耦合电弧热丝GTAW金属过渡控制及堆焊层耐蚀性研究

摘要

高炉煤气是工业炼铁中重要的二次能源，因其产出量较大并且含有很高的热值，因此将这种可燃性的能源作为可利用能源使用，可是由于刚出炉的高炉煤气含尘量大，必须经过除尘之后才能使用。传统的湿法除尘技术虽然已经成熟，但需要用大量的水冲、产生大量污水、耗能大以及设备占地大等无法解决的重大问题。为解决这一问题，干法除尘技术的出现解决了湿法除尘技术的上述问题，然而干法除尘技术不能脱除高炉煤气中的酸性腐蚀气体，给运输的管道带来了巨大的腐蚀问题，成为干法除尘技术普遍推广应用的主要制约因素。
　　本研究利用堆焊工艺在管道内壁表面堆焊耐腐蚀金属，是解决高炉煤气管道腐蚀的一种有效手段。为了最有效的发挥堆焊层的作用，希望能够采取降低堆焊层稀释率的焊接方法进行施焊。因此，提出了耦合电弧热丝无极惰性气体保护焊（Arcing-wire GTAW）方法，期待解决上述问题。该方法使用两个电源，一个电源的正负电极分别与母材和钨极焊枪相连，形成主电弧即焊接电弧；另一个焊接电源的正负电极分别与熔化极焊枪和钨极焊枪相连，形成侧电弧即预热电弧。在堆焊过程中，该方法能够分离对于母材和焊丝的热输入，因此堆焊层稀释率可以得到很好的控制。利用Inconel625合金焊丝，采用高速摄像技术对Arcing-wire GTAW的熔滴过度行为进行了观察，并对预热效能进行分析；对堆焊后焊缝宏观形貌和显微组织进行研究；计算了不同焊接工艺规范对稀释率以及稀释率对焊缝成分的影响；利用失重法对不同稀释率下堆焊层耐蚀性进行研究。结果表明，Arcing-wire GTAW堆焊时，焊接工艺规范影响金属过渡形式。送丝速度适中时，熔滴过渡平稳；送丝速度较小时，呈大滴过渡；送丝速度较大时，呈无熔滴过渡。增加焊接电流和预热电流，金属过渡形式会向熔滴过渡形式转变。降低侧弧电压，焊丝端头的金属不能够完全熔化，只有一部分金属产生熔滴过渡。增加焊丝伸出长度，熔滴过渡频率有所降低。采用电弧加热焊丝，加热效能要比传统热丝GTAW有所提高；熔滴过渡形式虽然没有无熔滴过渡形式加热效能高，但却保证了分离焊丝和母材热输入的能力。通过Arcing-wire GTAW方法在20G表面采用Inconel625焊丝进行了堆焊工艺试验。接头结合良好，没有产生分离现象，无气孔、夹渣及裂纹等表面宏观缺陷。增加电流，熔深加深，堆宽和堆高也增加；增加电流，熔深变浅，当达到150A时堆焊层金属明显铺展开；增加焊接速度，堆焊层宽度和高度均有所降低。显微硬度具有一定的变化趋势，其中热影响区硬度＞母材硬度＞堆焊层硬度，最高硬度值可达到230HV。堆焊层为柱状树枝晶，无裂纹、气孔等缺陷；堆焊层与基体界面熔合良好，没有产生分离现象；堆焊层中个合金元素分布均匀且随着堆焊稀释率的增加堆焊层中Cr、Ni、Nb、Mo元素含量不断降低，相反，Fe元素的含量不断增加；该焊接工艺可以有效地降低堆焊稀释率并且最低可以控制在7％以下，抑制了元素偏析现象。选择镍基合金标准腐蚀试验条件，50℃的10%FeCl3腐蚀溶液，对稀释率分别为12.9%、10.6%、7.4%的试样及基体20G进行7天的腐蚀试验。稀释率较低的Inconel625堆焊层耐点蚀和抗氯离子腐蚀能力优于高稀释率的堆焊层，降低其腐蚀速率，三组试样的腐蚀速率比值接近于3:1.5:1。因此，利用Arcing-wire GTAW进行焊接能够降低堆焊层稀释率，改善堆焊层成分，从而降低堆焊层腐蚀速率。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 传统堆焊工艺

1.3 热丝GTAW研究现状

1.4 研究目的及意义

1.5 研究主要内容

第2章 实验材料及方法

2.1 基体材料

2.2 填充材料

2.3 Arcing-wire GTAW电弧焊系统

2.4 试验过程

2.5 试验测试方法

第3章 金属过渡控制及电弧行为研究

3.1 金属过渡形式及电弧行为

3.2 不同焊接工艺规范的影响规律

3.3 预热效能研究

3.4小结

第4章 堆焊工艺试验

4.1 焊接规范对焊缝外貌影响分析

4.2 堆焊层显微硬度分析

4.3 金相显微组织分析

4.4 Inconel625堆焊层物相组成分析

4.5 堆焊层成份分析

4.6 焊接规范对稀释率影响

4.7 稀释率对焊缝成份的影响

4.8 Inconel625堆焊层腐蚀性研究

4.9 小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术成果