊2 mm(每層堆焊1 mm左右)等。本試驗(yàn)焊接電流和焊接電壓是一元化控制，可忽略焊接電壓的影響。為對(duì)比以上所述變量對(duì)堆焊層鐵含量(稀釋率)的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)焊接參數(shù)見(jiàn)表3。焊前試板溫度為20～30 ℃，層道間溫度控制在20～30 ℃，允許每道焊完采用風(fēng)冷降溫。單層堆焊工藝的焊道布置如圖2所示，雙層堆焊工藝的焊道布置如圖3所示，堆焊順序?yàn)棰?②-③-④-⑤。

表3 堆焊焊接參數(shù)

注:1.采用單層堆焊工藝堆焊2 mm，焊接電源為常規(guī)脈沖焊機(jī)；2.采用雙層堆焊工藝，共堆焊2 mm，焊接電源為常規(guī)脈沖焊機(jī)；3.采用雙層堆焊工藝，共堆焊2 mm，焊接電源為CMT焊機(jī)

圖2 單層堆焊焊道布置示意

圖3 雙層堆焊焊道布置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

單層堆焊和雙層堆焊的焊道成形見(jiàn)圖4，5。堆焊層表面的化學(xué)分析取樣位置在距離基材2 mm 處的堆焊層表面。每種工藝的化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 單層堆焊工藝表面和截面成形情況

圖5 雙層堆焊試樣成形情況

表4 距基材2 mm處堆焊層位置的化學(xué)成分 %

2.1 對(duì)比分析1

工藝1和工藝2的堆焊層表面鐵含量分別為6.95%,6.67%，堆焊層表面鐵含量相近，且都高于5.0%的鐵含量要求。說(shuō)明在其他焊接參數(shù)不變的條件下，采用圖2,3所示的單層堆焊方式和雙層堆焊方式對(duì)降低堆焊層表面鐵含量并沒(méi)有明顯的影響。

2.2 對(duì)比分析2

工藝3的堆焊層表面鐵含量為3.53%，已經(jīng)能夠滿足堆焊層表面鐵含量≤5.0%的要求。工藝3和工藝2相比，堆焊層表面鐵含量明顯降低，工藝3的擺動(dòng)速度為100 mm/s，工藝2的擺動(dòng)速度為60 mm/s，其他參數(shù)相同。說(shuō)明焊接擺動(dòng)速度的增加，可以降低堆焊的稀釋率，能夠顯著地降低堆焊層表面的鐵含量。

2.3 對(duì)比分析3

通過(guò)工藝3,4,5對(duì)比焊絲干伸長(zhǎng)對(duì)堆焊層表面鐵含量的影響，工藝3,4,5的干伸長(zhǎng)分別為13,18,20 mm，工藝3，4堆焊層表面的鐵含量分別為3.53%,2.24%，另外工藝5因干伸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，焊道中存在一定數(shù)量的圓形未熔孔洞(見(jiàn)圖6)，未測(cè)量堆焊層表面(距基材2 mm處)的鐵含量。

圖6 工藝5的焊道成形情況

在焊接過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)干伸長(zhǎng)越長(zhǎng)、焊接電流下降得越厲害。干伸長(zhǎng)20 mm時(shí)，電流由160 A降到130 A以下，不同干伸長(zhǎng)下的實(shí)際焊接電流見(jiàn)表5。

表5 不同干伸長(zhǎng)下的實(shí)際焊接電流

干伸長(zhǎng)對(duì)電流的影響主要與電源的控制特性以及焊絲的電阻率有關(guān)。當(dāng)干伸長(zhǎng)較長(zhǎng)，焊絲干伸長(zhǎng)上的電阻熱增加，促使焊絲熔化加快，但本試驗(yàn)使用的MIG焊接電源通過(guò)降低焊接電流的方式，減少焊絲干伸長(zhǎng)上的電阻熱，維持送絲速度設(shè)定值。焊接電流的降低，導(dǎo)致促進(jìn)熔滴下落的力減弱，熔深變淺，稀釋率下降[13]，堆焊層表面鐵含量降低。

通過(guò)分析鎳基合金和鐵的電阻率發(fā)現(xiàn)，鎳基合金的電阻率為103×10-8Ω·m，而低合金鋼的電阻率僅為9.78×10-8Ω·m，鎳基合金的電阻率是鐵的10倍。因此堆焊Inconel 625鎳基合金時(shí)，干伸長(zhǎng)對(duì)電流的影響要比低合金鋼明顯得多。在采用MIG堆焊鎳基合金時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注干伸長(zhǎng)對(duì)實(shí)際焊接電流和焊接稀釋率的影響。考慮氣體保護(hù)、焊絲尖端位置的準(zhǔn)確情況，筆者認(rèn)為在產(chǎn)品堆焊時(shí)，干伸長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)15 mm。

2.4 對(duì)比分析4

通過(guò)工藝6和工藝3的焊接試驗(yàn)，對(duì)比送絲速度增加(電流增大)對(duì)堆焊層表面鐵含量的影響。工藝6調(diào)整了送絲速度，將送絲速度提高到8 m/min(工藝3為6 m/min)，在保持堆焊層厚度不變的條件下，需要提高焊接速度至60 cm/min(工藝3為45 cm/min)。試驗(yàn)結(jié)果表明，工藝6和工藝3的堆焊層表面鐵含量非常相近，說(shuō)明在保證堆焊層厚度的條件下，提高送絲速度(增加電流)，堆焊層表面的鐵含量變化并不明顯。

但值得注意的是，送絲速度的提高(焊接電流的增大)，有利于提高電弧在高速擺動(dòng)情況下的穩(wěn)定性，也就說(shuō)焊接電流提高時(shí)，可以通過(guò)提高擺動(dòng)速度降低堆焊層表面的鐵含量。此外，焊接電流的提高還會(huì)提高焊接效率。

2.5 對(duì)比分析5

工藝7和工藝3相比，送絲速度等參數(shù)相同，唯一不同的是，工藝7采用CMT焊機(jī)進(jìn)行堆焊，焊接電流有所降低。工藝7距基材2 mm處堆焊層位置的鐵含量?jī)H為1.25%，工藝3為3.53%，說(shuō)明在相同的焊接參數(shù)下，CMT焊機(jī)對(duì)降低堆焊層表面鐵含量是非常顯著的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)表3的7組對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)MIG立向下堆焊2 mm的Inconel 625試驗(yàn)的總結(jié)和展望如下。

(1)更快的擺動(dòng)速度、更長(zhǎng)的干伸長(zhǎng)度和采用CMT焊接電源會(huì)比較明顯地降低Inconel 625堆焊層的鐵含量，但過(guò)長(zhǎng)的干伸長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致堆焊層表面成形不良。

(2)在相同的焊接工藝情況下，圖2，3的堆焊布道方式對(duì)堆焊層表面鐵含量的影響不明顯。

(3)在相同的焊接工藝情況下，提高送絲速度(增加電流)和相應(yīng)匹配的焊接速度，在堆焊層厚度不變的情況下，堆焊層表面的鐵含量變化并不明顯。

(4)通過(guò)工藝7的堆焊層鐵含量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CMT焊機(jī)在立向下堆焊Inconel 625獲得低鐵含量的堆焊層方面具有更優(yōu)秀的表現(xiàn)。如何使用常規(guī)脈沖焊機(jī)獲得更低鐵含量的堆焊層，將是下一步研究的重點(diǎn)。