HastelloyC—276合金焊接性研究

王陽(yáng)陽(yáng)　賈晨

摘 要：Hastelloy C-276合金是一種耐腐蝕型合金，具有優(yōu)秀的耐點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂性能，在航天、能源、化工、核電、環(huán)保等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。文章介紹了Hastelloy C-276合金的組織結(jié)構(gòu)，分析其焊接性，依據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》和ASTM G28A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行焊接工藝評(píng)定及力學(xué)性能檢驗(yàn)，最終制定合理的焊接工藝，為該合金的生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Hastelloy C-276；鎳基合金；焊接性；焊接工藝評(píng)定

1 概述

21世紀(jì)以來，隨著我國(guó)航天、能源、化工、核電、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)耐腐蝕材料需求量逐年增多[1]。自20世紀(jì)60年代Hastelloy C-276合金被美國(guó)漢斯公司研發(fā)出后，以其優(yōu)異的抗腐蝕性能（可耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽、中低溫鹽酸等）及焊后無需進(jìn)行固溶處理的加工特性，廣泛應(yīng)用于各種苛刻腐蝕工況[2]，如石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)對(duì)于該合金焊接特性研究起步較晚，為了充分掌握并優(yōu)化Hastelloy C-276材料的焊接性能，故對(duì)該材料焊接性進(jìn)行深入分析，結(jié)合實(shí)際焊接工藝試驗(yàn)，最終提出合理焊接工藝參數(shù)，為該材料的應(yīng)用提供可靠保障。

2 組織結(jié)構(gòu)

Hastelloy C-276為Ni-Cr-Mo系鎳基合金，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。其中Ni、Cr、Mo元素使其在氧化性和還原性介質(zhì)中均具有較好的耐腐蝕性能，W元素的添加進(jìn)一步提高材料抗局部腐蝕的能力，較低的Si、C元素含量保證了焊接熱影響區(qū)的耐腐蝕性能，面心立方晶格結(jié)構(gòu)形成的奧氏體組織賦予該合金良好的塑韌性。

3 焊接性

Hastelloy C-276因使用過程中更注重耐腐蝕性，故不像碳鋼或不銹鋼材料那樣要求熔敷金屬?gòu)?qiáng)度等于或高于母材，而是以腐蝕性能為出發(fā)點(diǎn)，要使焊縫金屬與母材具有相當(dāng)或優(yōu)異的防腐蝕能力。

3.1 液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差

鎳基合金焊縫金屬不像普通鋼材質(zhì)焊縫金屬那樣容易潤(rùn)濕展開。即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而易引起有害作用。焊接電流過大不僅使熔池過熱，增大熱裂紋敏感性，晶粒粗大降低耐腐蝕性，還會(huì)引起焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，產(chǎn)生氣孔。要獲得良好的焊縫質(zhì)量，需要采用擺動(dòng)焊工藝，但這種擺動(dòng)是小擺動(dòng)，擺動(dòng)距離不超過焊絲直徑的三倍。

3.2 焊縫金屬熔深淺

焊接過程中，鎳基合金固有特性決定了其熔深較淺，單純靠調(diào)整焊接參數(shù)不能解決這個(gè)問題。根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)克服熔深淺的方法是修改傳統(tǒng)的坡口形式，坡口角度在65°～70°，焊縫間隙大約在2mm～3.5mm，鈍邊大約在0.5mm～1mm。從而保證有效的焊縫熔深。

3.3 焊接熱裂紋

鎳基耐蝕合金具有較高的熱裂紋敏感性。熱裂紋分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結(jié)晶裂紋易發(fā)生在焊縫弧坑處形成火口裂紋[3]。結(jié)晶裂紋多半沿焊縫中心縱向開裂。液化裂紋多出現(xiàn)于緊靠熔合線的熱影響區(qū)中，還可能出現(xiàn)在多層焊的前焊縫中。高溫失塑裂紋既可能產(chǎn)生于熱影響區(qū)中，也可能存在于焊縫中。各種熱裂紋有可能單一，也有可能伴生出現(xiàn)，使得焊縫質(zhì)量可控性變差。

3.4 易于發(fā)生敏化現(xiàn)象

Hastelloy C-276合金在650～1090℃熱穩(wěn)定性較差，長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效處理后，會(huì)在晶界析出碳化物或伴生金屬間化合物μ相（Co2Mo6），在焊縫中的鑄造組織形成元素偏析，產(chǎn)生敏化現(xiàn)象，熔點(diǎn)較高的Mo、W元素凝固較早，焊縫熔敷金屬中的合金元素濃度梯度分布不均勻，使其抗晶間腐蝕性能下降。因此該合金熱加工溫度范圍1200℃～950℃，冷卻方式為水淬或在760℃～540℃之間盡量快速冷卻，以防止產(chǎn)生焊縫腐蝕。

4 焊接工藝評(píng)定

4.1 焊接方法

鎢極氬弧焊已廣泛用于鎳基合金的焊接[4]，特別適用于薄板、小截面、接頭不能進(jìn)行背面焊的封底焊以及不允許有殘留熔渣的結(jié)構(gòu)件。

4.2 保護(hù)氣體

推薦使用氬氣或氦氣，與氬氣相比用氦氣保護(hù)有如下特點(diǎn)：（1）氦氣熱導(dǎo)率大，向熔池?zé)彷斎胍脖容^大；（2）有助于清除或減少焊縫中的氣孔；（3）焊接速度比用氬氣時(shí)提高40%；（4）氦氣成本約是氬氣的25倍。

4.3 焊材

鎳基合金焊絲成分大多與母材相當(dāng)，但焊絲中一般多加入一些合金元素以補(bǔ)償某些元素的燒損，同時(shí)可抵消焊縫熔敷金屬凝固所產(chǎn)生的偏析。依據(jù)ASME第二卷材料C篇SFA-5.14《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)》Hastelloy C-276選用ERNiCrMo-4牌號(hào)的φ2.4mm焊絲，其化學(xué)成份見表2。

4.4 坡口加工

焊接坡口應(yīng)采用機(jī)械方法冷加工成型，以保證母材組織無變化，加工表面的形狀、尺寸和光潔度應(yīng)滿足焊接要求，不應(yīng)有分層、折疊、裂紋、撕裂等缺陷，坡口形式如圖1所示。

4.5 焊接清理與焊接保護(hù)

焊前對(duì)坡口及其兩側(cè)50mm范圍的母材表面進(jìn)行修磨去除氧化皮，使用丙酮或乙醇對(duì)坡口及焊絲表面擦洗，清除油脂、水分等污染物。為保證焊縫得到充分的保護(hù)，用δ1mm銅板制作專用的保護(hù)拖罩，對(duì)焊縫正反面進(jìn)行保護(hù)。

4.6 焊接工藝試驗(yàn)

試件規(guī)格：δ8mm×125mm×400mm板材，焊接位置采用平焊；焊接前焊縫不預(yù)熱，采用高頻起弧，過程中控制層間溫度≤100℃，同時(shí)注意焊槍角度，控制熔池大小，保證氬氣均勻保護(hù)熔池減少氧化。鎳基材料熔池流動(dòng)性不佳，所以焊接時(shí)需增加擺動(dòng)，擺幅不易過大，兩邊應(yīng)稍作停頓，確保焊縫熔合區(qū)質(zhì)量，焊接工藝參數(shù)見表3。

4.7 焊縫檢驗(yàn)

焊接完畢后，依據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》及ASTM G28A法對(duì)試件進(jìn)行無損檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)、腐蝕率檢驗(yàn)。

4.7.1 無損檢測(cè)

對(duì)焊接試件按照J(rèn)B/T4730.2-2005進(jìn)行100%RT檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷；焊縫表面未見氣孔、焊瘤、凹陷、咬邊等缺陷。

4.7.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)NB/T47014-2011規(guī)定取拉伸、彎曲試樣，分別按照GB/T228、GB/T2653規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

4.7.3 腐蝕率

分別對(duì)焊縫及母材按照ASTM G28方法A進(jìn)行腐蝕率測(cè)定，焊縫腐蝕率略高于母材，其結(jié)果見表5。

5 結(jié)束語

Hastelloy C-276合金以其優(yōu)異的抗均勻腐蝕、局部侵蝕、晶間腐蝕能力和易于的加工性，在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。文章對(duì)該材料組織結(jié)構(gòu)及焊接性進(jìn)行深入分析，結(jié)合實(shí)際焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，最終提出合理焊接工藝參數(shù)以及焊接過程中的操作技巧和操作要點(diǎn)，通過力學(xué)性能試驗(yàn)和腐蝕率試驗(yàn)，結(jié)果表明，制定的焊接工藝方案對(duì)于Hastelloy C-276合金同種金屬之間的焊接是可行的，焊縫各項(xiàng)性能得到保證，為鎳基耐腐蝕合金的焊接提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉士博.Hastelloy C-276與316L激光異質(zhì)焊接機(jī)理與工藝研究[D].大連理工大學(xué)，2013.

[2]邢卓.Hastelloy C系列合金綜述[J].化工設(shè)備與管道，2007，44（02）：51-58.

[3]周生華.鎳基合金C-276的焊接工藝[C]//.華東地區(qū)第九屆焊接技術(shù)交流會(huì)論文，2009：85-89.

[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)第3版[M].材料的焊接，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：王陽(yáng)陽(yáng)（1988-），女，籍貫：西安，工學(xué)碩士，畢業(yè)于西安理工大學(xué)，就職于西安思源學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，助教，研究方向：材料加工工程。