镍基复合材料焊条电弧焊打底及填充盖面焊接工艺

■ 刘立永，李静涛，刘建国，唐元生，张之万，路斌，刘永华

氩弧焊打底加手弧焊填充盖面的焊接工艺，经过各专业公司多年的理论指导和实践研发已经能够熟练掌握，合格率高，焊接设备简单，相对于现场的施工条件能够更好的接受和使用。不过对于一些返修无法进行背面充气保护的位置，就增大了氩弧焊焊接工艺的难度和易出现缺陷的几率。对此为了能够更好地适应现场焊接环境的多变性和不可确定性，提出使用焊条电弧焊打底的焊接工艺，并进行试验。

1.镍基材料分析

镍基材料具有良好的高温和低温强度以及优良的耐腐蚀性能，多用于管道设备、石油化学设备、热力锅炉设备、电力行业等高温高压、腐蚀强度较大且需在持续高温或低温下运行的运输管道及设备中。但由于镍基合金导热性差、线膨胀系数大、冷却速度较快、熔合性能不好、铁液流动性差，所以焊接过程中保护不当会产生熔池氧化等缺陷。

由于复层与基层的材料不同，会因材料的导热性和热膨胀系数不同而出现材料稀释等现象，这些不利因素更增加了焊接难度，所以应当制定严谨的焊接操作工艺，并严格按照工艺进行焊接。镍基材料的化学成分如表1所示，常温下力学性能如表2所示。

2.焊接材料的选择

根据标准规范SH/T3523/SH/T3527进行焊接材料筛选，确定ENiCrMo-3为焊接填充材料。

根据选定的填充材料采购了三个厂家的焊条，分别为smc、山特维克、林肯，并对三种焊条的操作性能和焊缝成形做比较。经试验对比，smc厂家焊条焊接过程中电弧稳定，脱渣性能好，产生飞溅少，焊条过热受损量小，能够满足焊接需要。

表1 镍基复合材料化学成分（质量分数） （%）

表2 镍基复合材料常温下力学性能

3.电源极性的筛选和对比

（1）直流正接打底 直流正接断弧焊接时，电弧偏吹现象严重，根部出现单边未熔合现象，焊缝正面出现较严重坠瘤，因此不能满足质量要求（见图1）。

图1 直流正接打底正面成形

（2）直流反接 直流反接断弧焊接时，焊接电弧偏吹较大，焊条端部熔化速度较快，熔池不能送到焊缝背面，熔池温度高，焊条热损失严重，焊条药皮脱落较多，易出现焊条沾粘现象，不能满足焊条电弧焊打底需求（见图2）。

图2 直流反接焊接工艺正面成形

（3）交流焊接电源 交流弧焊接时，焊接偏吹现象较小，熔池形态较清晰，焊条端部药皮脱落不明显，电弧稳定性适中，背面穿透能力较好，焊条热损量相对较小。6点位置采用连弧焊背面成形和操作性较好，其余位置为了减小热输入采用断弧焊方法。虽然正面也出现两侧夹沟现象，不过相较直流电源时清理力度减小。这种方法能够较好的满足焊条电弧焊打底的施焊工艺（见图3）。

图3 交流电源焊接正面成形

4.焊前准备及坡口组对

材料组对前对坡口内外两侧20mm范围内的油污锈迹等脏物用专用磨光片打磨干净。组对前认真检查坡口的角度、钝边、壁厚、焊接材料是否与焊接工艺规程一致。采用加固板方式点固，以减少打底层的焊接接头，点固点应在基层侧。对于需要采用硬性矫正的试件，矫正工具和矫正点固点应在基层侧，焊前完成后打磨光滑。

当焊接环境温度低于0℃或潮湿度较大时，应对点固区域进行预热，预热温度不高于15℃。由于镍基材料的收缩性较大，为了打底层能更好的操作，要求组对间隙6点位置2.5mm，12点位置4.0mm，组对钝边1.0～1.5mm为宜。坡口组对形式如图4所示。

5.焊接工艺

图4 坡口组对形式

打底层为了避免熔池在正面焊缝产生坠瘤，坡口两侧熔合良好，焊接过程中焊条向坡口根部用力送进，并在坡口两侧稍许停留，以保证背面的穿透和坡口两侧的熔合性。由于焊条电弧焊时焊条的电阻大、焊条易发红，后半部分焊条的使用性能较差，所以在焊接过程中应留有稍长的焊条头，以5cm为宜，避免出现焊条沾粘、保护不良等焊接缺陷。

打底时要注意焊条的角度，6点位置焊条应稍向后倾斜与试件呈80°夹角向根部送进上顶，以拖住熔池减轻熔池下坠倾向。打底层焊接熄弧再起弧处的接头要打磨光滑，并修磨出能够保证接头穿透的斜面（见图5）。

图5 焊接接头修磨

在完成6点部位的连弧焊操作后，到达5点和7点位置，为了减少熔池过渡坠瘤，改为断弧焊工艺。由于镍基材料熔池流动性差、冷却速度快等特点，因此断弧打底时的频率要快，再起弧的位置要准，通常在上一熔池冷却到二分之一时，进行下一弧的引燃，并在熔池温度最高的地方再起弧（即熔池最亮的地方）。打底时熔池易往焊缝中间聚集、两侧易夹沟，因此焊条要做左右摆动，使熔池能够到达焊缝坡口的两侧，分散熔池中间的温度，确保背面焊缝两侧熔合良好。

断弧焊时要求收弧稳定有力、不拖泥带水，把焊条端部的熔化残余甩掉，以便于下一电弧的再次引燃，减少焊条沾粘现象。由于镍基材料的熔深较浅，盲目的增大焊接参数并不能起到增大熔深的目的，还会使焊条的电阻更大、更易发红，造成药皮脱落严重，会因保护不良产生气孔等缺陷，因此应选用稍小的焊接参数。

完成打底层焊接后，要对焊缝正面进行清根打磨，把焊缝打磨平整便于下一层的焊接，也能更好的保证焊接质量。由于打磨光滑后的打底层较薄，所以在接下来的填充层应采用较小的焊条直径和较小的焊接参数进行填充。

填充层采用直流反接工艺，焊接过程中由于在熄弧处易出现弧坑裂纹，所以在收弧时应使焊条向后回压收弧，或采用断弧2～3次的方式进行熄弧，以增加熄弧处的厚度，减小裂纹的形成几率。由于熔池的流动性较差、凝结速度较快，中间易出现凸起两侧夹沟的现象，所以在焊接过程中，可采用反月牙运条方式，摆动宽度最大不得超过焊条直径的3倍，当单道宽度超过此值时，应进行分道焊接。

由于镍基复合管道属于异种材料的热轧钢，镍材料的熔点温度较碳钢要低、散热能力较碳钢要差、线膨胀系数较碳钢要大等因素，造成焊接过程中镍基材料与碳钢层相熔合时熔敷深度较浅，易出现层间未熔合和侧壁未熔合，所以每层的焊缝厚度以不超过焊条直径的1.0～1.5倍为宜，在坡口两侧边角增加停留时间，以使镍材料能够良好的与碳钢基层相熔合。

进行分道焊接时应根据实际的焊缝宽度选择相应的焊道道数，以分两道为例，第一道应覆盖原始焊缝的2/3位置，第二道应覆盖第一道焊缝的1/2位置，以保证焊缝整体成形平整。如需要分3道或3道以上焊接时，应先焊坡口两侧后焊中间。

焊接过程中并不是增加焊接电流就能够增加焊缝的熔深，由于镍基材料散热较差、电阻较大，增大电流时会使焊接材料通过的热量更大，造成焊接材料的受热损失量加大，因此应增加电弧推力，增加电弧的挺度，来增加熔池的熔敷深度。盖面外观成形如图6所示，焊接操作实际参数如表3所示。

表3 焊接参数

图6 焊缝盖面外观成形

6.焊道表面自检

对焊接完成的焊缝，在试件温度冷却后对焊道的正面及背面进行检查，要求焊缝正面及背面不得出现深度＞0.5mm并不超过30mm的咬边，不得出现未熔合、表面夹渣、气孔、裂纹、凹陷等缺陷。对于有缺陷的部位及时打磨干净，并严格按照焊接工艺指导书的规范进行修补，并重新进行自检。

7.结语

此工艺与氩弧焊打底工艺相比，具有操作设备简单，减少背面充气难度，抗风能力强等优点，适用于不易进行背面充气保护进行返修的位置。但同时对焊工的技能水平也有更高层次的要求，需要焊工手稳、经验丰富、观察能力强，并且对镍基材料的焊接性有足够的掌握、对缺陷的分析透彻。