哈氏合金C-2的焊接工藝開發(fā)與研究

穆鐘濤 馬煥新

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450053）

1 C-22哈氏合金材料簡(jiǎn)介

哈氏C系列合金屬Ni-Cr-Mo合金，早在20世紀(jì)40年代哈氏合金C就問世了。為解決哈氏合金C-276在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中焊縫耐腐蝕性明顯不如母材，易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等缺陷，美國哈氏合金公司（Haynes International Inc.）經(jīng)多年研發(fā)，于20世紀(jì)80年代研發(fā)了C-22合金。通過調(diào)整化學(xué)成分，使C-22達(dá)到更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，在焊接狀態(tài)下仍然能夠維持很好的耐均勻腐蝕和局部腐蝕能力。C-22合金化學(xué)成分和主要機(jī)械性能如表1、表2所示。

表1 C-22主要化學(xué)成分（%）

表2 C-22常溫下機(jī)械性能

2 焊接試驗(yàn)方案

新產(chǎn)品接觸腐蝕介質(zhì)的槽體材料采用4mm厚的C-22，同時(shí)為盡量降低產(chǎn)品材料成本，非接觸腐蝕介質(zhì)的件號(hào)根據(jù)腐蝕環(huán)境條件分別采用904L、316L和304材料。因此，為了全面了解C-22材料的焊接性能，我們分4組進(jìn)行了C-22與C-22、C-22與304、C-22與316L、C-22與904L等材料的焊接工藝試驗(yàn)。

焊材的選擇是以滿足焊接接頭各項(xiàng)性能要求為主要因素，C-22合金主要在高腐蝕環(huán)境中使用，因此焊接接頭的耐腐蝕性是否能達(dá)到母材的水平是焊接中首要考慮的問題。為滿足C-22焊接接頭耐腐蝕性能，以母材化學(xué)成分為主要依據(jù)，考慮焊接過程中合金元素?zé)龘p因素，要求焊材中的主要元素Cr、Mo、W含量略高于母材本身。通過查找資料，國內(nèi)焊材沒有與C-22相匹配焊絲，只有國外ERNiCrMo-10焊絲滿足我們焊接C-22材料的選材要求。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們選用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊材采用ERNiCrMo-10 Φ1.6mm焊絲。ERNiCrMo-10焊絲化學(xué)成分及主要機(jī)械性能見表3、表4。

表3 ERNiCrMo-10化學(xué)成分（%）

表4 ERNiCrMo-10焊絲機(jī)械性能

3 焊接試驗(yàn)檢測(cè)

焊接試驗(yàn)按NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施。試件焊接后首先按JB/T4730.5要求進(jìn)行X射線探傷；探傷合格后，按NB/T47014要求加工成拉伸、彎曲試樣進(jìn)行各項(xiàng)理化檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

通過各項(xiàng)檢測(cè)，4項(xiàng)焊接工藝評(píng)試件定全部合格。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：

3.1 1#拉伸試件為C-22與C-22的焊接。焊絲與母材的化學(xué)成分和機(jī)械性能相同，在焊接過程中由于焊縫處于過熱狀態(tài)，晶粒呈粗大的樹枝狀，因此經(jīng)焊接后焊縫熔敷金屬的力學(xué)性能有所下降，斷裂發(fā)生在焊縫處。

表5

3.2 2#～4#拉伸試件斷裂位置分別在304、316L和904L側(cè)。原因如下：ERNiCrMo-10焊絲與C-22合金成分和力學(xué)性能非常接近，焊絲抗拉強(qiáng)度792Mpa，而304、316L、904L 材料的抗拉強(qiáng)度分別為：520Mpa、490Mpa、530Mpa，焊縫熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度高于母材最低抗拉強(qiáng)度值，因此斷裂發(fā)生在低強(qiáng)度的母材側(cè)。

3.3 1#、4#試樣在彎曲過程中彎軸中心位置沒有發(fā)生偏離。1#為C-22同材料間的焊接，材料與焊接接頭性能相同，因此中心位置未發(fā)生偏離；4#為C-22和904L材料的焊接，904L材料的含鎳量約24%，與鎳基合金已十分接近（鎳含量大于30%定義為鎳基合金），因此904L與C-22有相似的地方——有相同程度的冷作硬化傾向，因此試樣彎曲過程也未發(fā)生偏離。

3.4 2#、3#試樣在彎曲過程中彎軸中心分別偏離到304、316L側(cè)。哈氏合金冷作硬化非常明顯，大約是奧氏體不銹鋼304、316L材料冷作硬化的2倍，因此試樣在彎曲時(shí)發(fā)生了偏移。

4 焊接工藝措施

4.1 鎳基合金焊接熔池十分黏稠且熔深淺，增大焊接電流不能明顯改善金屬的流動(dòng)性和增大熔深。

4.2 與焊接碳鋼、不銹鋼通常形成的凹形焊道不同，鎳基合金的焊道表面要求呈凸形，以防止出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。第一層根部焊道可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶開裂，可采取小電流多填絲的方法消除［1］。

4.3 手工鎢極氬弧焊操作時(shí)，填充焊絲的卷入不應(yīng)直接浸入熔池，應(yīng)使填充焊絲位于鎢極的前方邊熔化邊送進(jìn)，焊絲端頭要始終處于氬氣保護(hù)之中。熄弧時(shí)要多填加些焊絲，使焊道厚度增大。

4.4 由于鎳基合金的特性及焊接電流的限制，焊接速度較慢，要求焊工有耐力和耐性。

4.5 手工鎢極氬弧焊焊接鎳基合金時(shí)，不論打底焊還是層間、蓋面焊接，工件背面一定用氬氣進(jìn)行保護(hù)，防止材料氧化［2］。

5 結(jié)語

5.1 哈氏合金焊接性能優(yōu)良，在工藝措施正確的條件下完全能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 哈氏合金與304、316L、904L等奧氏體不銹鋼焊接時(shí)，為保證焊接接頭及鎳基合金側(cè)母材的抗腐蝕能力，焊接材料首選鎳基合金焊材。

5.3 根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與實(shí)際焊接情況，手工鎢極氬弧焊是焊接4mm厚C-22合金的首先焊接方法。

5.4 哈氏合金C-22比304、316等奧氏體不銹鋼具有更強(qiáng)的冷作硬化傾向，C-22的冷作硬化傾向與904L相當(dāng)。

5.5 C-22材料焊接與奧氏體不銹鋼焊接有諸多不同，因此在產(chǎn)品正式投產(chǎn)前應(yīng)對(duì)參與產(chǎn)品焊接工人進(jìn)行焊接技能培訓(xùn)。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)/材料的焊接［M］.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社出版，2001：414-415.

［2］NB/T47014-2011.承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定［S］.