气化炉镍基实心焊丝堆焊工艺研究及应用

张　杰，张　涛，罗永飞，钟正彬

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司工艺部，四川自贡643001）

气化炉镍基实心焊丝堆焊工艺研究及应用

张杰，张涛，罗永飞，钟正彬

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司工艺部，四川自贡643001）

通过工艺试验，镍基实心焊丝气体保护焊采用焊丝ERNiCrMo-3（φ1.2 mm)，保护气体选用I3（Ar+He）堆焊，基材1.7335（1Cr-0.5Mo）、SA-387Gr11CL2，其堆焊层化学成分、综合力学性能均满足EN规范要求，抗晶间腐蚀能力能够满足设备技术要求；焊缝成形美观，飞溅少，工艺性能良好，能有效减少焊接变形，提高了焊接效率。已应用于气化炉内件管屏等大面积堆焊制造，解决了气化炉管屏、壳体、接管大面积镍基堆焊技术难题。

ERNiCrMo-3实心焊丝；堆焊；气化炉

0　前言

我国能源分布呈现出“富煤、贫油、少气”的特点。近年来，以煤为原料的化学工业正显现出强劲的发展竞争优势，煤制油、甲醇、合成氨、烯烃、天然气以及余热发电等产业得到快速发展。

气化炉作为煤气化设备的核心部件，其结构十分复杂，气化温度高达1 500℃，长期在高温、高压环境下运行；合成气主要由CO、H2、H2S、CO2、N2等强腐蚀性介质组成，对气化炉相关工作区域（如反应室、合成气冷却器、导管内壁等）提出了很高的耐腐蚀性能要求。根据腐蚀介质情况，目前通常采用堆焊镍基材料耐腐蚀层方式，防止、减少工作介质腐蚀。

近年，东方锅炉股份有限公司在煤化工领域取得了突破，签订了大型煤气化炉设备项目。气化炉内件全面采用欧洲标准制造，采用复杂的膜式水冷壁结构，产品结构特别紧凑、复杂，制造难度特别大，该气化炉内件制造在我国尚属首次。气化炉内件管屏材料主要为1.7335（1Cr-0.5Mo），在由管子和扁钢组成的圆柱状管屏的内、外壁大面积堆焊镍基ERNiCrMo-3材料，堆焊层厚度4～5 mm，由于堆焊基材母材壁较薄、堆焊面积多，焊接变形控制难度大，管屏堆焊技术是气化炉内件制造的难点。

为了保证堆焊质量，减少焊接变形，提高焊接效率，兼顾制造成本，拟采用镍基实心焊丝气保焊堆焊工艺，为此开展了一系列的焊接工艺试验，并成功应用于气化炉制造。

1　试验方法和结果

1.1试验母材

管子材质及规格1.733（EN10216-2）φ38 mm× 7.1 mm，加工试样L=300 mm一支；钢板材质及规格为SA-387Gr11CL2，δ=30 mm，加工试样270 mm× 150 mm一块。母材的化学成分见表1。

表1　母材的化学成分％

1.2熔敷金属化学成分及性能

焊丝选择ERNiCrMo-3、φ1.2 mm，能满足EN ISO14172；焊接保护气体为（EN ISO14175）I3（Ar+ He），其熔敷金属化学成分及力学性能见表2、表3。

表2　熔敷金属ERNiCrMo-3，φ1.2 mm化学成分％

表3　熔敷金属ERNiCrMo-3，φ1.2 mm力学性能（室温）

1.3制作试样两组

采用焊丝ERNiCrMo-3、φ1.2mm，制作试样两组。试管堆焊试样编号D1，试板堆焊试样编号D2，试样宏观如图1、图2所示。

图1　堆焊试样D1

图2　堆焊试样D2

堆焊前，清除试样待堆焊区域氧化皮、铁锈、油污等污染物，堆焊区域D1为L=160mm，D2为150mm× 160 mm，采用脉冲熔化极气体保护焊焊接设备堆焊3层，堆焊厚度5～6 mm，控制层间温度小于等于100℃，堆焊焊道搭接量60％～70％，焊接规范如表4所示。试样焊后立即后热（300℃～400℃）×（3～4h），打磨焊缝PT、UT探伤面，堆焊层焊缝进行100％PT、100％UT检验；探伤检验合格后，试样进行680℃×4h退火处理。

1.4试样检验

1.4.1无损探伤检验

试样堆焊层焊缝进行100％UT检验，合格标准按ISO15614-7（任何大于φ8 mm平底孔信号的缺陷是不允许存在）；堆焊层焊缝100％PT检测，合格标准按EN571-1，合格级别EN1289Ⅰ级；UT检验、PT检测合格。焊接规范如表4所示。

表4　焊接规范

1.4.2熔敷金属化学成分

试样D1、D2检测化学成分各3组，包括母材、堆焊层，位置为堆焊层距母材表面高度，如表5所示。

表5　熔敷金属化学成分

1.4.3弯曲、硬度试验

按ISO15614-7标准要求进行弯曲、硬度试验，试验结果见表6。

表6　弯曲、硬度试验

1.4.4金相检验

试样D1宏、微观检验均未发现缺陷，堆焊层熔合良好，堆焊层焊缝组织为奥氏体+碳化物（见图3），热影响区组织为铁素体+珠光体+贝氏体（见图4），母材组织为铁素体+珠光体（见图5）。

图3　堆焊层微观组织

图4　热影响区微观组织

图5　母材微观组织

试样D2宏、微观检验均未发现缺陷，堆焊层熔合良好，堆焊层焊缝组织为奥氏体+碳化物（见图6），热影响区组织为贝氏体（见图7），母材组织为贝氏体（见图8）。

1.4.5晶间腐蚀试验

试验采用ISO9400 B法，Cu-CuSO4-16％H2SO4试验方法通过，试样D1、D2均无晶间腐蚀倾向。

1.5焊接变形对比试验

分别采用ENiCrMo-3、φ3.2 mm焊条电弧焊，ERNiCrMo-3、φ1.2 mm半自动混合气体保护焊，保护气体I3（Ar+He），开展了堆焊工艺对比试验。试验结果表明：半自动混合气体保护焊堆焊缝成形好，堆焊效率高，焊接变形量小，打磨清理工作量少。

上述试验结果表明，半自动混合气体保护焊镍基焊丝焊接工艺性能良好，焊接时电弧稳定、飞溅小、焊缝表面成形美观、无气孔和裂纹等缺陷。

图6　堆焊层微观组织

图7　热影响区微观组织

图8　母材微观组织

2　试验分析

2.1保护气体设计

在保证堆焊层化学成分、焊缝组织的前提下，保护气体的组成及比例就成为焊缝组织能否满足技术要求的关键因素，针对混合气体进行了优化设计，具体思路如下。

氦气（He）热传导系数高，可以明显提高电弧对母材的加热作用，从而提高焊接速度，避免未熔合、未焊透等焊接缺陷的产生，焊接飞溅小，焊缝成形得到改善。

对于半自动混合气体保护焊，在保护气体Ar中加入适量的He，适当增加熔深，改善焊缝成形，增加焊接弧柱的稳定性和熔透性，可以得到稳定的熔滴过渡过程，避免产生热裂纹；采用喷射过渡时，可以获得很好的效果，熔池具有良好的湿润性，使得焊缝变平、变宽，熔深变浅，减少稀释率，同时减少了未熔合等缺陷。

保护气体流量的大小直接影响气体的保护效果。气体流量不足，气体层流挺度不强，对熔池的保护作用减弱，气体保护效果不好，容易使焊缝中产生气孔；气体流量过大，对熔池吹力增大，冷却作用增强，易造成气体紊流现象，破坏气体保护效果，而且浪费保护气体。

2.2焊接性分析

气化炉内件管屏、壳体上（1.7335、SA-387Gr11CL2）大面积堆焊ERNiCrMo-3耐腐蚀层在公司尚属首次，无经验可以借鉴。根据镍基堆焊材料的特点，结合气化炉产品结构特点，在堆焊时要特别注意：

（1）焊前重视清理堆焊区域。在堆焊区域内，采用不锈钢丝刷清理，露出金属光泽；堆焊时严格控制道间温度在100℃以下，防止过热；如果出现过热，将降低焊缝的强度和耐腐蚀的性能，尤其是过渡层的塑性大大降低。

（2）焊接热输入大小对焊缝热裂纹的产生和堆焊层晶间腐蚀倾向有重要影响。要尽可能采用较小的焊接电流，减少焊接热输入，改善熔池结晶形态，减少枝晶间偏析，以防止热裂纹的产生，改善熔合区质量。焊接热输入过大，晶粒长大倾向增大，化学成分偏析严重，扩散作用对堆焊层化学成分有一定影响，造成含铁量的增加，增大了晶间腐蚀倾向。

（3）严格控制焊接热输入。保证电弧稳定燃烧，焊枪保持在接近垂直位置，弧长尽量短，尽量直线运动，避免大幅度的横向摆动。采用多道焊，每层焊道的接头应错开；收弧时，要及时填满弧坑，待弧坑冷却后再切断保护气体。

2.3堆焊层稀释率

堆焊层的化学成分及性能主要取决于堆焊层材料的稀释率。堆焊时严格控制稀释率，稀释率过大会增加堆焊层热裂纹的敏感性，降低堆焊层耐蚀性。

影响半自动混合气体保护焊镍基堆焊稀释率的因素主要有：焊接电流、焊接电压、焊接速度、干伸长度、焊道间距、焊接位置等。

（1）焊接电流。

焊接电流增大，焊缝熔深加大，将导致母材熔化量增加，稀释率增大，造成堆焊层的硬度偏高，过渡层塑性、韧性下降，导致侧弯不合格。

（2）焊接电压。

在焊接电流一定的条件下，电压过低，堆焊焊道高而窄，下一道焊接时容易造成夹渣等缺陷；电压过高，堆焊焊道较宽，堆焊层厚度达不到技术条件的要求。

（3）焊接速度。

焊接速度对镍基焊丝堆焊的焊道和堆焊层的稀释率有直接影响。焊接速度太快，堆焊焊道窄而薄，容易与下次焊道重叠，并且稀释率偏高，增加了堆焊层硬度；焊接速度太慢，易造成堆焊厚度过高，增大焊道的湿润角，下一道焊接时易产生焊道下夹渣，容易堵塞喷嘴、使保护气体流通不畅，影响焊道表面成形质量。

（4）干伸长度。

干伸长度对电弧的稳定性、焊道熔深、电弧能量都有影响。焊丝伸出长度太长，会造成电弧不稳定和焊道成形较差，飞溅较大。焊丝伸出长度过短，易造成电流较大、熔深较深、稀释率增大、堵塞和烧损导电嘴，保护效果变差，易产生气孔等缺陷。

（5）焊道间距。

减少焊道间距，则增大焊道间搭接量，焊接时熔化的母材减少，稀释率减小；反之，稀释率则增大。同时堆焊焊道之间的搭接量直接影响堆焊层平整度。

（6）焊接位置。

下坡焊熔池受重力作用流动方向与焊接方向一致，熔深较浅，稀释率较小。

3　工程应用

采用上述工艺在材料1.7335、SA-387Gr11CL2上采用半自动混合气体保护焊焊丝ERNiCrMo-3、φ1.2 mm堆焊，其堆焊层焊缝的化学成分、力学性能、腐蚀试验均满足EN规范要求，可以应用于产品制造。

由于气化炉设备结构的特点和镍基焊接材料的特征，在设备制造上的运用有很大的难度，通过开展一系列的镍基堆焊技术攻关，摸索出一整套镍基堆焊的经验，掌握了焊接操作技能，精心操作，严格控制焊接规范，焊缝成形良好，焊接质量优良，堆焊后工件变形小，满足了产品设计要求，如图9～图11所示。

图9　气化炉内件管屏堆焊

图10　气化炉内件管子堆焊

图11　气化炉外壳堆焊

在应用于气化炉内件堆焊的同时，还推广应用到气化炉壳体的堆焊制造，用于筒体内壁堆焊、法兰、管接头堆焊，焊缝质量良好，焊接效率大大提高，满足了产品设计要求。

4　结论

（1）在基材1.7335（1Cr-0.5Mo）、SA-387Gr11CL2上，采用半自动混合气体保护焊焊丝ERNiCrMo-3、φ1.2 mm，保护气体I3（Ar+He）堆焊，堆焊层的组织为奥氏体+碳化物，堆焊层与基体熔合良好，其堆焊层化学成分和综合力学力学性能均满足EN规范要求，晶间腐蚀试验按ISO9400 B法，Cu-CuSO4-16％H2SO4试验方法通过，抗晶间腐蚀能力能够满足设备技术要求。

（2）采用半自动混合气体保护焊ERNiCrMo-3、φ1.2 mm堆焊，其焊接工艺性能良好、堆焊后焊接变形小，堆焊层表面成形美观、平整，焊缝成形好，效率高。

（3）通过开展一系列技术攻关，半自动混合气体保护焊镍基堆焊工艺技术成功地运用于气化炉内件管屏、壳体、接管等大面积堆焊，焊缝质量良好、焊接变形小，经过严格检验，完全满足欧洲AD2000标准要求，满足了设计图纸技术要求，解决了气化炉管屏、壳体、接管大面积镍基堆焊技术难题。

[1]李亚江，王娟，刘强.有色金属焊接及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]张杰.保护气体对镍基药芯焊丝堆焊层性能的影响[J].焊接技术，2014，43（07）：12-14.

[3]王天先.CO2气保药芯焊丝堆焊侧弯不合格原因分析[J].电焊机，2010，40（02）：74-76.

Research and application of overlaying technology on gasifier nickel-based solid wire

ZHANG Jie，ZHANG Tao，LUO Yongfei，ZHONG Zhengbin
（Technology Department，Dongfang Boiler Co.，Ltd.，Zigong 643001，China）

Process test，nickel-based solid wire GMAW welding ERNiCrMo-3 φ1.2，shielding gas selection I3(Ar+He)surfacing，substrate 1.7335(1Cr-0.5Mo)，SA-387Gr11CL2，surfacing layer chemical composition and comprehensive mechanical performance can meet the EN specification requirements，intergranular corrosion resistant ability can meet the equipment technical requirements；weld forms well，less spatter，good performance，and can effectively reduce welding distortion，and improve the welding efficiency.Has been applied to the manufacture of large-area welding pieces of pipe screens inside the gasifier，solved large-area nickel-based overlaying technical problems of the gasifier pipe screens，shells and nozzles.

ERNiCrMo-3 solid wire；overlaying；gasifier

TG455

A

1001－2303（2016）03－0027-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.06

2016-01-06；

2016-01-20

张杰（1965—），男，四川富顺人，学士，高级工程师，主要从事电站锅炉及压力容器焊接工艺的研究工作。