帶極堆焊焊接工藝研究

文明

大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司 遼寧大連 116100

1 序言

大連金州重型機(jī)器集團(tuán)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(shè)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(xué)成分，而堆焊厚度取決于焊接熱輸入的作用。在焊材化學(xué)成分一定的前提下，堆焊厚度越大，對(duì)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(dá)到技術(shù)要求的含量。如果堆焊厚度越大，其相應(yīng)成本就會(huì)越高；但堆焊厚度如果過小，其化學(xué)成分就達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求，直接影響到堆焊層的耐蝕性[1]。

2 試驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)用鋼板 試驗(yàn)所用的材料是國(guó)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(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。

（2）焊接材料 試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)焊帶的牌號(hào)為D309L、D347L，焊帶規(guī)格為60mm×0.5mm，符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47018.5—2017要求，化學(xué)成分見表3和表4。

表1 15CrMoR鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 15CrMoR鋼的力學(xué)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(duì)于給定尺寸（寬度×厚度）的焊帶，其電流密度基本是恒定的。對(duì)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(huì)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(shí)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(guān)資料介紹，采用上述參數(shù)時(shí)，堆焊厚度能達(dá)到4.0mm以上。由于預(yù)期目標(biāo)是兩層厚度達(dá)到6～7mm，考慮到設(shè)備導(dǎo)線較長(zhǎng)，所以應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾雍附与娏骱碗娀‰妷海附铀俣葢?yīng)≥150mm/min，最終焊接速度取多少合適，需通過測(cè)量實(shí)際堆焊厚度來確定。

表3 D309L焊帶的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 D347L焊帶的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）試板的焊接 試驗(yàn)?zāi)覆臑?5CrMoR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(jì)時(shí)測(cè)定懸臂前進(jìn)速度達(dá)到要求后才可進(jìn)行施焊。焊接參數(shù)及焊道編號(hào)見表5。

表5 焊接參數(shù)及焊道編號(hào)

通過采用焊縫檢測(cè)尺初步測(cè)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(yàn)結(jié)果及分析

（1）測(cè)量焊縫厚度 焊接試驗(yàn)后對(duì)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(jìn)行測(cè)厚。采取先測(cè)量基層厚度，然后測(cè)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(cè)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(jì)算稀釋率，全部計(jì)算結(jié)果見表6。

（2）化學(xué)成分分析 對(duì)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(jìn)口原子核發(fā)射光譜儀ARC MET 8000進(jìn)行化學(xué)成分分析。因?yàn)镃、Cr、Ni在耐腐蝕材料中起到關(guān)鍵作用，所以主要分析以上3種元素。同時(shí)也對(duì)母材、焊帶進(jìn)行了化學(xué)成分分析（見表7）。根據(jù)表1、表3、表4、表7對(duì)比發(fā)現(xiàn)，廠家提供的參數(shù)與實(shí)際測(cè)量有一定的誤差，但表中所有數(shù)據(jù)都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗(yàn)計(jì)算值采用實(shí)際測(cè)量值。

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

表6 稀釋率計(jì)算結(jié)果

表7 化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?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(guān)系如圖1所示。

圖1 焊接速度與堆焊層厚度的關(guān)系

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

此外，由于不銹鋼熱導(dǎo)性、鋼帶的化學(xué)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(xué)成分分析結(jié)果 通常情況，工程標(biāo)準(zhǔn)要求堆焊層取化學(xué)成分分析試樣時(shí)，需將堆焊表面加工掉1～2mm后再取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，因此在同一堆焊層中，最關(guān)心的問題是化學(xué)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(guó)外焊材生產(chǎn)廠家做過類似試驗(yàn)，在距熔合線250μm外，化學(xué)成分就接近于均勻混合。這就提示我們，只要堆焊層達(dá)到一定的厚度，化學(xué)成分分析取樣只要不超出面層厚度，主要化學(xué)成分是可以達(dá)到要求。

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

以表6、表7數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(jì)算得到的化學(xué)成分見表8。通過理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，二者數(shù)值還是比較吻合的。

表8 過渡層、面層化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

假如，設(shè)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(jì)算得到的化學(xué)成分見表9。

通過以上計(jì)算，若堆焊層厚度低于3m m，即稀釋率超過20%，化學(xué)成分分析結(jié)果中需滿足wC≤0.03%的要求。若Cr、Ni鋼帶化學(xué)成分偏下限，則很可能Ni，Cr的化學(xué)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(huì)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(gè)稀釋率等參數(shù)的堆焊化學(xué)成分與堆焊厚度的關(guān)系計(jì)算式。

表9 過渡層、面層的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

假設(shè)需要估算一種化學(xué)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(cè)定化學(xué)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(guān)數(shù)據(jù)A、B、C；需要計(jì)算元素X在第一層（過渡層）的熔敷金屬中化學(xué)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(xué)成分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(xué)元素X的含量，根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)得到以下關(guān)系計(jì)算式：

第一層（過渡層）化學(xué)元素X的含量

第二層（面層）化學(xué)元素X的含量

表10 不同位置化學(xué)元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4 結(jié)束語(yǔ)

通過以上試驗(yàn)，可以得到以下有參考價(jià)值的結(jié)果：

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

2）在同一層堆焊金屬中，化學(xué)分析濃度梯度不明顯，化學(xué)成分相對(duì)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(xué)成分（特別是C含量）不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(dá)到的水平是我們關(guān)心的問題，可為正確制定焊接工藝及進(jìn)行材料定額估算提供依據(jù)。當(dāng)母材、焊材化學(xué)成分已知時(shí)，采用理論分析的方法可推算焊縫化學(xué)成分，對(duì)確定所需堆焊層厚度具有指導(dǎo)意義。