Inconel 625帶極埋弧堆焊管板工藝

王東麗 ，高 磊 ，董 研 ，程 龍

（1.撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧撫順113122；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001）

0 前言

Inconel625屬于鎳-鉻系列固溶強(qiáng)化鎳基耐蝕合金，具有良好的切削加工性能，對大部分酸性溶液都有良好的耐腐蝕性能，且在高溫下可保持較好的機(jī)械性能和抗氧化性能，因此廣泛用于化工設(shè)備、海洋石油、航空航天等領(lǐng)域[1-2]。近年來，隨著石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，當(dāng)面臨高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的苛刻條件時，傳統(tǒng)的不銹鋼制換熱器無法滿足使用要求，促使了Inconel625制換熱器的生產(chǎn)。撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司為寧波中金公司制作的預(yù)加氫進(jìn)料換熱器管板材質(zhì)為16Mn堆焊Inconel625，該設(shè)備管板直徑較大，如果采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊，不但焊接效率低下，而且勞動強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量不易保證，因此選用焊接效率較高的帶極埋弧堆焊。

1 產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)

預(yù)加氫進(jìn)料換熱器是寧波中金石化有限公司芳烴項目三聯(lián)合重整裝置中重要設(shè)備之一，因其管程介質(zhì)的特殊性（管程介質(zhì)為石腦油、氫氣、并含有硫化氫），管程材料選擇UNS N06625，該材料具有優(yōu)異的抗氫及硫化氫的腐蝕性能。產(chǎn)品簡圖見圖1，產(chǎn)品設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 焊接設(shè)備

選用無錫市利達(dá)機(jī)械廠的ZD5-1600型立柱式自動焊接操作機(jī)，其操作簡單、方便、快捷，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。

圖1 預(yù)加氫進(jìn)料換熱器簡圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 母材及焊材

管板材料為16Mn（Ⅳ級鍛件），符合NB/T47008－2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》要求。管板毛坯尺寸φ1 835 mm×298 mm，厚度加12 mm加工余量，直徑加18 mm加工余量。

焊帶為EQ62－50（符合AWS A5.14M的EQNi CrMo－3），規(guī)格60 mm×0.5 mm，配ES200 焊劑（10－60目）；焊劑屬于堿性氟化物燒結(jié)焊劑，脫渣性良好，能夠有效防止合金元素在焊接過程中的燒損，提高堆焊過程的穩(wěn)定性。焊接材料的化學(xué)成分如表2所示。

表2 焊帶和耐蝕層熔敷金屬化學(xué)成分 %

4 焊接工藝

4.1 焊接方法

管板采用帶極埋弧堆焊，與焊條電弧堆焊相比，具有熔敷面積大、熔敷效率高、焊道平整、稀釋率低、成型好以及焊劑損耗少等優(yōu)點[3]。

4.2 工藝參數(shù)

工藝參數(shù)包括焊接電流（單位：A）、電壓（單位：V）、焊接速度（單位：mm/min）、焊道間的搭接量、焊帶的干伸長度、層間溫度等。

焊接電流對熔敷金屬稀釋率的影響較大。隨著焊接電流的增加，熔深和焊帶送進(jìn)速度都有所增加，堆焊層厚度也相應(yīng)增加，稀釋率隨之增大，焊道成形變差[4]。

電壓對堆焊過程的穩(wěn)定性及焊道成形有較大影響。電壓過高會使熔池和焊道的穩(wěn)定性變差，電弧現(xiàn)象增加明顯；電壓過低會造成短路，導(dǎo)致焊帶與母材粘連。鎳基合金黏度大，流動性較差，電弧電壓在30～35 V時，焊道成形良好，渣池穩(wěn)定。

焊接速度對稀釋率和焊道成形的影響較大。隨著焊接速度的增大，堆焊層厚度減小，稀釋率增大。但焊接速度過快，會產(chǎn)生咬邊，形成熔合不良。為了控制稀釋率和獲得好的焊道成形，焊接速度控制在160～180 mm/min為宜。

由于鎳基合金焊帶的電阻大，相比不銹鋼焊帶，需將伸出長度減少1/3～1/2[5]，焊帶干伸長度為20～30 mm，焊道搭接量8～10 mm。另外，應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度小于等于100℃，以減小焊接熱裂紋的敏感性。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 堆焊焊接工藝參數(shù)

4.3 產(chǎn)品堆焊

產(chǎn)品堆焊時，將管板固定在轉(zhuǎn)胎上，由外向內(nèi)進(jìn)行焊接。每圈起始點應(yīng)錯開，當(dāng)直徑小于200 mm時改為焊條、直焊道的堆焊方式，直焊道與最里圈的圓焊道光滑過渡，并使收弧位置在同一側(cè)。堆焊完成后，打磨收弧側(cè)堆焊金屬。這樣整個管板表面堆焊層平整美觀，堆焊質(zhì)量好，堆焊后的管板全貌如圖2所示。

圖2 堆焊后的管板全貌

5 焊接工藝評定

根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，在產(chǎn)品正式焊接前，按NB/T47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)評定管板焊接工藝。焊接工藝評定時所用材料及工藝參數(shù)應(yīng)與產(chǎn)品制造時一致，基層為16Mn（Ⅳ級鍛件），規(guī)格為 40mm×200mm×300 mm。

5.1 評定過程

試件采用EQ62－50焊帶配ES200焊劑堆焊2層，堆焊層總厚度8 mm，滿足圖紙堆焊層厚度6 mm的要求。每道堆焊后用紅外線測溫儀測量其道間溫度，確保溫度控制在100℃以內(nèi)。

5.2 檢測內(nèi)容

根據(jù)工藝評定要求和Inconel625材料特點進(jìn)行宏觀表面檢測、無損檢測、彎曲試驗檢測、硬度檢測、金相組織分析、化學(xué)成分分析及腐蝕試驗等。

5.2.1 宏觀檢測

試件焊接完成后進(jìn)行外觀宏觀檢測，焊縫外觀成形良好，無裂紋、夾渣、咬邊及氣孔等缺陷。焊接完成后表面存在金屬氧化色，采用不銹鋼絲刷進(jìn)行清理，直至露出金屬光澤，符合評定標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2.2 無損檢測

試件每堆焊一層后應(yīng)進(jìn)行PT和UT檢測，堆焊層表面無裂紋和氣孔，堆焊層和基層無未熔合及分層現(xiàn)象，符合JB/T4730.3－2005《承壓設(shè)備無損檢測第3 部分：超聲檢測》[6]和 JB/T4730.5 －2005《承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲透檢測》的標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

5.2.3 彎曲試驗

按照NB/T47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品的技術(shù)協(xié)議取4個3 mm厚側(cè)彎試樣和4個10 mm厚側(cè)彎試樣進(jìn)行試驗，彎軸直徑d分別為 12 mm、40 mm，彎曲角度 α=180°。

8個試樣均完好無開裂。側(cè)彎表面中間的夾層沒有凸起現(xiàn)象，說明第一層焊層與母材熔合良好，如圖3所示。

5.2.4 金相組織及化學(xué)成分分析

與沉淀強(qiáng)化型鎳基合金相比，固溶強(qiáng)化型鎳基合金Inconel625焊接接頭組織較為簡單，焊縫形成過程就是金屬從熔化到凝固的過程。當(dāng)焊接熔池冷卻速度非?？鞎r，由于晶內(nèi)偏析，焊縫會形成層狀組織，如果偏析嚴(yán)重，則會在枝晶狀組織之間生成共晶組織；焊接工藝參數(shù)若選擇不恰當(dāng)，也會影響焊接接頭的力學(xué)性能和腐蝕性能[8－9]。在焊縫的熔合區(qū)附近，由于組織過熱促使晶粒長大，隨著溫度升高某些相的溶解度會發(fā)生變化，不可避免地出現(xiàn)不均勻的組織性能，因此焊接時焊材成分應(yīng)盡量與母材成分相同，這樣可以很好地降低組織的不均勻性，提高焊接接頭的性能。管板堆焊的金相組織如圖4所示。

圖3 彎曲試樣外觀

圖4 堆焊組織

由圖4c可知，試件的熔合區(qū)和焊縫均無微型裂紋，組織均勻。經(jīng)測量，堆焊層最小厚度為9 mm，達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求。試件母材組織為帶狀珠光體+鐵素體和少量滲碳體（見圖4a），硝酸酒精對鐵素體和滲碳體的腐蝕性弱于對珠光體的，因此在金相顯微組織中它們呈白色；而鐵素體晶界處主要為珠光體，容易被腐蝕，呈黑色。焊接時相當(dāng)于對熱影響區(qū)組織進(jìn)行了二次熱處理，不但抑制了晶界處珠光體的成核及長大，促進(jìn)熱影響區(qū)組織向奧氏體轉(zhuǎn)變，還使得奧氏體晶粒粗大，如圖4b、4c所示。堆焊層為樹枝狀的奧氏體組織（見圖4d），這是由于堆焊層在凝固開始和結(jié)束時都為全奧氏體組織，隨著奧氏體相的析出凝固，雜質(zhì)及合金元素在焊縫中逐漸形成偏析，其在奧氏體組織內(nèi)的擴(kuò)散能力降低，使得凝固結(jié)束后偏析的輪廓得以保留。由以上分析可知，堆焊試件的組織分布良好，符合評定標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求。

堆焊層化學(xué)成分見表2中的“熔敷金屬”。

5.2.5 硬度檢測

采用顯微硬度檢測方法進(jìn)行硬度檢測，設(shè)定壓力0.981 N，載荷100 gf，持續(xù)時間10 s，目鏡放大倍數(shù)為40，堆焊試件的硬度如圖5所示。

由圖5可知，堆焊層硬度大于基體硬度，熔合區(qū)硬度也高于基體，但略低于堆焊層，這是由于組織受熱長大引起的。

5.2.6 晶間腐蝕試驗

按照GB/T15260-1994《鎳基合金晶間腐蝕試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行腐蝕試驗，試樣在Cu-CuSO4-16%H2SO4溶液中加熱至微沸狀態(tài)持續(xù)24 h后，取出進(jìn)行彎曲試驗，彎曲角度180°，彎曲后用10倍放大鏡進(jìn)行目視檢查，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，試樣合格。

圖5 堆焊硬度

6 結(jié)論

所有堆焊層理化性能均符合標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議的要求。利用該工藝在預(yù)加氫進(jìn)料換熱器的兩塊管板上施焊，堆焊層結(jié)合面和表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋和超標(biāo)缺陷，說明此鎳基合金埋弧帶極堆焊工藝是合理的。因此，鎳基合金埋弧帶極堆焊時嚴(yán)格按工藝要求對工件表面進(jìn)行打磨清理，采用合理的焊接順序，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，就能夠解決鎳基合金埋弧帶極堆焊時裂紋、氣孔、夾渣、腐蝕等缺陷，焊出合格的焊縫。