鐵－鉻－鎳系耐熱合金的焊接工藝分析*

黃 艷

（菏澤市產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗所，山東菏澤 274000）

引言

耐熱合金作為單一奧氏體組織，其合金化程度很高，并且具有良好的使用的可靠性、組織穩(wěn)定性，所以耐熱合金被廣泛應用于艦船、航空、航天、化工、石油的一類重要材料.按基體元素來分，耐熱合金可分為鐵基、鎳基和鈷基等耐熱合金.鐵基耐熱合金使用溫度一般只能達到750～780℃，而鎳基和難熔金屬為基的合金的耐熱部件則能在更高溫度下使用.

近些年來，國內(nèi)外學者在工藝參數(shù)指定、焊后結合界面組織、接頭使用性能評定、焊接方法等方面對鎳基耐熱合金焊接作了大量研究，同時通過對電子束焊接、真空焊、瞬間液相擴散連接、激光焊及激光熔覆技術、摩擦焊、真空電子束釬焊等各種連接方法的進一步研究，對鎳基耐熱合金焊接技術的應用和發(fā)展做出巨大貢獻.然而為保證該鐵－硌－鎳（Fe－Cr－Ni）系耐熱合金的工作性能，需要根據(jù)選用的焊接材料和基體材料，選擇適當?shù)暮附庸に?本文就Incoloy800耐熱合金、鑄造耐熱不銹鋼爐管和HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼的焊接工藝進行對比分析，以期為焊接工程應用提供科學依據(jù).

1 Incoloy800H耐熱合金的焊接工藝

Incoloy800H合金的密度較大、導熱率低，屬于鐵基耐熱合金.鐵基耐熱合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性，焊接過程中會出現(xiàn)焊縫的微裂紋和宏觀裂紋.由于鐵基耐熱合金導熱率較低，加上工件的焊接時間長，將會造成晶粒長大，進而促使了低熔點共晶物的形成.

焊前處理不當（工件表面的油垢、氧化膜、潮氣等），則會在焊接過程中被吸附和分解，進而造成雜質氣體的增多摻生氣泡;在鐵基耐熱耐熱合金的焊接過程中，一般情況下焊接接頭達不到母材強度的要求，焊接接頭在常溫和高溫下的瞬時強度差不多，但在持續(xù)高溫下的強度卻大幅降低，焊后所進行的熱處理效果也不明顯［1］.生產(chǎn)實踐表明，接頭熱影響區(qū)存在過熱以及晶粒長大嚴重將直接影響焊接性能.

由于Fe－Cr－Ni系合金具有敏化溫度區(qū)，敏化狀態(tài)發(fā)生碳化物的沉淀，引起晶界貧鉻現(xiàn)象，導致在介質中的晶間腐蝕、應力腐蝕［1］.在焊接該類合金時，應快速冷卻，避免焊接區(qū)在高溫條件下停留過長，防止產(chǎn)生晶間腐蝕.

針對鐵基耐熱合金容易出現(xiàn)的缺陷，在焊接工藝上，要采用手工氬弧焊，所選焊絲為Er5NiCr3.由于熔敷金屬流動性、熔適性差，當焊接材料過熱時，脫氧元素會出現(xiàn)過多的燒損，所以應采用小的熱輸入來增加熔透性.為保證熔透，應采用大坡口角度和小鈍邊的接頭形式.T1G焊對接V形坡口角度為700°±5°，采用直流正極性，高頻引弧以及電流衰減、延時斷氣的焊接技術.施焊時應采用快速焊，操作時可作微小擺動，但應掌握好焊槍和焊絲的角度.多層焊時應控制道間溫度（不超過100℃），注意填滿弧坑.熱輸入在保證熔透的前提下盡可能小.焊后應進行快速冷卻.

Incoloy800H管焊接工藝參數(shù)如下:

焊接電流:80～110 A;電弧電壓:12～14 V;焊接速度:7～10 cm·min－1;

電流衰減:7 s;氬氣流量:正面:8～10 L·min－1，背面:10 ～12 L·min－1;

電源極性:直流正接.

2 鑄造耐熱不銹鋼爐管的焊接工藝

鑄造耐熱不銹鋼爐管，是用離心鑄造或電軋熔鑄的方法制成的.鑄造耐熱不銹鋼爐管與鍋爐等工業(yè)使用的爐管相比，工作溫度較高，同時所輸送化工介質的流體在工作溫度下，具有較活潑的化學性質［1］，廣泛應用在合成氨、甲醇、城市煤氣和還原煉鋼工廠的蒸汽轉化爐中，此外還應用在乙炔裝置中的裂解管中.這里主要介紹HK－40的焊接.

HK－40鑄造耐熱不銹鋼與奧氏體不銹鋼一樣，均為高鉻鎳系合金鋼，其焊接性與奧氏體不銹鋼類似.不過，由于碳含量高，本來就含有一定量的共晶，所以焊接熔池的流動性較好.爐管在正常焊接工藝條件下，焊接熔池在結晶過程中會出現(xiàn)氣孔和結晶裂紋的問題，但是并不突出.主要問題在于焊接接頭過熱區(qū)中可能出現(xiàn)液化裂紋，這是由于該處的共晶物會發(fā)生液化，如果硫磷等雜質含量較高或偏聚較嚴中，則在冷卻過程中會產(chǎn)生裂紋.

HK－40爐管的主要成分有鉻、鎳、碳等，其中鉻元素大部分成為固溶元素，另一部分則與碳形成鉻的碳化物，是合金具有良好的耐熱性和較高的高溫蠕變斷裂強度.HK－40的主要化學成分見表1.

表1 HK－40（ZG4Cr24Ni20Si2）主要化學成分［2］

HK－40爐管焊接最主要問題是裂紋的存在.從力學角度分析:這種材料線膨脹系數(shù)大，收縮應力大，特別是坡口不當、焊接夾渣、冷熱不均引起較大應力，導致裂紋的產(chǎn)生.從冶金角度分析:焊縫的化學成分對裂紋的形成起較大作用，由于單相奧氏體鋼的焊縫為柱狀晶組織，利于偏析雜質，而奧氏體鋼的合金成分較雜，不僅S、P類雜質易形成易熔夾層，一些合金元素因有限的熔解也會弱化晶界［3］.因此，一般要求焊縫限制雜質來源，減少晶間偏析;加入適當?shù)奶蓟镄纬蓜?，以造成細小的奧氏體和碳化物的雙相組織.

正確地選用焊接材料，以確保焊縫金屬中雜質含量少，避免產(chǎn)生熱裂紋.在應力相分析出溫度區(qū)段（650～900℃）工作過程中，焊接接頭的蠕變強度不應低于鑄態(tài)爐管，從而避免爐管的損壞發(fā)生在焊接接頭上.只有選用此類焊接材料，才能提高爐管的焊接性和保持長期工作過程中的穩(wěn)定性.

本文選用的HK－40爐管的焊接材料為:中國焊絲H4Cr25Ni20與美國AWS焊絲E310H、德國THYSSEN焊絲 Thermanttcr、日本焊絲 TGS－310H－SA，其化學成分，見表2.

表2 H4Cr25Ni20與 E310H ，Thermanttcr，TGS －310H －SA 焊接材料的化學成分［3～6］

E310H為鎢極惰性氣體焊絲，Thermanttcr為電 弧焊焊絲，TGS－310H－SA為焊條焊芯.

由于焊接材料的化學成分優(yōu)于爐管本體，希望爐管材料在焊縫金屬中所占比例越少越好.這樣能提高焊縫金屬抗裂性，還可以使焊縫金屬局部應力相析出量減少，并能提高高溫蠕變斷裂強度，延長爐管的工作壽命.

HK－40鑄造耐熱不銹鋼爐管的焊接工藝:

1）施焊以前，爐管的待焊處和焊絲要認真清理，去除油污和雜質，保持干凈.

2）避免強力組對裝配，減少焊接應力.

3）爐管點固焊后，管內(nèi)要充氬氣進行保護，防止焊縫背面氧化.

4）采用鎢極氬弧焊時，要選擇合理的焊接順序來降低焊接應力.多層焊接時，要等第一層焊縫冷卻后，再焊次一層焊縫，避免焊縫金屬過熱，防止晶粒粗大.

5）多層焊時，各層的焊接收弧處要相互錯開，避免缺陷重疊而降低焊接接頭的力學性能.

6）焊接結束或中斷時，要采取電流衰減收弧法，同時也要填滿弧坑，阻止弧坑裂紋的形成.

3 HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼的焊接工藝

HP45NbTi鑄造型耐熱不銹鋼是在HP45合金基礎上加入Nb、Ti等微量元素制得的，加入Nb、Ti的HP45NbTi鑄造型耐熱不銹鋼比HP45的高溫蠕變強度有了較大提高，并具有抗?jié)B碳性能、抗氧化性能、鑄造性能和機械加工性能等.因此，HP45NbTi耐熱合金已成功地用于乙烯蒸汽裂解爐爐管、甲醇催化轉化爐爐管及其他加熱爐等部件［7～11］.其化學成分見表3.

表3 HP45NbTi耐熱爐管的化學成分

HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼爐管的力學性能:

室溫抗拉性能:屈服強度≥450 MPa，抗拉強度:≥250 MPa，斷后伸長率≥8%;

高溫瞬時抗拉性能:溫度:900℃，抗拉強度≥147 MPa，斷后伸長率≥22%;

高溫持久抗拉性能:溫度:1 050℃，應力≥25 MPa，時間:≥100 h.

由于HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼Ni含量高，化學成分復雜，因此容易形成液態(tài)薄膜;另外，該合金的線膨脹系數(shù)大，熱導率小，能形成較大的應力，因此熱裂傾向較大.由于焊接過程的作用，焊接熱影響區(qū)的晶粒粗大，奧氏體強化相和碳化物析出和溶解，以及組織變化、內(nèi)應力和各種顯微缺陷的存在，使得焊接接頭與母材等性能是很難選擇的.但是，采用小焊接熱輸入，高Cr、Ni和高碳化物的焊接材料，能防止應力相析出，減少Cr23C6的沉淀，并采用短弧焊、小擺動、強制冷卻，可改善HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼爐管的焊接接頭性能.

本文給出HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼爐管焊接兩種可供選擇的氬弧焊焊絲，以及母材和焊縫，其化學成分見表4.NiR82焊絲（Ni基）用于打底焊，25－35Nb焊絲用于填充焊和蓋面焊.雖然25－35Nb焊絲與母材的化學成分相近，但其熔敷金屬的焊態(tài)抗拉強度為550 MPa，比母材高100 MPa，且塑性不足.打底焊時，冷卻速度大，拘束度大，應力集中系數(shù)大，容易產(chǎn)生裂紋.而NiR82焊絲用于打底焊，不易產(chǎn)生裂紋.層間溫度應控制在90℃.

表4 HP45NbTi焊接所用母材、焊縫、25－35Nb和NiR82焊絲化學成分

HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼爐管焊接工藝:根據(jù)生產(chǎn)條件選擇手工鎢極氬孤焊，保護氣體選用純度99.99%的氬氣;選擇Φ25mm的NiR82焊絲為打底焊，Φ 24mm的25－35Nb焊絲填充;焊材和母材坡口附近應嚴格地清除表面銹蝕、水等雜質.手工鎢極氬弧焊的焊接質量與焊工的現(xiàn)場操作密切相關，應注意焊工操作手法.一般要求鎢極從氣體噴嘴突出的長度以4～5mm為最好，在角焊等遮蔽性差的地片是2～3mm為最好;焊接電弧長度以1～3mm為最好，過長則保護效果不好;焊槍應盡量沿爐管直徑方向，可稍稍傾斜，但傾角一般不超過10°;填充焊絲與工件表面夾角應盡可能地小，一般約為10°，背面在打底焊和第一道填充焊時應通氬氣進行保護.焊接坡口型式和尺寸見圖1.

圖1 焊接坡口示意

4 結論

對于耐熱高溫合金的焊接工藝來說，主要目的都是防止裂紋的產(chǎn)生.從上述分析可知，Incoloy800H合金可采用手工氬弧焊，而HK－40鑄造奧氏體耐熱不銹鋼爐管和HP45NbTi鑄造耐熱不銹鋼爐管的焊接，可采用鎢極氬弧焊［12］.

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