ESAB帶極堆焊技術的應用

承壓、石化、核電等大型設備內壁，以及水力發電機組葉片、礦山和工程機械等處，易遭受腐蝕或磨損，故需堆焊耐蝕層或耐磨層。埋弧帶極堆焊和帶極電渣焊都具有熔敷率高和稀釋率低特點，適合于平面或曲面堆焊，比如換熱器管板和壓力容器。埋弧焊（SAW）應用極為頻繁，但在高效生產和對稀釋率有限制要求的情況下，通常建議采用電渣堆焊（ESW）。

埋弧帶極堆焊

自1960中期之后，SAW帶極堆焊開始大范圍使用，焊帶寬度有60×0.5mm和90×0.5mm。采用直流正接，在焊劑層下工件和焊帶之間形成電弧。熔池上的焊劑可以保護焊接熔池并使焊縫表面成形良好。

帶極電渣堆焊

電渣堆焊ESW是在帶極埋弧堆焊基礎上發展起來的，具有較高的可靠的熔敷效率。電渣堆焊和焊接過程中的電阻相關，它利用導電熔渣的電阻熱熔化堆焊材料。電渣槽中產生的熱量熔化伸進電渣槽內的基體金屬和焊帶。

與埋弧帶極堆焊相比，熔融的電渣良好的熱導率避免了電弧飛濺。焊劑的成分對導熱率，固化和粘性等有影響。為了提高大電流下的熔敷層厚度，焊劑堿度和氟化物含量通常很高，使其具有較高的導電性和低的粘性。

電渣槽的溫度大約是2300℃，形成了薄層的導電液態熔渣，并能熱輻射。大量的熱量積累，采用水冷夾鉗是非常有必要的。由于電流很大，所以ESW焊接機頭比帶極埋弧堆焊機頭重很多。

ESW特征

與帶極埋弧堆焊相比，ESW具有如下特點：

◆熔敷率提高了60%～80%

◆只有一半稀釋到母材中，這是由于熔深很淺（大約10%～15%的稀釋率）

◆焊接電壓低（24～26V）

◆電流和電流密度大（60mm寬焊帶通過電流為1000～1250A，相應電流密度為33～42A/mm2），尤其是高速焊劑允許焊接電流超過2000A，相應電流密度為70A/mm2

◆提高了焊接速度（50%～200%），使覆蓋面積提高

◆熱輸入量相當

◆焊劑燒損低（大約0.4～0.5kg/kg）

◆ESW焊焊縫金屬的固化速率很低，有利于氣孔逸出，減少了氣孔缺陷。氧氣能夠從熔融的電渣池中逸出到表面；堆焊層金屬表面相當干凈，從冶金學角度看，減少了熱裂和晶間腐蝕傾向。

工業生產實際應用中，產品焊縫表面相對基體金屬來說，較高的熔敷率和低的稀釋率是非常重要的。帶極埋弧堆焊已經廣泛應用于表面大面積堆焊多年。然而，電渣堆焊技術正在焊接行業占主導地位。下面是意大利北部兩大工廠Sices and Ansaldo-Camozzi應用帶極堆焊的實際情況。

SICES采用ESAB OK新型焊齊進行電渣堆焊

圖1 煉油廠脫硫反應器—Sices制造工廠

SICES S.p.A是SICES集團下屬一家集生產、制造、設計石油化工、能源工業領域壓力容器、反應器、塔器、換熱器及預制管的公司，位于Lonate Ceppino。擁有ISO9001-2000，EN729.1及ASME R、S、U、U2等鋼印。

SICES集團下屬Montaggi S.p.A，S.p.A及Pensotti Idrotermici Srl公司主要專著于本地設備裝配、安裝、試車及維護，同時還從事工業鍋爐的設計、制造，如換熱器、氣化爐等。

ESAB針對SICES S.p.A公司電渣堆焊要求研制了新型高效焊劑。ESAB OK Flux 10.14焊劑專為Cr，Cr-Ni，Cr-Ni-Mo奧氏體型焊帶設計的，當采用能量集中的電弧焊接時，具有很高的熔敷率（60×0.5mm焊帶可達到450mm/min）。通常使用的60×0.5mm焊帶，焊接電流上限可達到2300A。

SICES S.p.A質量經理對這種高效新型焊劑留下了深刻的印象，其最大熔敷率可達到20%，遠高于任何傳統同類型焊劑。

根據ASME規范第Ⅸ卷進行了工藝評定（PQR），結果表明新型焊劑顯著改善焊接質量。焊接工藝評定測試項目：目測—尺寸控制、超聲波測試、滲透測試PT、化學成分分析、剝層測試。

圖2 SAW帶極堆焊熔敷率

針對加氫脫硫反應器堆焊層做的工藝評定試驗后不久，新型ESW ESAB OK Flux10.14焊劑在實際生產中得到了極大的應用。反應器根據ASME規范第Ⅷ卷第一部分和壓力容器發展指南PED 97/23/CE設計。基體材料：ASTM SA387 Gr.11 C12；焊接方法：SAW；焊接材料：ESAB OK Flux 10.62+Autrod 13.10 SC（AWS A5.23 EB 2R-焊絲雜質含量低）。

反應器尺寸：23000mm（長度）、3650mm（直徑）、75mm（厚度）、160噸（空重）、360噸（毛重）。最小設計溫度414℃（工作溫度389℃）；水壓試驗：89bar，而工作壓力為50bar/f.v。為了使工藝評定范圍能夠覆蓋AWS ER347 厚度大于3mm工件，評定用的試板厚度為8mm。此外，填充金屬須保證焊后熱處理（PWHT）前后鐵素體含量為3%～8%。根據客戶的要求，在試板表面堆焊兩層。堆焊材料：OK Flux 10.14＋OK Band 309LNb（AWS A5.9 EQ309L Nb），OK Flux 10.14＋OK Band 347（AWS A5.9 EQ347）。

值得注意的是，熔敷率從化學成分、鐵素體，缺陷和蓋面焊等幾個方面分析實際上是相同的，因此采用相同焊劑可以滿足在不同工況條件下使用，如不同容器直徑，bottom parts and gates，電流等。通常大部分電源在暫空比100%條件下，均能提供1500～1600A大電流，焊帶尺寸60×0.5mm。

圖3 ESW堆焊熔敷率

圖4 Sices工廠煉油反應器ESW帶極堆焊熔敷率

選用ESW而不采用SAW原因是熔透淺、稀釋率低、生產效率高。

SAW、ESW和高速ESW熔敷率比較結果如圖2和3所示，焊劑為ESAB OK Flux10.14。ESAB再次達到預期目標：質量、生產效率和成本均能滿足客戶的要求。隨后，雙方簽訂了一臺先進的雙頭帶極堆焊設備的合同。

ANSALDO-CAMOZZI 核容器和套筒設備

圖5 PaloVerde核電站換熱器

意大利ANSALDO-CAMOZZI公司由Camozzi創立，位于Brescia工業園區，屬于Ansaldo集團，主要從事核工業相關部件的生產。Ansaldo（原Breda）自1960年來一直活躍在鍋爐，透品機和核電等行業。1991年在Milan成立了“核工業中心”，承擔特殊部件的安裝。

Camozzi 集團于2001年4月成功收購了Ansaldo公司，成為S.p.A旗下專業Ansaldo - Camozzi能源配件公司。產品Ansaldo -Camozzi公司專著于核電，傳統交通工具配件，核廢料處理處理裝置以及相關核電中換熱器。同時，還生產各種大型壓縮機-尺寸公差are not。在核工業中，產品質量是首要保證的，并且是100%可靠，Ansaldo - Camozzi提供了可靠渠道。

Ansaldo - Camozzi是在美國之外，第一家獲得N和NTP ASME鋼印的國家。在ASME證書清單中ASME規范第Ⅲ卷第一分卷格外引人矚目。事實上，Ansaldo - Camozzi公司還一舉取得了ISO90012000認證。相反ASME N3鋼印對貯藏和運輸核廢料系統的設計和制造是非常重要的。顯然，這就需要焊接材料供應商同樣也具備相應的質量保證。在意大利，ESAB Saldatura（焊接）是第一個取得核級焊割材料ASME鋼印認證的公司。

Ansaldo - Camozzi采用現代技術對產品質量和生產進行控制，并且配備了現代化的生產設備。例如，6,000噸的油壓機可以沖壓300mm厚的鋼板，最近沖壓成形了世界上最大的換熱器的封頭，該設備每個重大800噸，訂貨單位為美國Palo Verde，Arizona（圖5）最大的核電站。其中兩臺于2002年交付使用，另外兩臺在2005年供貨，最后兩臺截至2006年交付。

圖6 環形焊縫窄間隙焊。280kg桶裝焊絲避免了頻繁換焊絲的時間

圖7 換熱器應用SAW帶極堆焊

圖8 帶極堆焊完成后的換熱器

該換熱器結構中，有兩種不同的材料焊接。殼體材料是低合金鍛件，SA508-3a。工件焊后熱處理25h須滿足Rm≥620MPa，-29℃低溫沖擊韌性Kv達到27J。圓筒底部厚度變化范圍從240mm逐漸變化到120mm，再到殼體厚度90mm最后形成封頭?？紤]到厚度因素，所有縱向和橫向焊縫，均采用SAW窄間隙單絲和雙絲焊，焊接材料為ESAB OK Flux10.62/OK AutrodN 13.40。在該應用實例中，大型桶包裝的焊絲尤其經濟實惠，280kg桶裝焊絲可以連續焊接整條焊縫，避免了頻繁換焊絲，如圖6所示。先前采用100kg包裝的焊絲，同30kg盤狀焊絲相比節省了3次換絲的時間，并且采用了ESAB公司專門設計的圓形龍門式焊接設備。換熱器內部層板采用了碳鋼，厚度達到50mm。SAW采用的是OK Flux 10.62/OK Autrod 12.24。厚度為640mm的熱風管內，開有25000個孔的管板和INCONEL 690管子采用TIG焊接，不需要填絲。遠離接頭部位的部分位置需要表面堆焊一層耐蝕層。堆焊采用SAW帶極堆焊，焊帶尺寸為60×0.5mm。焊接方式如下：OK Flux 10.05焊劑和OK BandN 309L焊帶堆焊第一層，然后采用OK BandN 308L堆焊余下層，如圖7所示。

較小的焊帶應用在比較難焊的位置（如表1所示）。在設備外部（重量和尺寸很大）起吊用的吊鉤焊接采用的是ESAB OK Autrod13.29焊絲、直徑1.2mm，采用MIG焊，在設備最后裝配時再拆除。產品按ASME規范第Ⅲ卷Ⅰ分卷（核級）制造。熱處理：610℃/4小時30分；工藝評定試驗610℃/25h。

殼體焊縫需要100%RT和超聲波檢測（UT）；殼體內部配件，根據厚度需要做射線和超聲波檢測；焊縫都需要做表面PT和MT檢查，管子-管板焊接都需做He密封性試驗；最后水壓試驗，相應工作壓力1.5倍，215bar。焊縫金屬需根據機械性能、沖擊韌性及等溫轉變曲線等做兩倍檢測，所有試板均需要做彎曲試驗。

表1 熔敷金屬量

在過去幾年里，ESAB也一直為Ansaldo-Camozzi公司提供大量焊接設備：

◆三臺埋弧自動焊專機，專門焊接人孔（最小直徑260mm/1350mm）。該專機特別安裝了一套焊接變為機，保證船型位置焊接。

◆SAW/ESW焊接系統，并在機頭上配置專用焊槍和高度自動跟蹤器（焊帶伸出長度保持不變），100%整流器1600A/46V；

◆傳統的環形焊縫帶極堆焊機頭（30mm焊帶）能夠堆焊所有gate或圓形筒體，速度為340mm/min；

◆配備DC/AC型得HNG－T埋弧焊設備可滿足厚壁筒體（最大厚度350mm）的窄間隙焊，每層焊縫焊兩道。焊接機頭安裝有兩個直的扁焊槍，依靠特殊的運動學機理進行關節控制。

◆自動跟蹤系統，雙向，可正確測量水平和垂直兩個方向的距離。

ESAB的合作伙伴

ESAB公司客服各種困難和需求，同SICES和Ansaldo-Camozzi公司建立了良好的合作關系。兩家公司均已報道歡迎更加緊密的合作，配套質量保證和優質的服務。不論遇到什么問題，技術支持永遠是合時宜的。