UNS N08120材料焊接性能及焊接缺陷分析

張繼春 郝 蘭 張 妍 張傳杰

(南京天華化學工程有限公司)

UNS N08120合金是一種固溶強化的耐熱合金，該合金有極高的高溫強度、很好的抗?jié)B碳和硫化的能力。UNS N08120的抗氧化性很好，比得上任何一種廣泛使用的Fe-Ni-Cr合金(如300系列不銹鋼、800H和800HT)，筆者就UNS N08120的焊接工藝和焊接缺陷原因進行分析，提出缺陷的修補方法。

1 UNS N08120材料性能

UNS N08120合金(按ASTM SB409標準)的化學成分、物理性能和力學性能分別見表1～3，常溫下屬單相奧氏體組織。

表1 UNS N08120合金主要化學成分 %

表2 UNS N08120合金物理性能

表3 UNS N08120合金力學性能

一般來說，金屬腐蝕主要是化學腐蝕和電化學腐蝕，其中以電化學腐蝕為主,即金屬表面有電解質溶液存在形成微電池，而Cr的加入使合金形成單相奧氏體組織。同時加入Cr可提高奧氏體電極電位，因此合金不易腐蝕，且耐腐蝕性能較好[1]。

2 UNS N08120材料的焊接

UNS N08120合金可采用鎢極氣體氬弧焊(TIG)、金屬極保護氣體弧焊(MIG)和手工電弧焊(SMAW)進行焊接，不推薦使用埋弧焊，因為埋弧焊輸入熱量高，易造成扭曲和熱裂紋。

2.1焊接材料的選擇

由于UNS N08120合金沒有專用焊材，為更好地控制焊接質量，減少焊接時產(chǎn)生的熱裂紋，選擇手工氬弧焊焊接。采用AWS A5.9 ER3556焊絲焊接19mm以下的厚度，更厚的則使用AWS A5.14 ERNiCrMo-2焊絲，兩種焊絲的化學成分見表4。

表4 AWS A5.9 ER3556及AWS A5.14ERNiCrMo-2焊絲的化學成分 %

2.2UNS N08120合金加工特點

UNS N08120合金加工特點有以下幾點：

a. 焊接接頭設計。此合金與不銹鋼相比流動性和滲透性較差，焊接接口的設計應留出足夠的空間(坡口角度為60～80°)。

b. 切割及坡口加工。UNS N08120合金可采用等離子切割、車床加工或氣弧刨來刨邊；所有使用熱切割(有氧化層)刨邊的需要打磨到光亮的金屬。

c. 材料卷制成型。因材料的屈服強度較高、硬度較大，剪切和彎制成型相對不銹鋼和碳鋼來說更難，因此卷制時最好帶頭。

d. 焊接接頭的清潔。焊接接頭附近的區(qū)域在焊接前要徹底清潔，所有的油脂、油污、粉筆記號及硫化物等非基體金屬的物質都要被清除。

e. 接頭焊接。采用鎢極氬氣保護焊，點焊及焊第一道時均采用背面充氬氣保護。

f. 焊接接頭的打磨。盡量使用短電弧來保持電弧的穩(wěn)定性和對熔池的控制，在開始的地方可能出現(xiàn)氣孔，而結束的地方可能出現(xiàn)弧坑。起弧和收弧處的焊肉采用不含硫化鐵的砂輪進行打磨，并使用不銹鋼鋼絲刷清理干凈。

g. 預熱要求。如果被焊金屬不低于0℃，則不需要預熱。

h. 層間溫度要求。層間溫度必須要在93℃以下(UNS N08120合金的導熱性差，比316不銹鋼小55%)；如果需要快速冷卻則焊道中間要用輔助冷卻(水冷或快速空冷)的方法，但要求這些方法不能帶入污染物。

i. 熱處理。對UNS N08120合金來說，焊后通常不進行熱處理。

j. 焊接設備。選擇具有高頻起弧、預先/延時噴氣和電流控制(腳控制板)的電源；焊槍保護罩上要帶有優(yōu)化保護氣的絲網(wǎng)。

k. 加工禁忌。嚴禁采用氧炔焰切割；不能使用含有硫、氯、氟的溶液清洗焊接接頭處，不能留下殘留物。

2.3焊接工藝

針對厚度為10mm的UNS N08120板材筒體對接縱環(huán)縫焊縫，筆者選擇AWS A5.9 ER3556焊絲進行氬氣保護焊，正面氣體流量14L/min。坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖1 坡口形式

焊層焊接方法焊材牌號焊材規(guī)格/mm電流種類電流/A電壓/V外1GTAWER3556?2.4直流正接80～13012～18內1GTAWER3556?2.4直流正接80～13012～18內1GTAWER3556?3.2直流正接100～15012～18

焊接接頭采用大角度坡口，單面焊雙面成形結構。清理待焊區(qū)坡口兩側不小于50mm范圍內的油污、鐵銹等，可采用四氯化碳清洗；焊絲表面不得有油污等雜質。使用正確的焊接工藝參數(shù)進行點焊，點焊處不得有任何缺陷，如有缺陷必須處理后方可焊接，而且也不能有氧化黑皮等雜質。內側氬弧打底，背面做好充氬氣保護，背面有少量氧化可進行打磨清理，但必須清理干凈氧化層，打磨至金屬光澤，外側角磨機清根打磨光潔后再進行氬弧焊焊接。起弧和收弧處的焊肉采用不含硫化鐵的砂輪進行打磨，并使用不銹鋼鋼絲刷清理干凈；采用不銹鋼刷清理焊道至金屬光澤，焊道每一層保持無氧化雜質，打焊工鋼印。檢查焊縫表面不得有裂紋、氣孔、咬邊及夾鎢等缺陷，特別注意起弧、收弧處縮孔裂紋及氧化等缺陷；焊接接頭圓滑過渡，焊后余高不大于1mm。所有縱環(huán)焊縫進行100%RT探傷，按JB/T 4730.2-2005的規(guī)定，質量等級AB級，Ⅱ級合格。

3 焊接缺陷及原因分析

3.1焊接缺陷

由于國內UNS N08120使用較少，在實際焊接操作中又出現(xiàn)了一些問題，筆者對焊接試板進行1 000℃高溫拉伸及金相檢驗。樣板厚為 6mm，焊件整體尺寸均為300mm×300mm。均采用TIG焊接方法，焊接材料為AWS A5.9 ER3556焊絲，正反面開V形坡口進行焊接，焊接電壓為13～14V，電流105～110A，焊接速度150mm/min，層間溫度小于60℃，焊接保護氣采用99.99%的氬，流量14L/min，正面3道，背面兩道。在筒體縱縫實際焊接過程中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭熔合線附近易產(chǎn)生45°左右的微裂紋，長度2～3mm；為消除焊接接頭處的裂紋缺陷，對缺陷的焊接接頭進行返修，部分焊接接頭返修次數(shù)超過兩次。

根據(jù)檢驗結果，焊接試樣化學成分符合要求。觀察焊接原始態(tài)及焊后熱處理態(tài)(1 050℃保溫4h，隨后水冷至室溫)微觀組織，如圖2～5所示?？梢钥闯鯤R-120母材1 050℃ 時效4h后組織晶粒稍顯不均勻，晶界有碳化物析出。但高溫合金中碳化物的微弱析出屬正?，F(xiàn)象，可以在高溫時提高合金的強度。這點與耐腐蝕合金的低碳性、無析出、晶粒度要求較細略有不同。

圖2 母材原始組織

圖3 熱處理后母材組織

圖4 原始焊縫組織(奧氏體鑄態(tài)枝晶結構)

圖5 熱處理后焊縫組織

3.2缺陷原因分析

焊接過程中產(chǎn)生的熱裂紋通常在焊縫中，偶爾也會出現(xiàn)在熱影響區(qū)。熱裂紋的發(fā)生有兩個必要條件：應力和“無法容忍應變的微觀組織”。應力在焊接中是不可避免的，這是因為金屬凝固時會產(chǎn)生復雜的熱應力?！盁o法容忍應變的微觀組織”會在所有合金接近熔化和凝固點附近的高溫區(qū)臨時形成。

表面污染(比如硫)會導致熱裂紋；特殊的幾何形狀(如凹陷的焊縫和淚滴狀的熔池)也會導致熱裂紋[2]。鎳基鈷基合金是比較粘的，不像碳鋼那樣流動性好，不容易浸潤側邊，所以焊接時需把熔池放在合適的位置。除了流動性差之外，熔深也比普通碳鋼或者不銹鋼淺。因此，未熔合的可能性就比較大。

4 焊接返修方案及結果

4.1返修方案

因部分焊縫的返修次數(shù)超過兩次，筆者制定并經(jīng)技術總負責人批準實施的返修方案如下：

a. 對于有缺陷或者裂紋的焊縫，在補焊前需要將缺陷完全打磨干凈,打磨用角磨機不得大于φ100mm；對打磨后的焊縫進行PT檢驗，確認缺陷消除，必要時可以磨穿焊縫。

b. 在打磨焊縫的時候，盡量將開口磨大，以便焊接時能夠焊透，增加電流(最高150A)可以緩解未熔合的問題。

c. 返修補焊時的工藝參數(shù)參照工藝評定的參數(shù)進行，在起弧的時候填絲要足夠，不要試圖擺動焊槍焊絲來熔化周圍材料進行填補。

d. 焊接收弧的時候可能產(chǎn)生肉眼不可見的弧坑裂紋，使用電流控制踏板可以緩解；最好的方法是進行打磨，或者將收弧位置移至修補位置之外再磨掉?？梢杂肞T檢驗每道焊縫來確認沒有裂紋；如果在有弧坑裂紋的位置繼續(xù)起弧，有較大概率的裂紋擴展。

e. 如果開口過大無法填滿，可以預制一塊紫銅板，焊接時襯于焊縫開口背面，起到保護和維持熔池位置的作用。

f. 每焊接一道，采用PT檢測合格后，用酒精徹底清潔焊縫兩側大約25mm范圍，保證沒有殘留PT試劑或者其他污染物，再進行下一道焊接。

4.2返修結果

按照目前的返修工藝返修UNS N08120焊接缺陷，返修后焊縫進行100%RT探傷，按照標準JB/T 4730.2-2005的規(guī)定全部Ⅱ級合格。為掌握返修次數(shù)對焊縫的影響程度，筆者分別制做了模擬焊縫返修5次、4次、3次、2次及母材共5類焊接試板，送具有檢驗資質的專業(yè)實驗室進行高溫拉伸強度試驗(960℃)，結果顯示試樣均在母材處斷裂；返修次數(shù)越高其焊接接頭的高溫抗拉強度越大，但易產(chǎn)生熱敏性裂紋；返修次數(shù)越多，焊接變形越大。

5 結論

5.1采用手工氬弧焊，保持焊絲的加熱端始終在氬氣的保護下，為加強保護效果，可在焊嘴后側加一輔助輸送保護氣托罩，焊接過程中氬氣保護要充分，否則易產(chǎn)生氧化、未焊透、未熔合等缺陷。

5.2焊接中應確保引弧和收弧的質量，收弧的弧坑應填滿。在保證焊透和熔合良好的前提下，在工藝參數(shù)范圍內盡量采用小的焊接線能量、短電弧、小擺動的焊接方法，以保證填滿弧坑。焊接過程中嚴格控制層間溫度。

5.3焊接接頭盡量選擇較大的坡口角度和較小的鈍邊，接頭表面成形應盡量凸起，自然成形，不使焊縫拉平或凹下。

5.4保證焊接前后及焊接過程中的清潔，清理時采用專用清洗液和專用工具。

5.5同一部位焊接接頭的返修次數(shù)不宜超過兩次，應將返修的部位、次數(shù)和檢測結果做好記錄存檔。

[1] 孫延永. HAYNES UNS N08120合金性能分析[J]. 機械制造與自動化，2005,34(2):21～22.

[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，2008.