鎳基、鐵鎳基耐蝕合金的焊接工藝及控制要點

陳文學

(秦皇島市泰德管業(yè)科技有限公司，河北 秦皇島 066004)

焊接工藝

鎳基、鐵鎳基耐蝕合金的焊接工藝及控制要點

陳文學

(秦皇島市泰德管業(yè)科技有限公司，河北 秦皇島 066004)

鎳基、鐵鎳基耐蝕合金常用于高溫、高壓、介質(zhì)有熱腐蝕作用等十分苛刻的工作條件下，對材料使用性能要求很高。其焊接過程中的主要問題是焊縫結(jié)晶裂紋、過熱區(qū)晶粒粗大及焊接接頭的等強性。實踐表明，通過選用合適的焊接材料，制定合理的焊接工藝方案和工藝評定試驗，并結(jié)合切實可行的工藝控制要點，能夠滿足產(chǎn)品的設計要求和實際的使用需要。

結(jié)晶裂紋；晶粒粗大；焊接工藝方案；控制要點

0 前言

鎳基、鐵鎳基耐蝕合金具有獨特的物理、力學和耐腐蝕性能。在200℃～1 090℃內(nèi)能耐各種腐蝕介質(zhì)的腐蝕，解決了一般奧氏體不銹鋼無法滿足的工程腐蝕問題；同時還具有良好的高溫和低溫力學性能，強度高，塑性好，可冷／熱加工變形。因此在石油、化工、冶金、電力等領(lǐng)域中，是制作高溫、高壓、有腐蝕要求的波紋管比較理想的材料。如常用的Inconel 600、Inconel 625、lncoloy 825、lncoloy 800、lncoloy 800H等材料。要想充分發(fā)揮該類材料的優(yōu)越性能，攻克其焊接技術(shù)難點，關(guān)鍵在于如何抓住和做好工藝控制的要點。

1 焊接工藝方案的制定

1.1 焊接性分析

鎳基、鐵鎳基耐蝕合金線膨脹系數(shù)較大(介于奧氏體不銹鋼與碳素鋼之間)、熱導率小，焊接時焊縫中的一些雜質(zhì)元素和低熔點物質(zhì)容易在晶界偏析和集聚，并在熔池的凝固過程中與鎳形成低熔點共晶體，造成焊接熱裂紋。因此，相對于奧氏體不銹鋼來說，必須更嚴格地限制有害雜質(zhì)。同時，由于鎳基、鐵鎳基合金焊縫液態(tài)金屬的流動性比較差，焊縫金屬的冷卻速度比較快，使熔池中的氣體來不及逸出，造成氣孔，且O2、CO2、H2等氣體在液態(tài)鎳中溶解度也比較大，冷卻時溶解度又明顯減少，進而形成氣孔。因此，從防止焊接熱裂紋和氣孔等方面入手是控制焊接鎳基、鐵鎳基合金質(zhì)量的關(guān)鍵[1-3]。

1.2 焊接方法的選擇

膨脹節(jié)、金屬軟管等產(chǎn)品中的波紋柔性元件多數(shù)使用的是3 mm以下的薄板，多層結(jié)構(gòu)基本也在8 mm以下，結(jié)合鎳基、鐵鎳基耐蝕合金的固有特性，應考慮減少熱輸入或采用低熱輸入的焊接方法，減小熱裂傾向，防止晶粒粗大，所以優(yōu)先選用TIG焊，在實際焊接生產(chǎn)中TIG焊的優(yōu)點和可操作性也更強。

1.3 焊接材料的選擇

(1)主要是根據(jù)母材的合金類別、化學成分和使用環(huán)境等條件。焊接材料的主要成分大多與母材成分相似，以保證各項性能與母材相當。但焊絲中一般會加入一些合金元素，以補償某些元素的燒損以及控制焊接氣孔和熱裂紋。

(2)同類焊材達不到要求或沒有類似成分的焊材時，一般選用高一檔次的焊材。

(3)焊接鐵鎳基合金時(如Incoloy 800H)，可選用鎳基合金焊材(ERNiCrMo-3)，雖然焊材成本高，但能保證焊縫的使用性能不低于母材。

(4)對保護氣體要求純度高(大于等于99.997%)，具有最小的氧化性，以保證最大的合金過渡系數(shù)。

(5)采用小直徑鈰鎢極，通常端部磨成30°～60°的尖角，尖端磨平，直徑約0.4 mm，以保持電弧穩(wěn)定和足夠的熔深，易于控制熔透和窄焊道。

(6)異種鐵鎳基合金、鎳基合金及其與鉻鎳奧氏體鋼組成的異種焊接接頭的焊接材料，選用應考慮下列因素：焊縫的強度，包括高溫持久強度，耐蝕性；線膨脹系數(shù)的差異，高溫下長時間工作后，可能產(chǎn)生的體積永久性改變；焊接裂紋、氣孔的敏感性。

1.4 合理設計坡口

鐵鎳基和鎳基合金的液體金屬流動性(尤其是潤濕性)較差，熔深一般約為低碳鋼的50%，奧氏體鋼的60%。焊接時易產(chǎn)生未熔合缺陷。通過常規(guī)的加大焊接電流即增加金屬流動性，其效果不大，而且還會造成過熱的不良影響。為達到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要適當增大(單面坡口角度為35°～40°)，鈍邊減小(0～1.5 mm)。常用接頭設計形式如圖1、圖2所示。

圖1 波紋管管坯對接

圖2 多層波紋管與結(jié)構(gòu)件環(huán)向?qū)?/p>

1.5 焊前清理

鐵鎳基和鎳基合金表面存在難熔的氧化膜，如NiO的熔點為2 090℃，而Ni的熔點只有1 446℃，焊前不除去表面難熔的氧化膜，焊接時焊縫易生成夾雜物，影響焊接質(zhì)量。

焊前用不銹鋼絲刷清理接頭兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)外表面至露出金屬光澤，再用丙酮或酒精擦拭磨刷部位，用干凈布擦干。也可用酸洗的辦法去除氧化膜。

1.6 預熱和道間溫度的控制

一般不需焊前預熱，但當母材溫度低于15℃時，應對接頭兩側(cè)各250～300 mm寬的區(qū)域加熱至15℃～20℃，但金屬表面的溫度最高不應超過50℃，以免濕氣冷凝產(chǎn)生氣孔。道間溫度嚴格控制在60℃以下(以手感不燙為準)，以防接頭過熱，降低焊縫的強度。

1.7 限制焊接熱輸入

焊接熱輸入大小，對焊接接頭熱裂紋的產(chǎn)生有很大的影響。同時為了獲得比較好的接頭等強性，應盡量減少接頭過熱和組織不均勻性。為此，盡可能采用小的熱輸入，縮短焊縫熔融金屬存在的時間，防止熱裂紋的產(chǎn)生，也有利于改善熔合質(zhì)量。

1.8 焊接工藝評定

結(jié)合SH／T3523-1999和GB 50236-98兩個標準，按照JB4708-2000對公司常用的鐵鎳基、鎳基合金進行了多次工藝評定試驗，記錄所有試驗數(shù)據(jù)，按試驗結(jié)果中合格試件的焊接工藝及注意事項修改原焊接工藝指導書，用于指導實際產(chǎn)品焊接作業(yè)的依據(jù)。

1.9 培訓考試

按評定合格的焊接工藝對焊工進行培訓考試，經(jīng)考試合格者承擔焊接施工任務。

2 焊接工藝應用

2.1 鎳基、鐵鎳基合金同種材料焊接

(1)以評定合格的焊接工藝參數(shù)為依據(jù)，編制波紋管管坯縱縫TIG自動焊、矩形波紋管四角拼接TIG手工焊焊接工藝，TIG自動焊焊接參數(shù)如表1所示。

表1 TIG自動焊焊接參數(shù)

(2)控制要點。

a.獨立的焊接作業(yè)場地，與碳鋼加工場地分開，控制廠房灰塵，同時不可以有氣流擾動。

b.嚴格控制剪切毛刺量，加強焊接區(qū)焊前的清理，保證被焊材料表面的高度清潔。

c.根據(jù)板厚確定合適的對接間隙。

d.對接焊縫兩端部加引、熄弧板。

e.盡量采用小的焊接規(guī)范，以防止焊縫和母材的過熱，防止晶粒長大。

2.2 鎳基、鐵鎳基合金與珠光體鋼、奧氏體不銹鋼組合后的異種鋼焊接

(1)因其接頭母材組合多為珠光體鋼與單層鎳基、鐵鎳基合金焊接、珠光體鋼與多層鎳基、鐵鎳基合金焊接和奧氏體不銹鋼焊接，接頭材料成分復雜。每種接頭在產(chǎn)品生產(chǎn)前均需做評定試驗，并編制專項工藝文件，以滿足設計要求及產(chǎn)品使用要求。

(2)控制要點。

a.焊件在裝配、定位焊和焊接前應徹底清除焊接處和焊絲表面的氧化物、油污等，保證被焊材料表面的清潔。

b.多層封口焊或縫焊后進行波紋管與結(jié)構(gòu)件裝配，必須保證裝配精度，避免強力組裝。手工TIG焊接裝配時，要每隔30～50 mm有一定位焊點，焊點長度不得小于2 mm。定位焊不得有缺陷，焊接時盡量采用平焊位置。

c.焊接過程中要在保證熔透的情況下，盡可能減少焊接熱輸入，熔敷金屬盡量少，熔深盡量小，焊縫的外型應稍凸。

d.加強保護，降低合金燒損。焊絲加熱端必須處于保護氣體中，不能用來攪動熔池。

e.減少焊接接頭的過熱，防止晶粒長大。焊縫的布置盡量避免交叉和分布過密，減少補焊次數(shù)，采用小焊接線能量和小截面焊道，并應采用短弧不擺動或小擺動(不超過焊絲直徑的1.5倍)的操作方法。對接頭力學性能要求較高的推薦選用脈沖焊、分段對稱焊等工藝措施。

f.焊縫多層焊時，宜采用多道焊，底層焊道完成后，應仔細檢查，每一焊道完成后均應徹底清除焊道表面的熔渣并進行檢查，消除各種表面缺陷，每層焊道的接頭應錯開。

g.熔池弧坑裂紋是常見缺陷，所以收弧時要及時填滿弧坑，待弧坑冷卻再切斷保護氣。

h.焊接過程中焊工不應按習慣的焊接手法對焊絲進行點滴過渡，而應把焊絲放在熔池中拖著過渡。打底層的焊肉應有一定的厚度，焊縫應稍凸，否則易出現(xiàn)熱裂紋。

i.保證焊縫焊透，且無焊瘤，熔合良好，發(fā)現(xiàn)裂紋等焊接缺陷時應及時清除。

3 產(chǎn)品應用實例

產(chǎn)品應用實例如圖3、圖4所示。

4 結(jié)論

通過對鎳基、鐵鎳基耐蝕合金的不斷深入了解和掌握，合理地制定焊接工藝方案和進行工藝評定試驗，選用合適的焊接材料，加強焊接過程的工藝控制和過程檢驗，該類材料焊接一次交驗合格率達99.3%以上，在石化、冶金、電力等不同領(lǐng)域中、不同的使用環(huán)境下滿足了產(chǎn)品的使用需要，所有產(chǎn)品使用情況良好，取得了很好的成效。

圖3 煤基烯烴項目直管壓力平衡型膨脹節(jié)

圖4 煤氣化發(fā)電站高壓直管壓力平衡型膨脹節(jié)

[1]SH／T 3523-1999.石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳基合金和鎳基合金管道焊接規(guī)程[P].

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，007.

[3]李箕福，王移山，薛春月.不銹鋼及耐蝕耐熱合金焊接100問[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

Welding process and main controlling points of corrosion resistant Ni-based alloy and iron Ni-based alloy

CHEN Wen-xue (Qinhuangdao Taidy Flex-Tech Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066004，China)

Corrosion resistant Ni-based alloy and iron nickel based alloy is used under heavy condition such as high temperature，high pressure and heat corrosion medium etc，so it has a shrict requirement to material performance.Main problems during welding are solidification cracking，coarse grains overheated zone and strength of welded joints，etc.Practice shows that it can be satisfied with requirements of product design and the need to use the actual，through selecting suitable welding material，making reasonable welding process method，testing new process and combining with practical elements of process control.

solidification cracking；coarse crystal grain；welding process method；main controlling points

TG457.1

B

1001-2303(2012)03-0062-04

2010-11-09

陳文學(1980—)，男，河北秦皇島人，主要從事壓力管道元件裝配和焊接工藝的工作。