文明

大連金州重型機器集團有限公司 遼寧大連 116100

1 序言

大連金州重型機器集團有限公司是化工、石油化工、石油煉制、煤化工、鹽化工及化肥等裝置設備的大型制造企業(yè)。帶極堆焊作為一種高效的堆焊方法，已廣泛用于公司所生產(chǎn)的加氫、尿素等產(chǎn)品的堆焊焊接工藝中。堆焊層的厚度直接影響到堆焊層的化學成分，而堆焊厚度取決于焊接熱輸入的作用。在焊材化學成分一定的前提下，堆焊厚度越大，對母材稀釋影響越小，其有害元素含量（主要是C、S、P）越低，有益元素（主要是Cr、Ni、Mo、Nb）越容易達到技術要求的含量。如果堆焊厚度越大，其相應成本就會越高；但堆焊厚度如果過小，其化學成分就達不到標準的要求，直接影響到堆焊層的耐蝕性[1]。

2 試驗材料及方法

（1）試驗用鋼板 試驗所用的材料是國產(chǎn)15CrMoR鋼板，試板規(guī)格為50mm×300mm×300mm，符合GB 713—2014要求，供貨狀態(tài)為正火+回火，參照質(zhì)量保證書，其化學成分及力學性能見表1和表2。

（2）焊接材料 試驗采用國產(chǎn)焊帶的牌號為D309L、D347L，焊帶規(guī)格為60mm×0.5mm，符合標準NB/T 47018.5—2017要求，化學成分見表3和表4。

表1 15CrMoR鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 15CrMoR鋼的力學性能

（3）焊接參數(shù)的確定 帶極堆焊的焊接參數(shù)主要包括焊接電流、電弧電壓以及焊接速度。對于給定尺寸（寬度×厚度）的焊帶，其電流密度基本是恒定的。對給定的焊劑來說，電弧電壓也是恒定的，如電弧電壓過低，容易造成電弧短路；電壓過高，則焊劑熔化量大，會造成焊縫成形不良。由于電流密度及電弧電壓一定，在電弧功率作用下，單位時間內(nèi)熔化的焊帶質(zhì)量基本一致。因焊道的寬度基本為一常量，所以堆焊層的高度變化就取決于焊接速度的變化。焊接速度加快，堆焊層厚度減少；反之，堆焊層厚度增加。

廠家推薦的焊接參數(shù)如下：焊接電流為750A，電弧電壓為26～28V，焊接速度為100～200mm/min。根據(jù)相關資料介紹，采用上述參數(shù)時，堆焊厚度能達到4.0mm以上。由于預期目標是兩層厚度達到6～7mm，考慮到設備導線較長，所以應適當?shù)卦黾雍附与娏骱碗娀‰妷?，但焊接速度應?50mm/min，最終焊接速度取多少合適，需通過測量實際堆焊厚度來確定。

表3 D309L焊帶的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 D347L焊帶的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（4）試板的焊接 試驗母材為15CrMoR材料，過渡層和面層分別采用D309L、D347L焊帶。首先，在1#工藝試板上，采用選定的焊接電流及電弧電壓，以4種不同的焊接速度，分別采用過渡層焊材，在基材上施焊一條焊道。每次焊接前都需精確調(diào)整速度旋扭，采用鈔表計時測定懸臂前進速度達到要求后才可進行施焊。焊接參數(shù)及焊道編號見表5。

表5 焊接參數(shù)及焊道編號

通過采用焊縫檢測尺初步測量4條焊縫厚度，最終采用1#-4焊道的焊接參數(shù)來焊接2#試板。兩層焊接參數(shù)不變，過渡層焊接4道，面層焊接兩道。

3 試驗結(jié)果及分析

（1）測量焊縫厚度 焊接試驗后對1#試板4條焊道及2#試板截取斷面試樣，經(jīng)拋光暴露出焊道輪廓后，采用卡尺進行測厚。采取先測量基層厚度，然后測量全厚度（堆焊層加基層），以全厚度減去基層厚度的方法得到堆焊層厚度（不包括熔深）。再測量包括熔深在內(nèi)的堆焊層厚度值減去上述得到的堆焊層厚度，從而得到熔深，粗略計算稀釋率，全部計算結(jié)果見表6。

（2）化學成分分析 對焊接完好的2#試板分別截取5塊試樣，在距表面不同深度，采用芬蘭進口原子核發(fā)射光譜儀ARC MET 8000進行化學成分分析。因為C、Cr、Ni在耐腐蝕材料中起到關鍵作用，所以主要分析以上3種元素。同時也對母材、焊帶進行了化學成分分析（見表7）。根據(jù)表1、表3、表4、表7對比發(fā)現(xiàn)，廠家提供的參數(shù)與實際測量有一定的誤差，但表中所有數(shù)據(jù)都滿足標準的要求。試驗計算值采用實際測量值。

（3）堆焊厚度與焊接速度的關系 首先，從表6列出的測量數(shù)據(jù)可以看出，采用焊縫檢測尺測量的結(jié)果與斷面卡尺測量結(jié)果有偏差，這是由于焊縫檢測尺寸精度不夠或因焊接試板變形而不易確定基準面所造成的，但在實際堆焊中具有參考作用，只要操作適當，偏差不會超過0.4mm，實際堆焊厚度將大于檢測厚度。

表6 稀釋率計算結(jié)果

表7 化學成分分析（質(zhì)量分數(shù)） （%）

其次，堆焊層厚度與前面分析的相同，隨著焊接速度的增加，堆焊層厚度變薄，二者關系如圖1所示。

圖1 焊接速度與堆焊層厚度的關系

從圖1中可看到，兩者并不完全呈線性關系，要精確繪制出二者關系，需增加大量的試驗數(shù)據(jù)，更精確測定結(jié)果，但是總體趨勢已經(jīng)呈現(xiàn)出來了。如果要保證過渡堆焊層厚度達到3.5mm，焊接速度不得高于175mm/min；若要保證過渡堆焊層厚度達到3.0mm，焊接速度不得高于185mm/min。

此外，由于不銹鋼熱導性、鋼帶的化學成分等諸多條件不同，一般來說，采用相同焊接參數(shù)，面層堆焊厚度略低于過渡層厚度。

（4）化學成分分析結(jié)果 通常情況，工程標準要求堆焊層取化學成分分析試樣時，需將堆焊表面加工掉1～2mm后再取樣進行化學成分分析，因此在同一堆焊層中，最關心的問題是化學成分如何變化。分析表7中C、Cr、Ni的含量，可看出在同一層中由于鐵液混合較均勻，所以3種元素成分相差不大。國外焊材生產(chǎn)廠家做過類似試驗，在距熔合線250μm外，化學成分就接近于均勻混合。這就提示我們，只要堆焊層達到一定的厚度，化學成分分析取樣只要不超出面層厚度，主要化學成分是可以達到要求。

產(chǎn)品堆焊前，為保證焊縫金屬化學成分滿足要求，通常采用理論計算方法預期確定一個堆焊所需的最小堆焊厚度。

以表6、表7數(shù)據(jù)為例進行計算，計算結(jié)果是在過渡層堆焊厚度為3.6mm，面層堆焊厚度為3.3mm這一特定條件下得到的，總厚度為6.9mm。選取稀釋率為20%。從表7可以查得母材和焊帶的C、Cr、Ni含量。通過理論計算得到的化學成分見表8。通過理論計算數(shù)據(jù)和實際測量數(shù)據(jù)對比，二者數(shù)值還是比較吻合的。

表8 過渡層、面層化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

假如，設過渡層堆焊厚度為3mm，熔深不變（0.9mm），稀釋率為23%，通過理論計算得到的化學成分見表9。

通過以上計算，若堆焊層厚度低于3m m，即稀釋率超過20%，化學成分分析結(jié)果中需滿足wC≤0.03%的要求。若Cr、Ni鋼帶化學成分偏下限，則很可能Ni，Cr的化學成分也滿足不了要求。以上分析還沒有考慮到堆焊中焊劑影響會增加C含量，鋼帶中的Ni、Cr由于一定量的燒損不能完全過渡到焊縫中，因此通常采用非合金焊劑，這有助于減少C含量，降低Cr、Ni的燒損。結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析，提出含有一個稀釋率等參數(shù)的堆焊化學成分與堆焊厚度的關系計算式。

表9 過渡層、面層的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

假設需要估算一種化學元素X在堆焊層（過渡層、面層）的含量，可以通過原子核發(fā)射光譜儀測定化學元素X在不同位置的含量為A、B、C（見表10），也可以通過查詢母材試板質(zhì)保書、焊材質(zhì)保書，得到元素X相關數(shù)據(jù)A、B、C；需要計算元素X在第一層（過渡層）的熔敷金屬中化學元素含量為γ，第二層（面層）元素X在熔敷金屬中含量為β；為了保證產(chǎn)品在生產(chǎn)中堆焊層化學成分達到標準要求，焊接速度不高于175mm/min，電弧電壓、焊接電流采用廠家推薦參數(shù)，稀釋率為α（≤20%）。為估算堆焊層化學元素X的含量，根據(jù)試驗相關數(shù)據(jù)得到以下關系計算式：

第一層（過渡層）化學元素X的含量

第二層（面層）化學元素X的含量

表10 不同位置化學元素含量（質(zhì)量分數(shù)） （%）

4 結(jié)束語

通過以上試驗，可以得到以下有參考價值的結(jié)果：

1）采用焊縫檢測尺測量堆焊厚度的結(jié)果時，雖然測量尺寸有偏差，但可作為參考。

2）在同一層堆焊金屬中，化學分析濃度梯度不明顯，化學成分相對是比較均勻的。

3）堆焊層厚度通常≥3mm，即稀釋率不得高于20%，否則化學成分（特別是C含量）不能達到標準要求的超低碳要求。

4）采用焊接電流為8 0 0 A、電弧電壓為26～28V、焊接速度為170～180mm/min時，過渡層堆焊厚度介于3.3～3.8mm之間。采用同樣焊接參數(shù)，面層堆焊厚度略低于過渡層厚度。

5）各種元素含量所能達到的水平是我們關心的問題，可為正確制定焊接工藝及進行材料定額估算提供依據(jù)。當母材、焊材化學成分已知時，采用理論分析的方法可推算焊縫化學成分，對確定所需堆焊層厚度具有指導意義。