先进的带极堆焊技术

摘要：产生背景石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。70年代，在该领域内，国内外大量采用了带极埋弧堆焊（SAW）技术。

1．宽带极电渣堆焊技术

（1）产生背景石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。70年代，在该领域内，国内外大量采用了带极埋弧堆焊（SAW）技术。带极的宽度也从窄带向60mm、90mom、120mm、150mm的宽带方向发展。该技术在稀释率和熔敷速度上比丝极埋弧焊有了长足的进步，但随着压力容器日趋大型化、高参数化，促使堆焊技术向更优质更高效的方向发展。70年代初，德国首先发明，后被日、美、前苏联等国进一步完善的带极电渣堆焊技术由于它具有比带极埋弧难焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的焊缝成形等优点，近年来在国内外得到迅速发展和较普遍的应用。

（2）技术内容和技术关键带极电渣夫焊是利用导电熔渣的电阻热熔化堆焊材料和母材的，除引现阶段外，整个堆焊过程应设有电弧产生。为了获得稳定的电渣堆焊过程，有以下几个技术关键：

1）焊接电源。在电渣堆焊过程中，渣池的稳定性对堆焊质量影响极大，而电压的波动又是影响渣池稳定性的最关键因素，故希望堆焊过程电压波动最小，因此要求选用恒压特性的直流电源。此外，电源应具有低电压，大电流输出、控制精度高、较强的补偿网路电压波动的能力和可靠的保护性能。电源的额定电流视所用带宽而异，一般对60mm×0.5mm带极，额定电流为1500A，90mm×0.5mm为2000A，120mm×0.5mm为25O0A。

2）焊剂。获得稳定电渣过程的另一个必要条件是焊剂必须具有良好的导电性。一般电渣堆焊焊剂的电导率需达2～3Ω-1cm-1，为普通埋弧焊焊剂的4～5倍。目前国内外采用的电渣焊剂多为烧结型。焊剂电导率的大小，取决于焊剂组分中氯化物（NaF、CaF2、Na3AIF6等）的多少，当氯化物（质量分数）少于40％，堆焊过程为电弧过程，在40％～50％范围大致是电弧、电渣联合过程；当氯化物大于50％后，可形成全电渣过程。CaF2既是良好的导电材料又是主要的造渣剂，因此CaF2通常是电渣堆焊焊剂的主要成分。

除了导电性外，焊剂还需有良好的堆焊工艺性（脱渣、成形、润湿性）及良好的冶金特性（合金元素烧损小，不利元素增量少），适宜的粒度（一般比埋弧焊焊剂粒度细）。目前满足上述要求，已用于生产的焊剂种类很多，如有国外的FJ-1（日本）、EST122（德国）、Sandvik37S（美国）；国产的SJ15、SHD202等等。

3）磁控装置。对于宽带极（带极宽度大于60mm）电渣堆焊，由于磁收缩效应，会使堆焊层产生咬边，随着带极宽度增加，堆焊电流增大，咬边现象越重，因此必须采用外加磁场的方法来防止咬边的产生（磁控法）。如图所示。同时必须合理布置磁极位置，选择合理的激磁电流大小，外加磁场太强或太弱均会影响堆焊焊道的成形（图2）。二个磁极的磁控电流应可分别调整。比如对于非预热的平焊位置的工件，当带极为60mm×0.5mm时，磁控装置的南、北极控制电流分别为1.5A和3.5A；对于90mm×0.5mm的带极则分别为3A和3.5A。

4）工艺参数的控制。采用合理的堆焊工艺参数是保证电渣堆焊过程稳定，焊缝质量良好的有效手段。影响带极电渣堆焊质量的工艺参数最主要的有焊接电压、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、焊接位置等。

① 精确控制焊接电压对带极电渣堆焊具有重要意义，当电压太低，有带极粘连母材的倾向。电压太高，电弧现象明显增加，熔池不稳定，飞溅也增大，推荐的焊接电压可在20～30V之间优选。

② 焊接电流对带极电渣堆焊质量影响也较大。焊接电流增加，焊道的熔深、熔宽、堆高均随这增加，而稀释率略有下降，但电流过大，飞溅会增加。不同宽度的带极应选择不同的焊接电流，比如对φ75mm×0.4mm的带极，电流可在1000～1300A之间优选。

③ 随着焊接速度的增加，焊道的熔宽和堆高减小，熔深和稀释率增加，焊速过高，会使电弧发生率增加，为控制一定的稀释率，保证堆焊层性能，焊接速度一般控制在15～17cm／min。

④ 带级电渣堆焊时，母材倾角会影响稀释率和焊道成形，一般推荐采用水平位置或稍带坡度（1º～2º）的上坡焊为宜。

⑤ 其他一些参数的推荐值为：带极伸出长度为25～35mm，焊剂厚度25～35mm，焊道搭接量5～l0mm。

（3）优缺点及应用范围带极电渣堆焊与带极埋弧堆焊比有以下优点：
1）熔敷效率高，在中等电流下，比埋弧焊高50％；
2）熔深浅而均匀，母材稀释率低，一般可控制在10％以下，比埋弧焊小一倍、单层堆焊即可满足性能要求。
3）堆焊层成形良好，不易有夹渣等缺陷，表面质量优良，表面不平度小于0.5mm（埋弧堆焊时大于lmm）故表面无需机械加工，省料省时。
4）带极中合金元素烧损和不利元素增量极少，堆焊层的塑性和韧性高于埋弧难焊。
5）由于接头熔合区的碳扩散层窄，马氏体带宽度小，故接头熔合区性能优于带极埋弧堆焊。

正由于带极电渣堆焊有上述优点，近年来国内外在加氢控制反应器、煤气工程热壁交换炉、核电站设备中压力容器的内表面大面积堆焊中均得到了广泛应用。

由于电渣带圾堆焊自身的一些特点，它也有定的应用范围：
1）由于带极电渣堆焊热输入较高，故一般用于堆焊50～200mm的厚壁工件，推荐适用的工件最小直径和壁厚如表1所示。

2）带极电渣堆焊技术多用于耐蚀堆焊，而高硬度耐磨堆焊领域，由于钢带轧制的困难，尚无法应用。故国内外正加紧进行药芯带极电渣堆焊技术的开发研究。

3）由于带极电渣推焊的焊接速度较低，热输入较大，造成母材和堆焊层之间的边界层晶粒粗大，使难焊层抗氧剥离性能较差。国外一方面在使用的母材、带极、焊剂等方面开展研究，以求得到纯净度更高的堆焊金属来提高抗氢剥离能力方面已有了可喜的成果。

2. 宽带极高速堆焊技术
（l）产生背景如前所述、带极埋弧堆焊和带极电渣堆焊均由于焊接速度低，热输入大，使难焊层抗氢剥离性能不理想，故80年代后期国内外开发了高堆焊速度低热输入的高速带极堆焊技术。

（2）技术内容和技术关键高速带极堆焊是在带极电渣堆焊的基础上，提高焊接速度发展而来的，由于焊接速度的提高，使电弧发生率增加，因此使焊接的导电过程由电渣过程变为电渣和电弧的联合过程。但仍以电渣过程为主。因此在对电源、焊剂等方面的要求与带极电渣堆焊相同。现仅介绍高速带极堆悍的某些特性问题。

1）磁控装置。随着焊速的提高，焊接电流也要相应增加，则磁收缩力就会成平方倍的增加，咬边会更严重，故必须加大磁控电流，但磁控电流过大，励磁绕组发热严重，降低使用寿命。为了在较低磁控电流下，增加磁控效果，应采取相应措施。如有时研究采用带有一定角度可转动的磁极端头和附加磁极极靴等措施，收到了较好的效果。

2）工艺参数的控制。在提高堆焊抗氢剥离性能的前提下，根据产品的全面性能要求，考虑焊道形状，稀释率等因素。针对不同的带极宽度，应试验得出最佳焊接参数，举例如表2。

3）优缺点及应用范围带极高速堆焊与带极电渣堆焊比有如下优点：
1）由于高速堆焊的边界层具看M＋A双相组织，且晶粒细小，故抗氢剥离性较好；堆焊层也因晶粒细小而具有良好的耐腐蚀性。

2）由于高速堆焊对母材的热输入小，故母材变形小，这对于薄板堆焊更有意义。
该技术已用于生产，如南化（集团）公司化工机械厂用高速带极堆焊生产了加氢控制反应器，实现了高速优质堆焊的目的。

该技术的堆焊有效厚度虽比带极埋弧堆焊大，但仍必须堆焊两层，不如带极电渣堆焊，单层即可满足要求。

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