離心鑄造HP系耐熱合金爐管的焊接性分析

王成

【摘 要】HP系耐熱合金主要應(yīng)用于乙烯裂解爐爐管，制氫、合成氨和甲醇催化轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管， HP系耐熱合金爐管采用離心鑄造工藝，其C、Cr、Ni合金含量較高，爐管的焊接存在一定的困難。因此本文分析了HP系鑄造耐熱合金的焊接性，焊接性主要包括熱裂紋、氣孔、晶間腐蝕等問題。重點(diǎn)分析了焊接熱裂紋的產(chǎn)生原因，并提出了防止焊接熱裂紋產(chǎn)生的措施。

【關(guān)鍵詞】HP系耐熱合金 離心鑄造 爐管焊接性 防止措施

【Abstract】The main application of HP heat resistant alloy in ethylene cracking furnace tube，hydrogen， ammonia and methanol reformer tube and transformation. HP is a heat resistant alloy furnace tube using centrifugal casting process. The higher the C， Cr， Ni alloy， furnace pipe welding is difficult.So this paper analyzed the weldability of centrifugally casted HP heat resistant alloy pipe. And the weldability mainly includes the thermal cracks， pores， intergranular corrosion， etc. Focus on the analysis of the causes of welding hot crack， put forward to prevent welding hot cracks.

【Keywords】HP heat resistant alloy；Centrifugal casting；furnace pipe welding；Prevention measures

HP系列合金是高溫承壓用離心鑄管材料，我國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《HG/T 2601-2000 高溫承壓用離心鑄造合金爐管》規(guī)定有34種耐熱合金爐管，ZG45Ni35Cr25是Cr25Ni35成分的HP合金基本牌號(hào)。通過添加不同微量元素衍生的HP合金在本質(zhì)上可分為兩類：第一類通過添加Nb和W元素來改進(jìn)其蠕變斷裂性能，第二類是在第一類的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加入Ti等微合金元素[1-4]，進(jìn)一步改善晶粒的大小來提高材料的高溫性能。主要牌號(hào)有ZG40Ni35Cr25Nb、ZG40Ni35Cr25NbW、ZG10Ni35Cr25Nb、ZG45Ni35Cr25NbM、ZG40Ni35Cr25W4等。國內(nèi)成熟應(yīng)用于乙烯裂解爐爐管，制氫、合成氨和甲醇催化轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管等的材料主要是HP系耐熱合金 [5，6]。但由于HP系耐熱合金爐管采用離心鑄造工藝，其C、Cr、Ni合金含量較高，焊接性主要有熱裂紋、氣孔和晶界腐蝕。特別是熱裂紋傾向較大 [7-10]。因此本文主要分析HP系鑄造耐熱合金的焊接性，重點(diǎn)分析了焊接熱裂紋的產(chǎn)生原因，并提出了防止焊接熱裂紋產(chǎn)生的措施。

1 HP系耐熱合金的焊接性

1.1 熱裂紋

HP系鑄造耐熱合金的化學(xué)成分如表1所示。該合金中較高的C和Ni元素，容易造成焊縫及近縫區(qū)的熱裂紋及液化裂紋。根據(jù)文獻(xiàn)[11]爐管金相組織為奧氏體基體上鑲嵌著網(wǎng)狀碳化物及由基體中析出的一部分碳化物組成。從該合金的物理性能來看，合金具有導(dǎo)熱系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)大和冷收縮率高的特點(diǎn)，在焊接過程中會(huì)造成HAZ高溫或高溫停留時(shí)間過長，較大熱應(yīng)力的作用和焊接殘余應(yīng)力的存在，這是產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。從組織來看，鑄造微觀組織方向性強(qiáng)，合金元素容易發(fā)生偏析，焊縫及HAZ在熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力的作用下有較大的熱裂紋傾向[12]。

1.2 焊縫氣孔

焊前若工件表面潮濕，油垢、鐵銹和氧化皮等清理不干凈，在焊接加熱過程中這些雜質(zhì)被吸附和分解成氫、水氣。特別在高溫液態(tài)下， 焊接熔池能溶解較多的氫、氧、氮等氣體。另由于鎳基高溫合金密度大，熔池流動(dòng)性較差，氣體的逸出會(huì)受到較大影響，因此焊后容易形成氣孔。

手工鎢極氬弧焊時(shí)若工藝措施及操作不當(dāng)也會(huì)形成氣孔。氬氣純度不純不僅會(huì)造成合金元素的氧化燒損，而且焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)氧化物煙霧、鎢極表面變黑，焊縫表面成形不良且容易產(chǎn)生氣孔。其次是打底焊時(shí)未提前在內(nèi)部充氬氣保護(hù)，或在充氬保護(hù)時(shí)間過短，在未將空氣排干凈時(shí)就開始焊接，也會(huì)出現(xiàn)上述情況。另外焊工操作不當(dāng)，氬氣效果保護(hù)不好而造成空氣侵入，也會(huì)造成氣孔。

1.3 晶間腐蝕

加熱時(shí)，過飽和的C以Cr23C6的形式沿晶界析出。Cr23C6析出消耗了大量的鉻，因而使晶界附近的鉻含量降到低于鈍化所需的最低的鉻含量，則在晶界表面形成了貧鉻層。貧鉻層的電極電位比晶粒內(nèi)低得多。當(dāng)金屬與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)，就形成了微電池，電極電位低的晶界成為陽極，則被腐蝕溶解。晶間腐蝕對(duì)高溫合金的耐腐蝕性能有嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致晶界弱化，材料的耐蝕性降低。

2 熱裂紋影響因素

2.1 合金元素對(duì)熱裂紋的影響

有關(guān)合金元素對(duì)焊接熱裂紋的影響相當(dāng)復(fù)雜，HP系耐熱合金對(duì)焊接熱裂紋的影響元素如下：

（1）Nb的加入可明顯減少熱裂紋的出現(xiàn)，在合金中Nb的含量隨著Ni/Fe比例發(fā)生變化，一般Ni/Fe比例越高則所需Nb的含量就增加。

（2）S對(duì)焊接熱裂紋的影響比其他合金元素更為敏感。S的溶解度很小，但卻容易形成晶界偏析，產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的硫化物，如Ni-S共晶熔點(diǎn)為645℃，Ni-P共晶熔點(diǎn)為880℃，比Fe-S、Fe-P共晶的熔點(diǎn)更低，危害性也更大，促進(jìn)結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。因此必須在焊接材料、焊接過程中嚴(yán)格控制硫的含量。

（3）P的影響與硫相似，主要是與鎳形成低熔點(diǎn)共晶物偏析于晶界，形成有害的易熔晶界層，促使焊接熱裂紋的產(chǎn)生。

（4）鎳容易與硫、磷、硅、鉛等多種雜質(zhì)元素形成低熔點(diǎn)共晶，如Ni+Ni3S2（645℃），Ni十Ni3P（880℃）， Fe+FeS （988℃）等。由于鎳基合金中合金元素焊接時(shí)的凝固組織近似于不發(fā)生相變的方向性強(qiáng)的單相奧氏體柱狀晶組織，促使雜質(zhì)偏析，在焊接應(yīng)力的作用下，熱裂敏感性很大，工藝稍有不當(dāng)，就會(huì)在收弧處和焊道中心產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

（5）C與Cr、Mo、Ti、V、Nb等形成一次碳化物M7C3和NbC。在高溫時(shí)效過程中，基體中過飽和的固溶碳以細(xì)小彌散的M23C6析出，這對(duì)合金的強(qiáng)度是有利的。但碳含量過高，會(huì)產(chǎn)生二次碳化物大量析出及粗化，這種碳化物會(huì)降低合金的韌性，對(duì)焊接性非常不利。

2.2 晶界上的碳化物對(duì)熱裂紋的影響

引起液化裂紋的液膜主要是晶界上的碳化物相（MC或M6C）和γ'相。其原因主要有：① 由于焊接熱循環(huán)作用，低熔點(diǎn)共晶在碳化物相（MC或M6C）和γ'相相界形成，這些低熔點(diǎn)共晶在焊接應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生液化裂紋。且碳化物和γ'形成元素的含量越多，液化裂紋傾向越嚴(yán)重。②Ti是形成γ'相的主要元素，且Ti含量越高時(shí)液化裂紋傾向越嚴(yán)重。③Nb是γ'、γ"的形成元素，隨著Nb含量的增加，液化裂紋的敏感性也會(huì)增大[13]。

3 熱裂紋的防止措施

3.1 焊縫金屬化學(xué)成分的控制

限制有害雜質(zhì)特別是S、P含量是提高抗裂性的首要條件。鎳含量越高，越應(yīng)該嚴(yán)格控制S、P等有害雜質(zhì)元素的含量。同時(shí)，加入穩(wěn)定δ相的元素如Cr、Si、Mo、Ti、V等，可減少熱裂傾向。在焊縫金屬中加入少量的Ce、Zr等微量元素，可以細(xì)化晶粒，也可以減少熱裂紋敏感性。適當(dāng)提高M(jìn)n含量，硫化物FeS·MnS中的MnS占比例增多，同時(shí)硫化物由鏈狀或網(wǎng)狀分布在晶界逐漸變?yōu)榍驙罨蛄?，使其呈不連續(xù)地分布，可以有效的減少熱裂傾向[14]。

3.2 焊縫組織的控制

調(diào)整焊縫化學(xué)成分，控制焊縫金屬的Cr/Ni比，使焊縫金屬出現(xiàn)雙相組織。文獻(xiàn)提出，含Ni量超過15%的奧氏體鋼不能依靠采用γ+δ雙相組織來提高抗裂性[15]。HP系耐熱合金焊縫組織的控制最好使其成為奧氏體+一次碳化物（記為γ+C1 ）或奧氏休+一次硼化物（記為γ十B1） 的雙相組織。這種雙相組織對(duì)于提高焊縫的抗熱裂紋能力是有效的，而且又不會(huì)損害其高溫性能。

3.3 焊接工藝

HP合金鑄件目前使用較廣泛的焊接方法是焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。文獻(xiàn)[16]實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向與金屬在結(jié)晶過程中形成的一次結(jié)晶的晶粒有關(guān)，一次結(jié)晶的晶粒越粗大，柱狀晶方向越明顯，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向就越大。但只要采取合適的焊接工藝焊縫質(zhì)量完全可以滿足要求。張展宇等人采用氬弧焊成功焊接了φ120mm×6.3mm的HP40Nb爐管對(duì)接接頭[17]。蘭寶彤等人用國產(chǎn)焊絲焊接了HP-Nb合金的爐管接長對(duì)接焊縫和爐管與法蘭的異質(zhì)接頭焊縫[5]。焊接過程中應(yīng)采用線能量小的焊接方法，同時(shí)用高Cr， Ni以及含較高碳化物穩(wěn)定元素的焊條或焊絲，減少Cr23C6的沉淀析出，形成同母材成分相匹配的焊縫。此外，一般不要預(yù)熱。加快焊縫冷卻速度可以減少偏析，提高抗熱裂能力。

4 結(jié)語

（1）HP系耐熱合金爐管焊接接性主要包括熱裂紋、氣孔、晶間腐蝕等方面，其中焊接熱裂紋是其存在的主要問題。

（2）HP系耐熱合金中的C、Ni、Nb、S、P等元素對(duì)熱裂紋有一定的影響。同時(shí)HP系耐熱合金晶界上的碳化物相（MC或M6C）和γ'相也會(huì)引起熱裂紋。

（3）從焊縫金屬化學(xué)成分的控制、焊縫組織的控制以及焊接工藝等措施可以有效的減少或防止熱裂紋的產(chǎn)生。

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