不同焊接工藝對鎳基合金焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響

張丹萍，江國焱，何 冰

（東方電氣（廣州)重型機器有限公司，廣東 廣州 511455）

INCONEL 690鎳基合金組織為面心立方結(jié)構(gòu)的單相奧氏體組織，含鉻量高，具有優(yōu)異的耐晶間腐蝕、縫隙點蝕和應(yīng)力腐蝕的性能，在高溫高壓環(huán)境下，焊縫金屬具有較高強度、高塑性、高韌性等優(yōu)異的機械性能特點，被廣泛用于三代先進(jìn)壓水堆核島主設(shè)備的關(guān)鍵部件，包括表面耐蝕層堆焊、接管安全端焊縫等。

但是，由于INCONEL 690鎳基合金對P，S，Pb，Zr，B，Bi等雜質(zhì)元素敏感，在焊縫凝固時形成低熔點共晶體，容易產(chǎn)生熱裂紋等缺陷。

同時，在焊接過程中熔池黏度大，流動性不好，焊縫中易產(chǎn)生氣孔（N2，CO2，O2）、未熔合、DDC裂紋等缺陷，會引起焊縫金屬拉伸性能降低。

此外，Nb，Ti，Al，Mn等合金元素對鎳基合金的抗拉強度有著至關(guān)重要的影響。有試驗證明，雖然Nb的加入可以提高強度，并降低遷移碳化物Cr23C6的析出，降低DDC敏感性，但當(dāng)Nb含量超過2%后，析出相粗化，對晶界的釘扎作用減弱，與脆性金屬間化合物L(fēng)aves相同時形成，對材料的塑性和強度造成損害。當(dāng)Ti/Al含量比高時，會形成Ni3Ti粗大片狀相，導(dǎo)致強度和韌性急劇下降。

除了鎳基合金焊絲本身化學(xué)成分的差異，焊接工藝方法、焊接參數(shù)（熱輸入）、層間溫度、母材的成分都會對焊縫金屬強度造成較大的影響。鎳基合金導(dǎo)熱性差，焊接過程中采用高熱輸入極易引起熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化，降低焊縫金屬強度。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試板采用帶鎳基隔離層的碳鋼試板（材質(zhì)：SA-516Gr.70+690鎳基合金焊條堆焊的鎳基隔離層），試板厚度20mm；焊接材料采用當(dāng)前國際主流供應(yīng)商美國SMC公司生產(chǎn)的INCONEL 690鎳基合金焊絲（商業(yè)牌號Inconel 52M）。為了盡可能獲得較多的數(shù)據(jù)，選擇3個不同批次、但化學(xué)成分相近的典型Inconel 52M焊絲進(jìn)行焊接，焊絲化學(xué)成分見表1。

表1 試驗焊絲Inconel 52M化學(xué)成分

1.2 試驗方法

試驗前，母材試板采用同一批次的690鎳基合金焊條堆焊3層隔離層后，按照圖1進(jìn)行機加坡口。

試驗采用表2中的不同TIG焊焊接工藝，分別使用3個批次的Inconel 52M進(jìn)行平焊位置對接焊。

表2 試驗的不同焊接工藝參數(shù)

圖1 試驗焊接坡口示意圖

焊接完成后，將試板鋸切分開，其中一半用于焊態(tài)，另一半進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，熱處理制度為保溫溫度595℃～620℃，保溫時間40h。

分別對焊態(tài)和消應(yīng)力熱處理態(tài)下的未稀釋熔敷金屬，按照拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)AWS B4.0M-2000和ASTM E21-1998進(jìn)行室溫和350℃高溫拉伸試驗。

2 結(jié)果分析

2.1 焊接工藝對INCONEL690焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響

圖2 不同TIG焊工藝對室溫抗拉強度的影響

圖3 不同TIG焊工藝對高溫350℃抗拉強度的影響

1#、2#、3#三個不同批次焊絲按照不同焊接工藝焊接后，其未稀釋焊縫金屬在焊態(tài)和消應(yīng)力熱處理態(tài)下室溫和350℃抗拉強度試驗結(jié)果見圖2和圖3。

本試驗設(shè)置的手工TIG和冷絲直流TIG焊接工藝的焊接熱輸入相近，其中冷絲直流TIG焊在4個焊接工藝中熱輸入最小。

從試驗結(jié)果可以看出：手工TIG和冷絲直流TIG焊焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度相近，且抗拉強度最高，室溫抗拉強度均在625MPa以上，可以滿足所有國際通用標(biāo)準(zhǔn)鎳基合金焊絲的強度要求。

本試驗設(shè)置的冷絲脈沖TIG焊接工藝，焊接熱輸入比手工TIG焊和冷絲直流TIG焊的熱輸入量大。

從試驗結(jié)果可以看出：該焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度較手工TIG和冷絲直流TIG焊接工藝下的試驗結(jié)果有所下降，但仍可以滿足不同標(biāo)準(zhǔn)體系對鎳基合金焊絲的強度要求。

本試驗設(shè)置的熱絲TIG焊接工藝，焊接熱輸入最高。從試驗結(jié)果可以看出，該焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度明顯下降，但無法滿足焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。然而，熱絲TIG焊接工藝有焊接效率高、焊縫純凈度高、焊縫質(zhì)量優(yōu)良的特點，因此，在熱絲TIG焊接工藝的使用上，需要考慮焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

2.2 消應(yīng)力熱處理狀態(tài)對抗拉強度的影響

為清晰對比不同消應(yīng)力熱處理狀態(tài)下的焊縫金屬抗拉強度情況，將試驗數(shù)據(jù)與消應(yīng)力熱處理狀態(tài)的關(guān)系用圖4和圖5表示。

圖4 不同消應(yīng)力熱處理狀態(tài)對室溫抗拉強度的影響

圖5 不同消應(yīng)力熱處理狀態(tài)對高溫抗拉強度的影響

從關(guān)系圖中可以看出：在相同焊接工藝下，雖然消應(yīng)力熱處理狀態(tài)下的焊縫金屬室溫抗拉強度比焊態(tài)下的焊縫金屬室溫抗拉強度要高一些，但影響不大，強度提高趨勢不明顯，平均相差不超過10MPa。

3 結(jié)論

通過對INCONEL 690鎳基合金焊絲進(jìn)行不同TIG焊接工藝方案下的焊縫金屬拉伸試驗，得到試驗結(jié)果如下。

（1）不同焊接工藝對鎳基合金焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響很大。手工TIG焊和冷絲直流TIG焊接工藝下，焊縫金屬抗拉強度最高，冷絲脈沖TIG焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度次之，而熱絲TIG焊工藝下的焊縫金屬抗拉強度最低。

（2）對于相同成分的INCONEL690鎳基合金焊絲，在四種焊接工藝中，冷絲脈沖TIG焊和熱絲TIG焊，可以使得其焊縫金屬的室溫抗拉強度和高溫抗拉強度下降幅度達(dá)到150MPa。

（3）消應(yīng)力熱處理對鎳基合金焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響不大，消應(yīng)力熱處理狀態(tài)下的焊縫金屬室溫抗拉強度比焊態(tài)下的焊縫金屬室溫抗拉強度要高一些，但強度提高趨勢不明顯，平均相差不超過10MPa，對高溫抗拉強度的影響則更加不明顯。