適合全位置焊接的ENiCrFe-3焊條的研制

陳燕 張學(xué)剛 陳波 陳佩寅 徐鍇

摘要：針對目前國產(chǎn)ENiCrFe-3焊條難以適應(yīng)全位置焊接，工程上主要依賴進(jìn)口焊條的現(xiàn)狀，開展了ENiCrFe-3焊條國產(chǎn)化研究。結(jié)果表明，通過控制藥皮中多種氟化物、碳酸鹽的比例，加入適量的重稀土氧化物，優(yōu)化焊縫中Mn，Cr，Nb等元素的含量。研制的ENiCrFe-3焊條具有良好的全位置焊接工藝性，與進(jìn)口焊條相當(dāng)，其優(yōu)良的力學(xué)性能、抗熱裂紋性能及抗晶間腐蝕性能均滿足技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：鎳基合金焊條;全位置焊接;抗熱裂紋性能;抗晶間腐蝕性能

中圖分類號：TG 422

Abstract：Aiming at the current situation that domestic electrode ENiCrFe-3 is difficult to adapt to all position welding and imported electrode is widely used in engineering. The results showed that nickel base alloy covered electrode ENiCrFe-3 for all position welding was developed by reasonably adjusting the ratio of several carbonates， fluorides and a small amount of heavy rare earth oxides and controlling alloying element content of Mn， Cr， Nb and other elements in the electrode covering. Developed ENiCrFe-3 electrode exhibited good technological performances in all position welding which is equivalent to the similar foreign product under certain welding process conditions. Its excellent mechanical properties， perfect hot cracking susceptibility and good intergranular corrosion resistance can meet with the requirement.

Key words：nickel base alloy covered electrode; all position welding; hot cracking susceptibility; intergranular corrosion resistance

0?前言

ENiCrFe-3焊條可用于氧化反應(yīng)器、氯化反應(yīng)器及制造再生器等Inconel 600合金的焊接，也可用于Inconel 600合金與碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、其它鎳基合金等異種金屬的焊接及3%，5%Ni低溫容器的焊接[1-3]。目前國產(chǎn)ENiCrFe-3焊條雖然熔敷金屬成分及力學(xué)性能與進(jìn)口焊條區(qū)別較小，但焊接工藝性與進(jìn)口焊條還存在差距，難以適應(yīng)全位置焊接[4]。同時由于工作條件相當(dāng)苛刻[5]，對焊縫的抗晶間腐蝕性能也提出了較高的要求。

工程上目前通常采用進(jìn)口的ENiCrFe-3焊條。為了實現(xiàn)焊接材料的國產(chǎn)化，改善焊條的全位置焊接工藝性，特別是立焊和仰焊工藝性，提高焊條的抗熱裂紋性能及抗晶間腐蝕性能是目前國產(chǎn)ENiCrFe-3焊條亟待解決的主要問題。

1?試驗要求與方法

1.1?技術(shù)要求

熔敷金屬主要化學(xué)成分、焊態(tài)（AW）、600 ℃×16 h焊后熱處理態(tài)（PWHT）下力學(xué)性能的要求，如表1～2所示。彎曲試樣彎曲180°后，拉伸面上不允許出現(xiàn)超過2個長度在0.4～2.5 mm的裂紋。按照GB/T 15260—2016《金屬和合金的腐蝕 鎳合金晶間腐蝕試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中B法的相關(guān)要求進(jìn)行試驗，試驗后的彎曲試樣拉伸面上無晶間腐蝕裂紋或開裂傾向。按照ASTM G28-2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中A法的相關(guān)要求進(jìn)行試驗，腐蝕速率≤12 mm/年。

1.2?試驗方法

采用的焊接方法為焊條電弧焊，其焊接工藝參數(shù)見表3。焊后采用AWS B4.0M-2007《焊縫的機(jī)械測試方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行拉伸及彎曲試驗。按照GB/T 15260—2016《金屬和合金的腐蝕 鎳合金晶間腐蝕試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中的B法，在沸騰的銅-硫酸銅-16%硫酸試驗溶液中進(jìn)行試驗，周期為24 h，試樣狀態(tài)為610 ℃×16 h熱處理+700 ℃×0.5 h敏化。按照ASTM G28-2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中的A法，在沸騰的硫酸鐵-50%硫酸試驗溶液中進(jìn)行試驗，周期為24 h，試樣狀態(tài)為焊態(tài)，試驗過程中要注意觀察溶液顏色的變化。

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?焊條工藝性能

所研制的ENiCrFe-3焊條全位置焊接工藝性能較好。平焊時，焊道平整，電弧穩(wěn)定，飛濺較小，易脫渣;立焊及仰焊時，吹力適中，藥皮熔化較均勻，套筒深度適中，焊縫成形較好。圖1為不同焊條的焊接宏觀形貌。圖1a、圖1c和圖1e分別為采用研制焊條焊后平焊、立焊及仰焊的宏觀形貌，其中立焊工藝性與圖1d的國外ENiCrFe-3焊條工藝性相當(dāng)。圖2為某廠采用 ENiCrFe-3焊條焊接后的宏觀形貌。圖2a為采用 ENiCrFe-3焊條立焊后套筒形貌，深度約為2 mm。圖2b為采用 ENiCrFe-3焊條焊接試件的宏觀形貌。

2.2?力學(xué)性能及抗熱裂紋性能

焊態(tài)、600 ℃×16 h熱處理態(tài)下熔敷金屬的室溫拉伸及沖擊試驗結(jié)果見表4，其中0 ℃，-196 ℃沖擊吸收能量平均值均≥120 J，滿足要求。焊態(tài)、600 ℃×16 h熱處理態(tài)下熔敷金屬側(cè)彎試樣完好，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖3所示。對焊態(tài)拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，典型韌窩形貌，未發(fā)現(xiàn)高溫失塑裂紋（DDC），如圖4所示。2.3?晶間腐蝕試驗

硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗結(jié)束后，采用彎曲法和金相法評定晶間腐蝕傾向。試驗結(jié)果未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向，如圖5所示，滿足技術(shù)要求。

硫酸-硫酸鐵晶間腐蝕試驗過程中，溶液顏色未發(fā)生變化，24 h后試樣表面仍舊光滑，腐蝕速率為0.65 mm/年，滿足要求≤12 mm/年。

2.4?與國外焊條對比

將所研制的ENiCrFe-3焊條與國外同類型焊條進(jìn)行了比較，主要成分及力學(xué)性能見表5～6。結(jié)果表明，研制的焊條熔敷金屬雜質(zhì)元素S，P的含量，主要合金Cr，Nb的含量以及室溫拉伸性能與進(jìn)口焊條相當(dāng)。

3?討論

ENiCrFe-3焊條的研制難點在于提高焊條全位置焊接工藝性，同時還需要重點考慮以下三點：①提高焊條熔敷金屬的抗晶間腐蝕性能;②焊條的抗熱裂紋性能;③滿足熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的前提下，提高低溫沖擊韌性。

為了改善焊條的全位置焊接工藝性，對焊條藥皮中的氟化物、碳酸鹽及氧化物等粉料的加入量進(jìn)行了研究。在藥皮中添加了A，B，C三種氟化物，多次試驗后將三種氟化物的比例調(diào)至5∶1∶1，有利于更好地調(diào)整熔渣的黏度和表面張力，有助于立焊及仰焊時對熔池的控制，從而改善焊條的立焊及仰焊工藝性;添加了大理石和D兩種碳酸鹽，調(diào)整熔渣的熔點和堿度，試驗結(jié)果表明，當(dāng)D的加入量為5%～10%時，能夠進(jìn)一步改善熔渣流動性，提高焊條的仰焊工藝性;同時添加適量的鈦氧化物，易于形成短渣，進(jìn)一步提高電弧的穩(wěn)定性。

為了增強(qiáng)研制焊條的抗晶間腐蝕性能，對熔敷金屬中C，Nb，Cr含量進(jìn)行了合理地控制。鎳基合金中適量的Nb會先于Cr與C形成穩(wěn)定的NbC，抑制晶間腐蝕傾向[6]。同時鎳基合金中增加Cr含量，可以提高晶間貧鉻區(qū)的平衡鉻含量，有利于降低晶間腐蝕傾向[7-8]。

為了提高ENiCrFe-3焊條抗熱裂紋性能，特別是抗高溫失塑性裂紋（DDC），應(yīng)該嚴(yán)格控制熔敷金屬中S，P，Si的含量[9]，同時控制熔敷金屬中Mn，Nb以及Ti的含量，讓析出物對晶界形成釘扎，有效阻止晶界滑移，降低焊縫的DDC敏感性;在焊接工藝上[10]，應(yīng)該采用較小電流和較大焊接速度焊接，嚴(yán)格控制道間溫度，減少熔池的過熱，及時填滿弧坑，從而減少裂紋敏感性。

為了提高熔敷金屬的低溫沖擊韌性，在焊條藥皮中加入適量的重稀土氧化物，抑制焊縫中低熔點共晶的形成，凈化晶界，改變夾雜物形態(tài) [11-12]，提高熔敷金屬的抗熱裂性和低溫沖擊韌性。

4?結(jié)論

（1）研制的ENiCrFe-3焊條能夠?qū)崿F(xiàn)全位置焊接，立焊工藝性與進(jìn)口同類型焊條的工藝性能相當(dāng)，已在多個制造廠得到工程應(yīng)用。

（2）通過優(yōu)化藥皮中氟化物、碳酸鹽的比例，熔敷金屬中Mn，Cr，Nb等元素的含量及焊接工藝，研制的焊條具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗熱裂紋性能及抗晶間腐蝕性能，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)及工程要求。參考文獻(xiàn)

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