光伏产业多晶硅设备配套焊材E2133Mn性能研究

白建斌，王士山，李 伟 ，边 境，崔晓东，李佳恒

1.北京金威焊材有限公司，天津 301906

2.国家钢结构工程技术研究中心焊接技术研究院，天津 301906

3.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088

中国力争在2030年前实现“碳达峰”、在2060年前实现“碳中和”，清洁能源的发展成为了重中之重。地球上几乎所有能源均直接或间接来自太阳辐射能量，太阳能取之不尽，用之不竭，被认为是替代传统化石能源的理想方案。

对于光伏和电子工业来说，多晶硅的生产技术极为重要。多晶硅产业不仅可以带来惊人的经济效益，同时对我国未来太阳能光伏发电产业以及电子工业的可持续发展有着极其重要的意义［1］。光伏产业和电子工业的发展突飞猛进，全球范围内多晶硅需求暴涨、供不应求，国内市场也不例外，多晶硅的价格在国内市场屡屡攀升，多晶硅的生产供应不足也制约了我国太阳能发电产业和电子工业的发展［2］。鉴于此，我国加快了多晶硅产业布局，金威焊材也对多晶硅设备用焊材进行了一系列研究。

多晶硅生产过程的冷氢化反应器、换热器、流化床等主要设备的母材多为N08810（Incoloy 800H）钢。匹配焊材国内主要使用高温性能较强的镍基合金焊材，但镍基焊材与N08810钢在成分上为过匹配。国外多用经济性更好、更为适宜的E2133Mn焊材，其成分与N08810钢更为接近，性能完全满足N08810钢的焊接应用需求，其熔敷金属热膨胀系数与N08810钢合金几乎相当，匹配性更佳。

1.1 N08810钢物理性能

N08810钢属镍合金Ni-Cr-Fe系合金，具有典型的耐腐蚀及抗高温氧化性能［3］。该合金屈强比较高，塑性变形储备能力大，加工硬化率低，且低于普通不锈钢。N08810化学成分具有高铬镍元素含量，如表1所示，合金中的铬元素促进金属表面形成保护性氧化，同时镍元素增强了保护性［4］。N08810钢的力学性能如表2所示。

表1 N08810钢化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical compositions of N08810 steel（wt.%）

表2 N08810钢力学性能Table 2 Mechanical properties of N08810 steel

1.2 N08810钢焊材选择

N08810钢线膨胀系数较大（介于奥氏体不锈钢与普通碳钢之间）、热导率较小［20℃时为10.9 W/（m·K）］，焊接时焊缝中的一些杂质元素和低熔点物质容易在晶界偏析和集聚，并在熔池凝固过程中与镍形成低熔点共晶体［5］，使N08810钢具有较高的焊接热裂纹敏感性，并因其耐蚀性及耐高温性能要求，国内多采用高温性能较强的镍基合金焊材。

N08810钢焊材选用有ENiCrFe-3、ENiCrMo-3、ENiCrCoMo-1等，但都与N08810母材成分上为过匹配，存在性能上匹配不佳的问题。ENiCrFe-3适用低于650℃的工作温度，在高于650℃工况下，其熔敷金属强度及抗氧化性会急剧下降；
ENiCrMo-3在980℃以内具有良好的蠕变强度和疲劳性能，但在593～760℃长期工作时会产生一定的热脆化倾向；
ENiCrCoMo-1具有比ENiCrMo-3更高的蠕变强度，也不存在热脆化倾向，但焊后热处理后高应力区域的焊缝会出现偶发性再热裂纹。

本文研制的E2133Mn焊条是金威焊材针对N08810钢开发的配套焊材，国外有成熟产品，国内暂无此类产品。E2133Mn焊材的化学成分相对上述焊材与N08810母材更匹配，其熔敷金属热膨胀系数与N08810合金几乎相当，匹配性更佳，故焊接热裂纹倾向降低，更利于设备安全。并且E2133Mn价格相较于其他匹配镍基合金焊条更具优势，可有效降低设备制造成本，相对于镍基焊材，费用可节省20%以上。

2.1 研制难点及解决方案

N08810钢多用于高温高压环境，对焊接工艺性能及接头质量要求较高，在高温高压的严苛环境下，任何缺陷都将导致灾难性后果。尤其是焊接裂纹及气孔等焊接缺陷，不仅直接减少了接头的有效承载面积，且在裂纹尖端还形成了强烈的应力集中，使裂纹尖端的局部应力大大高于焊接接头的平均应力［6］，导致工件失效，产生严重后果。所以对E2133Mn焊条性能要求较高。

2.1.1 抗裂性

N08810镍基高温合金具有较高的焊接热裂纹敏感性，施焊过程中焊缝表面易产生局部微裂纹［7］。E2133Mn焊条与母材成分相近，需严格注意其焊接热裂纹的产生。从化学成分和组织上分析，该焊材Ni元素含量较多，系单相奥氏体组织，对杂质元素的溶解度有限。Ni与S、P、N、O都可形成低熔点共晶，而Si易形成低熔点共晶夹层，焊缝金属凝固时常形成粗大的柱状晶，低熔点杂质更易偏析于晶界，在应力作用下极易开裂。

为防止热裂纹产生，需严格控制熔敷金属中S、P、O、Si含量，并提高Mn含量。一方面Mn优先与S结合形成高熔点的MnS，增加固液相表面能，抑制S形成低熔点的共晶液膜的倾向，使得奥氏体-硫化物共晶温度提高［8］；
另一方面，Mn优先与O结合，抑制低熔点的硅酸盐形成，降低结晶裂纹倾向。

目前国内药粉原料品质普遍不高，为减少药粉中有害元素增量，采用单独定制的合金芯，通过焊芯过渡主要合金元素、药皮合金少量调整的方式进行合金元素过渡，其成分过渡稳定，有效保证了焊材的耐蚀性及抗裂性，保证焊材质量的稳定性。

2.1.2 焊接接头高温强度

E2133Mn焊材成分与母材相近，镍基合金在同质焊材焊接的情况下，焊接接头在一般状态下难以达到与母材等强度的要求。Ni-Cr-Fe系合金焊材的焊接接头在高温下的持久强度会进一步降低。

提高高温强度的具体措施有：控制杂质含量净化晶界，提高晶界强度，在成分设计上调整C、Nb等强化元素含量，析出弥散碳化物等高稳定性组织，提高接头的热强性。

2.1.3 耐蚀性

由于N08810母材应用环境较为严苛，焊缝金属为耐蚀性薄弱区，并且焊缝金属含C量较高，Ni-Cr-Fe系合金极易发生Cr的碳化物沉淀，引起晶界贫铬现象，导致在腐蚀介质中晶间腐蚀和应力腐蚀倾向增大。在净化焊缝的同时适当提高Nb元素含量，使之优先与C结合，以提高抗晶间腐蚀的能力。

2.1.4 其他工艺性能

熔敷金属中加入C、Mn、Nb等会恶化焊接工艺性能，导致焊道成形较差、脱渣困难等问题。并且CO2和H2等在液相中溶解度较大，熔敷金属凝固时溶解度急剧减小，镍合金焊条铁水流动性较差，使得熔敷金属在快速冷却过程中熔池中的气体逸出困难，进而形成气孔［9］。针对此问题，E2133Mn焊条选用碱性药皮体系以提高焊缝纯净度和抗裂性，并对其氧化还原性进行优化，在充分脱氧保性能的基础上，提高焊接工艺性能，保证其充分抗气孔能力。

2.2 E2133Mn性能设计

E2133Mn焊条应具有良好的抗热裂性及抗气孔性等工艺性能，避免焊接缺陷形成。综合考虑母材成分、性能并结合焊缝后续使用工况等因素，参考国外同类产品，对E2133Mn化学成分、熔敷金属试验项目及性能指标进行初步设计。其化学成分、力学性能要求和腐蚀试验标准如表3～表5所示。

表3 熔敷金属化学成分（质量分数，%）Table 3 Chemical composition of all-weld metal（wt.%）

表4 熔敷金属力学性能Table 4 Mechanical properties of all-weld metal

表5 晶间腐蚀试验（ASTM G28-A）Table 5 Intergranular corrosion test（ASTM G28-A）

3.1 焊材工艺性能

对研制的E2133Mn焊条进行脱渣、抗气孔、T型接头焊接抗裂纹等试验，分别如图1～图4所示。试验表明，该焊材平焊时性能优异，其深坡口内易脱渣，抗气孔、抗裂性能均良好。

图1 平焊Fig.1 Flat welding

图2 坡口内焊接Fig.2 V-groove welding

图3 坡口内抗气孔试验Fig.3 Welding porosity test of V-groove

图4 T型接头焊接裂纹试验Fig.4 Welding crack test of T-type welded joint

3.2 熔敷金属性能

试验用母材为Q235钢板，试件以平焊位置施焊，熔敷金属化学成分堆焊试件尺寸为70 mm×40 mm，堆焊8层，采用铣床去除表面氧化物后进行取样分析；
熔敷金属力学试板为两块Q235钢板，开V型坡口（坡口形式见图5，试件尺寸见表6），并在坡口表面及垫板堆焊两层隔离层，坡口内采用不摆动或小摆动焊接，共填充11层。焊接工艺参数如表7所示。

图5 V型坡口形式Fig.5 Single-V groove type

表6 试件尺寸Table 6 Size of test piece

表7 焊接工艺参数Table 7 Welding parameters

E2133Mn焊条熔敷金属化学成分、焊态及稳定化态（900℃×4.5 h）的室温拉伸、600℃高温拉伸和ASTM G28-A法晶间腐蚀试验分别如表8～表11所示，试验证明熔敷金属各项性能达到设计要求，并具有优异的高温及耐腐蚀性能。

表8 熔敷金属化学成分（质量分数，%）Table 8 Chemical composition of all-weld metal（wt.%）

表9 熔敷金属室温力学性能Table 9 Room temperature mechanical properties of all-weld metal

表10 熔敷金属高温力学性能Table 10 High temperature mechanical properties of all-weld metal

表11 晶间腐蚀试验（ASTM G28-A）Table 11 Intergranular corrosion test（ASTM G28-A）

为进一步研究E2133Mn焊条与N08810钢的匹配性，进行了对接焊接接头性能试验和分析，为焊材的后续实际应用提供了有效的数据支持。

4.1 母材及试验参数

试验采用φ4.0 mm E2133Mn焊条，母材为尺寸300 mm×150 mm×70 mm的UNS N08810钢，采用对称X型坡口，单边坡口角度30°（见图6）。焊接工艺参数如表7所示，以先焊接面为正面，打底层采用小参数焊接（焊接电流130 A；
电压17～20 V），背面砂轮清根。试件正面共填充14层，背面共填充15层，采用不摆动或小摆动焊接。

图6 X型坡口形式Fig.6 Double V groove type

4.2 无损检测

试板焊接完成后按照标准NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》进行100%RT-Ⅰ级检测，检测结果合格，无缺陷。

4.3 弯曲试验

弯曲试验及取样方法依照标准GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》和NB/T 47016—2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》。面弯试样取样靠近母材表面，试验结果如表12所示。弯曲试件表面情况如图7所示，焊缝及热影响区无可见裂纹，表明焊接接头具有良好韧性。

图7 弯曲试件表面情况Fig.7 Surface condition of bending test piece

表12 弯曲试验结果Table 12 Bending test results

4.4 硬度试验

对焊态及稳定化态试样的焊缝、热影响区、母材进行维氏硬度HV10试验，结果如表13所示，焊缝平均硬度最高，然后依次是热影响区、母材，并且稳定化处理后焊接接头整体硬度得到提升。

表13 焊接接头硬度（HV10）Table 13 Hardness of welded joint（HV10）

4.5 拉伸试验

室温及高温拉伸采用板拉伸试样，试验及取样方法依照标准GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》和NB/T 47016—2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》。拉伸试样取贴近母材上表面、下表面及X坡口中间层三层试样（完成焊接面为上表面），具体位置如图8所示。

图8 拉伸取样位置示意Fig.8 Schematic diagram of tensile specimen position

室温拉伸试验结果如表14所示，E2133Mn接头拉伸试验断裂位置为母材，X型坡口上、中、下三层强度数据无明显区别，而经稳定化处理后，强度有明显提升。由于上、中、下三层拉伸试验无明显区别，600℃高温拉伸只进行了上层试样的试验，试验结果如表15所示。接头焊态及稳定化态的强度有明显降低，但断裂位置仍为母材。室温及600℃高温拉伸试件分别如图9、图10所示。可以得出结论：焊缝及热影响区室温、高温强度全面优于母材，完全满足N08810镍基合金焊接要求。

图9 室温拉伸部分试件Fig.9 Room temperature tensile test piece

图10 高温拉伸试件（600℃）Fig.10 High temperature tensile test piece（600 ℃）

表14 室温拉伸试验数据Table 14 Room temperature tensile test data

表15 高温拉伸试验数据（600℃）Table 15 High temperature tensile test data（600℃）

4.6 微观分析

图11为熔敷金属（WM）和母材（BM）的衍射图谱，只有面心立方面的衍射峰，没有体心立方面的衍射峰，并结合母材及熔金化学成分，可以确定母材及焊缝均为单一的奥氏体（γ）组织。

图11 母材及焊缝金属的XRDFig.11 XRD pattern of base metal and weld metal

图12、图13为焊缝微观组织照片，可以看出，E2133Mn焊条接头成形良好，熔敷金属与母材熔合良好，无微观缺陷。N08810合金在焊接时热裂纹敏感性较高，焊缝金属为方向性较强的奥氏体柱状晶，利于杂质的偏析及缺陷的聚集，且奥氏体的导热率小、线膨胀系数大，冷却时收缩应力大，所以容易出现热裂纹。热影响区的晶粒较为粗大，大小不均匀。晶粒粗大主要是晶粒在焊接过程中受热长大所致，焊接为极不均匀的过程导致其长大尺寸的差别。

图12 焊态金相组织Fig.12 Metallographic structure of as-welded

图13 稳定化态金相组织Fig.13 Metallographic structure afterstabilization heat treatment

由拉伸试验结果可知，拉伸断裂位置为母材区，其原因是焊缝金属中C、Nb元素含量较高，且Nb为强碳化物，Nb与C形成NbC，从焊缝中析出，形成沉淀硬化相提高了焊缝强度。

稳定化处理是将Cr的碳化物充分溶解到奥氏体中，并进一步形成稳定的NbC，避免Cr的碳化物析出，以提高耐晶间腐蚀性。稳定化热处理后，焊接接头晶粒得到细化，Nb的碳化物颗粒进一步析出。稳定化处理对奥氏体基体组织有着明显的强化作用，使得焊接接头的室温拉伸强度和硬度均得到提升。

（1）E2133Mn焊条抗裂性、抗气孔性及深坡口脱渣性能优异，具有良好的工艺性能，可满足实际焊接工艺要求。

（2）E2133Mn焊条熔敷金属、力学性能及耐蚀性能均符合设计要求，焊态、稳定化态的熔敷金属强度和延伸率均超过ASME标准关于N08810合金规定值。

（3）焊接接头通过了X射线探伤、弯曲、拉伸等一系列试验，证明E2133Mn焊条与N08810钢匹配性良好，可形成性能优异的焊接接头，能够满足多晶硅设备实际焊接及使用的需求。

（4）经过系列试验证明，E2133Mn焊条具有良好的力学性能。但由于完成时日尚短，还未进行实际设备生产，实际工况下焊接位置、母材厚度的改变对其性能的影响，还有待进一步研究。