气化炉Inconel625耐蚀堆焊工艺评定及应用

杨宝峰,荆志龙,魏凌霄,齐 庆,逯 瑶

(太重(天津)滨海重型机械有限公司,天津 300452)

1 引言

气化炉在炉体下部沿周向装置了一组喷嘴，将混合氧气/水蒸气高压喷入炉内，形成炉内局部高温燃烧区，气化炉较高的反应区和熔融的煤渣要求气化炉具有很强的耐高温性和耐腐蚀性。镍基合金是一种能够在600 ℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的合金材料，其具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。气化炉内夹套(材质Q245R，厚度34 mm)下部采用堆焊镍基合金Inconel625，堆焊厚度3 mm，以满足气化炉内部高温、腐蚀性的反应环境。

本文主要介绍带极电渣堆焊的优点、带极电渣堆焊Inconel625焊接工艺评定试验及该工艺在气化炉上的应用。

2 产品技术要求

气化炉内夹套直径Ф4000 mm，材质为Q245R，厚度为34 mm，要求在Q245R基层上堆焊镍基合金Inconel625，堆焊厚度至少3 mm，并满足以下要求。

(1)堆焊层厚度应均匀，最厚与最薄之差不大于1 mm。

(2)基层材料的待堆焊表面应按 NB/T47013.4-2015 进行 100%磁粉检测，Ⅰ级合格。

(3)堆焊后按 NB/T47013.5-2011 对堆焊层进行 100%渗透检测，Ⅰ级合格，堆焊层不得有夹渣、咬边、裂纹、未熔合等缺陷。焊后设备应进行炉内整体消除应力热处理。

(4)堆焊前按照NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行耐蚀堆焊焊接工艺评定。

3 带极埋弧堆焊与带极电渣堆焊比较

压力容器内部大面积耐蚀堆焊，工程上常使用带极埋弧堆焊或带极电渣堆焊。埋弧堆焊法和电渣堆焊法其本质差别在于：埋弧堆焊时，由电弧热将焊带、焊剂及局部母材熔化，随后冷却形成堆焊焊道及渣壳；电渣堆焊时，这一热量则来自电流通过熔渣渣池所产生的电阻热。在电渣堆焊的开始阶段，靠电弧熔化焊剂，由于熔渣的电阻低于电弧，所以电弧消失，形成电渣过程。埋弧堆焊过程中焊带前后都需添加焊剂，熔化和凝固过程全都在焊剂下进行，否则如果焊渣不能完全覆盖焊缝金属，则会出现飞溅及气孔等焊接缺陷。电渣堆焊焊带直接插入渣池中，只需在焊带前面添加焊剂，渣池上方不能添加焊剂，让熔融渣池暴露于空气中，否则焊接不稳且易产生压坑。

两种堆焊方法对比，电渣堆焊较埋弧堆焊具有以下特点。

(1)电渣堆焊熔敷效率高，在中等电流下，比埋弧堆焊高50%。

(2)电渣堆焊熔深浅且均匀，稀释率低，生产上可控制到10%，从第一层起就能获得超低碳的耐蚀堆焊层。

(3)通过附加磁场，控制焊缝成形，焊道形状规则，不易有夹渣等缺陷，搭架熔合平滑，表面质量优良，表面不平度小于1 mm。

(4)电渣堆焊金属中杂质元素(氧、硫、磷等)含量低，非金属夹杂物明显减少，力学性能优良。

(5)电渣堆焊由于接头熔合区的碳扩散层窄，马氏体带宽度小，接头熔合区性能优于埋弧堆焊。

综上，气化炉内夹套镍基合金Inconel625耐蚀堆焊优先采用带极电渣堆焊。

4 Inconel625带极电渣堆焊工艺评定试验

4.1 Inconel625焊接特点

镍及镍基合金的导热性差，焊接时容易过热引起晶粒长大，焊接时应尽量采用小的热输入量。镍非常容易被硫和铅脆化，形成热裂纹，所以控制焊材中的硫、铅含量，焊前应打磨清理待堆焊表面的油污、锈蚀、油漆、灰尘等杂物。

4.2 焊接材料和带极电渣堆焊影响因素及要点

带极电渣堆焊焊带选用哈焊所H625(0.5 mm×60 mm)，配套焊剂选用电渣型烧结焊剂SJ82B。焊带H625的化学成分见表1。

表1 焊带金属化学成分 %

影响带极电渣堆焊质量的工艺参数有焊接电压、电流和焊接速度，其次还有干伸长、焊剂层厚度、焊道间搭接量等。焊道成形与堆焊过程的稳定性及磁场控制技术等有关。要获得平整的焊道、较小的稀释率、较高的堆焊效率，主要取决于堆焊规范参数及匹配。

4.2.1 堆焊电压

带极电渣堆焊过程对电压比较敏感，焊接电压低，引弧困难，不利于渣池的建立。焊接电压太高，也不利于电渣过程的稳定，随着电压的升高，到了一定程度，电渣过程几乎全部变成了电弧过程。电渣焊不易采用高电压，在保证焊接稳定性的前提下要尽量采用低电压焊接。

4.2.2 堆焊电流

带极电渣堆焊时，焊接电流对电渣过程的建立、母材熔深及焊道成形均有较大影响。电流过小，不利于引弧造渣；电流太大，虽然能够很好地保证电渣过程的稳定，但随着热输入量的增加，使熔深增加，稀释率变大，进而影响焊道的化学成分，同时为防止咬边就需要增加磁控。

4.2.3 焊接速度

带极电渣堆焊时，焊接速度对电渣堆焊的影响非常大。 在电流、电压规范一定的情况下，焊接速度太低，生产效率低，并且母材受热作用时间较长，晶粒粗大，熔深增加，焊道较厚，且母材稀释率变大。焊接速度太高，由于新卷入熔池的焊剂不能充分熔化而使熔池温度下降而产生电弧，而且使焊道堆高太薄，影响焊道成形质量。为了能够达到理想的堆焊层，堆焊速度应当和其他规范参数达到最佳匹配。

4.2.4 焊接热输入

堆焊质量的好坏，堆焊稀释率的高低是堆焊电流、电压、焊接速度共同作用的结果，也就是焊接热输入的影响。有研究认为，带极电渣堆焊时，焊接工艺参数的适应范围较宽，热输入量在50～90 kJ/cm时，可获得不同厚度的堆焊层，且堆焊金属的内在质量、力学性能均能合格。

4.2.5 带极伸出长度

带极伸出长度影响到焊带的熔化和堆焊过程的稳定性。随着干伸长的增加，稀释率下降。因焊带随着伸长而电阻增加，消耗在焊带上的电阻增加，电弧区的电压降低，从而降低了稀释率，当干伸长达到55 mm时，焊带出现发红现象，焊带的热量会传递到机头导电嘴，影响导电嘴的使用寿命，同时也影响了焊接稳定性，易发生黏带断弧现象。干伸长太短，导电嘴容易与熔池接触而烧损。

4.3 Inconel625带极电渣堆焊工艺评定

4.3.1 焊前准备

采用试板规格34×200×300，材质Q245R，堆焊前打磨待堆焊表面，清除油污、氧化皮、锈等杂质，打磨表面按照 NB/T47013.4-2015 进行 100%磁粉检测，Ⅰ级合格。焊剂SJ82B提前进行300 ℃烘干2 h。焊接设备采用唐山开元带极堆焊焊接中心DC-1500-KM6080，对其进行调试。

4.3.2 焊接试板

采用直流反接法，焊接电流850～900 A,电压24～28 V，焊接速度18～20 cm/min，焊带杆伸长度30～40 mm，焊道之间搭接8～10 mm，焊接热输入量72 kJ/cm。堆焊起弧时电压应适当放大，刚开始起弧是埋弧堆焊阶段，但起弧后电弧消失转为电渣堆焊阶段，这时电压应适当降低，在焊带后方逐渐形成熔融渣池，焊带直接插入渣池中，这时只能在焊带前方铺撒焊剂，后方不再撒焊剂，让熔融的渣池暴露在空气中。堆焊见图1，堆焊厚度在3～4 mm。

图1 Inconel625带极电渣堆焊工艺评定

4.3.3 无损检测

对堆焊层进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

4.3.4 炉内消应力热处理

升温400 ℃后，升温速度60 ℃/h；加热温度为620±10 ℃，保温300 min；以60 ℃/h降温至400 ℃，出炉空冷。

4.3.5 化学及力学性能试验

从堆焊层上钻取钢屑进行化学成分分析，化学成分结果见表2；切取4件横向侧弯按照GB/T2653进行弯曲试验，弯心直径D=4a，弯曲角度180°，弯曲试样表面没有裂纹及任何开口缺陷，4件试样全部合格。试板取样见图2。

表2 焊缝金属化学成分 %

4.3.6 结论

该Inconel625耐蚀堆焊工艺评定按NB/T47014-2011规定焊接试件、检验试件、测试性能，评定合格。

图2 Inconel625带极电渣堆焊工艺评定取样示意

5 结语

(1)Inconel625耐蚀带极电渣堆焊，选择配套的焊接材料，合理地选择焊接电流、电压、焊接速度、焊带杆伸长量及焊道的搭接量，严格执行焊接工艺，堆焊焊道成型美观，化学成分和力学性能均能满足相关标准和技术要求。图3为气化炉Inconel625耐蚀带极电渣堆焊。

图3 气化炉Inconel625耐蚀带极电渣堆焊

(2)镍基合金Inconel625耐蚀堆焊技术成功应用于内蒙古某煤化工项目气化炉，该气化炉已投产稳定运行至今10年。