氣化爐Inconel625耐蝕堆焊工藝評定及應用

楊寶峰,荊志龍,魏凌霄,齊 慶,逯 瑤

(太重(天津)濱海重型機械有限公司,天津 300452)

1 引言

氣化爐在爐體下部沿周向裝置了一組噴嘴，將混合氧氣/水蒸氣高壓噴入爐內，形成爐內局部高溫燃燒區，氣化爐較高的反應區和熔融的煤渣要求氣化爐具有很強的耐高溫性和耐腐蝕性。鎳基合金是一種能夠在600 ℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的合金材料，其具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。氣化爐內夾套(材質Q245R，厚度34 mm)下部采用堆焊鎳基合金Inconel625，堆焊厚度3 mm，以滿足氣化爐內部高溫、腐蝕性的反應環境。

本文主要介紹帶極電渣堆焊的優點、帶極電渣堆焊Inconel625焊接工藝評定試驗及該工藝在氣化爐上的應用。

2 產品技術要求

氣化爐內夾套直徑Ф4000 mm，材質為Q245R，厚度為34 mm，要求在Q245R基層上堆焊鎳基合金Inconel625，堆焊厚度至少3 mm，并滿足以下要求。

(1)堆焊層厚度應均勻，最厚與最薄之差不大于1 mm。

(2)基層材料的待堆焊表面應按 NB/T47013.4-2015 進行 100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。

(3)堆焊后按 NB/T47013.5-2011 對堆焊層進行 100%滲透檢測，Ⅰ級合格，堆焊層不得有夾渣、咬邊、裂紋、未熔合等缺陷。焊后設備應進行爐內整體消除應力熱處理。

(4)堆焊前按照NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》進行耐蝕堆焊焊接工藝評定。

3 帶極埋弧堆焊與帶極電渣堆焊比較

壓力容器內部大面積耐蝕堆焊，工程上常使用帶極埋弧堆焊或帶極電渣堆焊。埋弧堆焊法和電渣堆焊法其本質差別在于：埋弧堆焊時，由電弧熱將焊帶、焊劑及局部母材熔化，隨后冷卻形成堆焊焊道及渣殼；電渣堆焊時，這一熱量則來自電流通過熔渣渣池所產生的電阻熱。在電渣堆焊的開始階段，靠電弧熔化焊劑，由于熔渣的電阻低于電弧，所以電弧消失，形成電渣過程。埋弧堆焊過程中焊帶前后都需添加焊劑，熔化和凝固過程全都在焊劑下進行，否則如果焊渣不能完全覆蓋焊縫金屬，則會出現飛濺及氣孔等焊接缺陷。電渣堆焊焊帶直接插入渣池中，只需在焊帶前面添加焊劑，渣池上方不能添加焊劑，讓熔融渣池暴露于空氣中，否則焊接不穩且易產生壓坑。

兩種堆焊方法對比，電渣堆焊較埋弧堆焊具有以下特點。

(1)電渣堆焊熔敷效率高，在中等電流下，比埋弧堆焊高50%。

(2)電渣堆焊熔深淺且均勻，稀釋率低，生產上可控制到10%，從第一層起就能獲得超低碳的耐蝕堆焊層。

(3)通過附加磁場，控制焊縫成形，焊道形狀規則，不易有夾渣等缺陷，搭架熔合平滑，表面質量優良，表面不平度小于1 mm。

(4)電渣堆焊金屬中雜質元素(氧、硫、磷等)含量低，非金屬夾雜物明顯減少，力學性能優良。

(5)電渣堆焊由于接頭熔合區的碳擴散層窄，馬氏體帶寬度小，接頭熔合區性能優于埋弧堆焊。

綜上，氣化爐內夾套鎳基合金Inconel625耐蝕堆焊優先采用帶極電渣堆焊。

4 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評定試驗

4.1 Inconel625焊接特點

鎳及鎳基合金的導熱性差，焊接時容易過熱引起晶粒長大，焊接時應盡量采用小的熱輸入量。鎳非常容易被硫和鉛脆化，形成熱裂紋，所以控制焊材中的硫、鉛含量，焊前應打磨清理待堆焊表面的油污、銹蝕、油漆、灰塵等雜物。

4.2 焊接材料和帶極電渣堆焊影響因素及要點

帶極電渣堆焊焊帶選用哈焊所H625(0.5 mm×60 mm)，配套焊劑選用電渣型燒結焊劑SJ82B。焊帶H625的化學成分見表1。

表1 焊帶金屬化學成分 %

影響帶極電渣堆焊質量的工藝參數有焊接電壓、電流和焊接速度，其次還有干伸長、焊劑層厚度、焊道間搭接量等。焊道成形與堆焊過程的穩定性及磁場控制技術等有關。要獲得平整的焊道、較小的稀釋率、較高的堆焊效率，主要取決于堆焊規范參數及匹配。

4.2.1 堆焊電壓

帶極電渣堆焊過程對電壓比較敏感，焊接電壓低，引弧困難，不利于渣池的建立。焊接電壓太高，也不利于電渣過程的穩定，隨著電壓的升高，到了一定程度，電渣過程幾乎全部變成了電弧過程。電渣焊不易采用高電壓，在保證焊接穩定性的前提下要盡量采用低電壓焊接。

4.2.2 堆焊電流

帶極電渣堆焊時，焊接電流對電渣過程的建立、母材熔深及焊道成形均有較大影響。電流過小，不利于引弧造渣；電流太大，雖然能夠很好地保證電渣過程的穩定，但隨著熱輸入量的增加，使熔深增加，稀釋率變大，進而影響焊道的化學成分，同時為防止咬邊就需要增加磁控。

4.2.3 焊接速度

帶極電渣堆焊時，焊接速度對電渣堆焊的影響非常大。 在電流、電壓規范一定的情況下，焊接速度太低，生產效率低，并且母材受熱作用時間較長，晶粒粗大，熔深增加，焊道較厚，且母材稀釋率變大。焊接速度太高，由于新卷入熔池的焊劑不能充分熔化而使熔池溫度下降而產生電弧，而且使焊道堆高太薄，影響焊道成形質量。為了能夠達到理想的堆焊層，堆焊速度應當和其他規范參數達到最佳匹配。

4.2.4 焊接熱輸入

堆焊質量的好壞，堆焊稀釋率的高低是堆焊電流、電壓、焊接速度共同作用的結果，也就是焊接熱輸入的影響。有研究認為，帶極電渣堆焊時，焊接工藝參數的適應范圍較寬，熱輸入量在50～90 kJ/cm時，可獲得不同厚度的堆焊層，且堆焊金屬的內在質量、力學性能均能合格。

4.2.5 帶極伸出長度

帶極伸出長度影響到焊帶的熔化和堆焊過程的穩定性。隨著干伸長的增加，稀釋率下降。因焊帶隨著伸長而電阻增加，消耗在焊帶上的電阻增加，電弧區的電壓降低，從而降低了稀釋率，當干伸長達到55 mm時，焊帶出現發紅現象，焊帶的熱量會傳遞到機頭導電嘴，影響導電嘴的使用壽命，同時也影響了焊接穩定性，易發生黏帶斷弧現象。干伸長太短，導電嘴容易與熔池接觸而燒損。

4.3 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評定

4.3.1 焊前準備

采用試板規格34×200×300，材質Q245R，堆焊前打磨待堆焊表面，清除油污、氧化皮、銹等雜質，打磨表面按照 NB/T47013.4-2015 進行 100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。焊劑SJ82B提前進行300 ℃烘干2 h。焊接設備采用唐山開元帶極堆焊焊接中心DC-1500-KM6080，對其進行調試。

4.3.2 焊接試板

采用直流反接法，焊接電流850～900 A,電壓24～28 V，焊接速度18～20 cm/min，焊帶桿伸長度30～40 mm，焊道之間搭接8～10 mm，焊接熱輸入量72 kJ/cm。堆焊起弧時電壓應適當放大，剛開始起弧是埋弧堆焊階段，但起弧后電弧消失轉為電渣堆焊階段，這時電壓應適當降低，在焊帶后方逐漸形成熔融渣池，焊帶直接插入渣池中，這時只能在焊帶前方鋪撒焊劑，后方不再撒焊劑，讓熔融的渣池暴露在空氣中。堆焊見圖1，堆焊厚度在3～4 mm。

圖1 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評定

4.3.3 無損檢測

對堆焊層進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

4.3.4 爐內消應力熱處理

升溫400 ℃后，升溫速度60 ℃/h；加熱溫度為620±10 ℃，保溫300 min；以60 ℃/h降溫至400 ℃，出爐空冷。

4.3.5 化學及力學性能試驗

從堆焊層上鉆取鋼屑進行化學成分分析，化學成分結果見表2；切取4件橫向側彎按照GB/T2653進行彎曲試驗，彎心直徑D=4a，彎曲角度180°，彎曲試樣表面沒有裂紋及任何開口缺陷，4件試樣全部合格。試板取樣見圖2。

表2 焊縫金屬化學成分 %

4.3.6 結論

該Inconel625耐蝕堆焊工藝評定按NB/T47014-2011規定焊接試件、檢驗試件、測試性能，評定合格。

圖2 Inconel625帶極電渣堆焊工藝評定取樣示意

5 結語

(1)Inconel625耐蝕帶極電渣堆焊，選擇配套的焊接材料，合理地選擇焊接電流、電壓、焊接速度、焊帶桿伸長量及焊道的搭接量，嚴格執行焊接工藝，堆焊焊道成型美觀，化學成分和力學性能均能滿足相關標準和技術要求。圖3為氣化爐Inconel625耐蝕帶極電渣堆焊。

圖3 氣化爐Inconel625耐蝕帶極電渣堆焊

(2)鎳基合金Inconel625耐蝕堆焊技術成功應用于內蒙古某煤化工項目氣化爐，該氣化爐已投產穩定運行至今10年。