寬帶埋弧和電渣堆焊研究

李鵬飛，王建濤

(西安核設備有限公司，陜西 西安 710021)

寬帶埋弧和電渣堆焊研究

李鵬飛，王建濤

(西安核設備有限公司，陜西 西安 710021)

為了能夠在生產中提高耐蝕堆焊的效率和堆焊質量，采用國產焊帶和焊劑，使用瑞典ESAB焊接設備進行堆焊試驗。分別測定了電渣和埋弧堆焊的晶間腐蝕、側彎、金相和硬度。寬帶電渣和埋弧堆焊技術可以獲得與304L性能相似的堆焊金屬；帶極埋弧堆焊時可以采用磁控裝置來提高焊道質量。

電渣堆焊；埋弧堆焊；磁控裝置

0 前言

核電站的厚壁壓力容器、穩壓器、安注箱等設備內壁均需大面積堆焊耐高溫、抗氧化和硫化氫等腐蝕的不銹鋼襯里。自20世紀80年代在國內開始大量采用帶極堆焊不銹鋼技術以來，焊帶寬度從35 mm窄帶向60 mm、75 mm寬帶方向發展。但是，對于90 mm寬帶的帶極堆焊應用較少。西安核設備有限公司(簡稱西核公司)根據目前核電站設備的特點，決定進行90 mm帶寬的帶極堆焊試驗。采取埋弧堆焊和電渣堆焊兩種方法進行試驗，希望通過試驗使該方法得到推廣。

1 堆焊用材料

1.1 堆焊試板

選用焊接性能優良的16MnR作為堆焊試板，試板厚度60mm，試板的化學成分和力學性能如表1所示。

表116 MnR化學成分和力學性能

1.2 焊帶／焊劑

堆焊是一種粘附于母材表面的用于滿足材料所需性能的工藝措施，堆焊材料具有較好的抗腐蝕、耐磨等性能。用于帶極堆焊的焊接方法有兩種：帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊。這兩種焊接方法使用同樣的焊帶，不同的是它們的焊劑有很大的差別。

采用國產焊帶EQ309L(過渡層)和EQ308L(耐蝕層)，焊帶規格90 mm×0.5 mm。

電渣焊劑的要求是在液態熔渣時具有良好的導電性能。焊劑中包含有大量的氟化物和堿性氧化物來增加熔渣的導電率，焊劑具有優良的脫渣性和焊接性能。綜合以上因素，選用北京安泰科技股份有限公司生產的SHD202電渣焊焊劑，該焊劑焊接性能良好。

埋弧焊焊劑有熔煉和燒結型兩種。埋弧焊焊劑的要求有：穩弧性能和脫渣性能良好；對焊縫金屬的增碳傾向小，熔深及稀釋率低；焊道成形好，合金元素燒損少等。選用耗能少、易制造的節能型燒結焊劑SMJ34，同樣為北京安泰科技股份有限公司生產，焊帶和焊劑的化學成分分別如表2、表3所示。

表2 焊帶化學成分(復驗值) %

表3 焊劑化學成分(標準值) %

2 堆焊用設備

堆焊試驗采用瑞典ESAB焊接設備，電源是兩臺2 500 A平特性電源(型號)，帶極堆焊機頭如圖1所示，磁控箱如圖2所示。

圖1 帶極堆焊機頭

3 試驗過程

3.1 焊前準備

試板待堆焊面焊前打磨露出金屬光澤，然后按照JB／T4730.4-2005進行磁粉檢查。焊劑焊前進行300℃×2 h烘干。

圖2 伯樂蒂森的磁控箱

3.2 堆焊

采用如表4所示的埋弧和電渣帶極堆焊工藝參數時，表面成形和焊接過程都較為理想。電渣堆焊的表面質量如圖3所示，埋弧堆焊的表面質量如圖4所示。

表4 埋弧和電渣帶極堆焊工藝參數

圖3 電渣堆焊的表面質量

圖4 埋弧堆焊的表面質量

由表4可知，埋弧堆焊時磁控裝置也加有勵磁電流，磁控裝置的作用就是利用附加磁場來抵消焊接電流磁場產生的有害磁場。在實驗過程中，帶極埋弧堆焊的磁控裝置分為不加勵磁電流和加勵磁電流兩種情況。對比后發現，當不加勵磁電流時，咬邊嚴重，焊縫中間凸起，表面很不平整，焊道的寬度也只有約80 mm；當磁控裝置加1 A的勵磁電流時，產生的附加磁場可有效改善焊道寬度，達到90 mm以上，咬邊消除。

焊接電流自身產生的磁場是造成堆焊寬度變窄、中間凸起現象的原因。如圖5所示，帶極堆焊時帶極電流的分布可被看作是同一平面上無數電流同向平行導線的導電，因而每一個帶電流導線都會被其他相近帶電流導線施以作用力。

式中 a為兩導體的軸線間距離；l為導體的兩相鄰支持點距離；μ0為磁導率。

圖5 無磁場時帶極堆焊狀態及電流分布

由式(1)可知，兩相鄰導線電流同向流動時兩導線有相互吸引力F，作用力的大小與導線距離及電流大小相關。在帶極寬度方向上，電流間的這種相互吸引力必然使電流向中央區域聚集，使帶極電流產生了收縮現象。

磁場對電流(移動電荷)產生作用力是磁控裝置通入電流后堆焊寬度變窄、中間凸起現象消失的原因。當帶極堆焊時配置了磁控裝置，則帶極處于外加可控磁場中，帶極電流受外加磁場的影響，從而使帶極電流的分布發生改變，如圖6、圖7所示，磁場將收縮聚中的電流向帶極寬度方向上拉開，當磁場的位置和強度適當時，電流在帶極寬度方向上的分布趨于均勻，進而改善了帶極堆焊焊接過程的穩定性。

同樣從表4可以看出，90 mm帶寬帶極埋弧堆焊時，焊接電流增大，磁控裝置的勵磁電流也隨之增大。這是因為帶極電流增加時，焊帶中間的電流密度增加更多，電流間的相互吸引力更大，要使帶極電流的分布發生改變，就需要更大的勵磁電流產生更強的磁場來改變電流的分布，改善帶極堆焊焊接過程的穩定性。

以前西安核設備有限公司只對小于75 mm帶寬的帶極電渣堆焊加有磁控裝置來改善焊接質量，國內在帶極埋弧堆焊的應用方面也從未發現采用附加磁場來改善焊接成形的先例。本公司在帶寬90 mm堆焊中利用附加磁場獲得了良好的焊接質量。

同樣從表4還可看出，帶寬90 mm的埋弧堆焊電流小于電渣堆焊電流，而電渣堆焊的電壓卻小于埋弧堆焊電壓，這與帶寬小于90 mm的情況是一致的。原因是焊接原理和焊劑的性能存在差異所致。

圖6 外加磁控時帶極在磁場中的狀態

圖7 帶極電流分布狀態

3 焊后檢查

試板焊接完成后，對堆焊層表面進行100%著色檢查，對熔合面進行100%超聲波檢查。檢查結果分別滿足JB4730.5-2005和JB4730.3-2005的要求。

4 試板焊后熱處理

對上述兩種方法的試板分別截取一半進行消應力熱處理。熱處理工藝如表5所示。

表5 消應力熱處理工藝

5 性能檢測[1]

5.1 化學成分

堆焊層化學成分如表6所示。

表6 堆焊層化學成分(測定值) %

比較表6和表2可知，硅和錳的含量差異較大。埋弧堆焊時埋弧焊焊劑向熔敷金屬中過渡的硅元素較多，所以熔敷金屬中埋弧堆焊比電渣堆焊的硅含量高，w(Si)提高可顯著提高鋼在硫酸中的耐蝕性[2]。

埋弧堆焊是靠焊帶與工件之間的電弧產生的電弧熱來熔化金屬和焊劑，從而形成焊道；而電渣焊是將焊帶直接插入熔融的渣池，靠電流流過熔融渣池所產生的電阻熱加熱來熔化焊帶進行堆焊。這兩種堆焊方法由于原理不一樣，所以對錳燒損程度也不一樣，可以看出埋弧堆焊比電渣堆焊的燒損大。雖然在不銹鋼中錳含量的變化對其組織沒有影響，但隨著錳含量的增加，也提高了強度。

5.2 鐵素體含量

根據表4的化學成分對其鐵素體含量按照WRC圖進行計算，電渣堆焊的鐵素體含量為3.5%，埋弧堆焊的鐵素體含量為6.0%。

5.3 其他性能

將兩種焊接方法按熱處理和不熱處理兩種情況分別進行晶間腐蝕、側彎、金相和硬度測定，測定結果如表7所示。

表7 晶間腐蝕、側彎、金相和硬度值

6 結論

(1)采用帶寬90mm的EQ309L(過渡層)、EQ308L (耐蝕層)焊帶與SHD202和SMJ34焊劑進行帶極電渣和埋弧堆焊，可以獲得與304L性能相似的復合層。

(2)帶極埋弧堆焊時利用磁控裝置能夠提高堆焊焊道質量。

(3)通過本試驗，得到了90 mm寬帶堆焊的工藝參數，為其應用推廣奠定了基礎。

[1]高宗仁.不銹鋼常用術語簡解(中英對照)[M].太原：山西科學技術出版社，2008.

[2]JB4708-2000.鋼制壓力容器焊接工藝評定[S].

Reserch on electro-slag cladding and submerged arc welding of wide-strip

LI Peng-fei，WANG Jian-tao
(Xi'an Nuclear Equipment Ltd.，Xi’an 710021，China)

To improve the efficiency and quality of corrosion-resistant overlaying welding in production，the experiment on resurfacing welding was carried out using domestic strip and flux，applying welding equipment of ESAB.Intercrystalline corrosion，lateral bending，metallic phase and hardness of electro-slag strip cladding welding(ESW)and submerged arc cladding welding(SAW)were measured respectively.The technologies of ESW and SAW of broad band can acquire a deposited metal，whose property is similar to 304L stainless steel.The quality of weld pass can be improved by electric magnetic control for SAW.

EAS；SAW；electormagnet-contol unit

TG455

A

1001-2303(2010)02-0038-04

2009-10-19；

2010-01-10

李鵬飛(1978—)，男，陜西扶風人，主要從事壓力容器的制造工作。