ENiCrFe-3、ENiCrMo-3鎳基合金異種鋼焊縫力學(xué)性能研究

◎ 謝新苗劉雁楊易坤

一、引言

石油化工壓力容器制造的過(guò)程中，經(jīng)常遇到異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，由于異種鋼焊接時(shí)存在焊縫合金成分與基材成分的差異，受基材厚度、焊縫結(jié)構(gòu)、焊接參數(shù)等因素影響，母材熔化區(qū)域和熔敷金屬的互相稀釋作用將發(fā)生變化，造成焊接接頭部位的成分、組織和性能嚴(yán)重不均勻，影響焊接接頭質(zhì)量。而且在異種鋼焊接過(guò)程中，不同材質(zhì)的鋼材膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱性能均存在一定的差異，使得焊接接頭出現(xiàn)殘余應(yīng)力，影響接頭性能。為解決以上問(wèn)題，由于鎳基合金可消除脫碳層及其良好的塑形，現(xiàn)經(jīng)常將鎳基合金應(yīng)用到異種鋼焊接工藝中，可以有效的避免焊縫金屬稀釋以及化學(xué)成分改變所帶來(lái)的影響，對(duì)接頭部位的穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量均可帶來(lái)明顯的提升。

ENiCrFe3、ENiCrMo3是常用于異種鋼對(duì)接的鎳基合金焊材類別，如某壓力容器的低合金鋼筒節(jié)與不銹鋼接管焊接接頭（見圖1），該接頭基材金屬有15CrMoR、S32168、S30403，焊接接頭成分將更加復(fù)雜，因此該接頭采用了先堆焊ENiCrFe3合金隔離層，之后繼續(xù)用ENiCrFe3焊接坡口的接頭型式。

ENiCrFe3、ENiCrMo3鎳基合金均為固溶強(qiáng)化鎳基合金，雖然固溶在焊態(tài)下的力學(xué)性能常常是足夠的，但有時(shí)為了消除殘余應(yīng)力、降低氫含量或均勻顯微組織，鎳基合金焊縫會(huì)經(jīng)歷焊后熱處理[3]。為確認(rèn)和對(duì)比ENiCrFe3、ENiCrMo3鎳基合金的焊接性能及焊后熱處理對(duì)焊縫性能的影響，現(xiàn)通過(guò)兩組焊接試驗(yàn)以期獲得鎳基全焊縫金屬在焊態(tài)及模擬焊后熱處理態(tài)的拉伸性能、沖擊性能數(shù)據(jù)。

圖1 壓力容器異種鋼焊接接頭型式示例

二、焊接試驗(yàn)

1.試板準(zhǔn)備及焊接。鎳基合金的液相流動(dòng)性較差，在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)小氣孔和微小的熱裂紋，影響焊接質(zhì)量。因此需要選擇高質(zhì)量的鎳基合金材料，在焊接期間需控制熱輸入，選擇合適的焊接速度，且堆焊隔離層后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)合格后進(jìn)行接頭焊接。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，本次ENiCrFe3、ENiCrMo3鎳基合金焊接試驗(yàn)選用的焊接材料分別為TechROD182Φ4、GEN-CM3Φ4，以上兩種焊材已按標(biāo)準(zhǔn) ASMEB&PVC，Sec。ⅡPartCSFA-5。11復(fù)驗(yàn)并驗(yàn)收合格，其未經(jīng)稀釋焊縫化學(xué)成分詳見表1、表2。通過(guò)焊接規(guī)范的調(diào)試，最終確定采用的焊接參數(shù)見表3所示。

表1 ENiCrFe3未經(jīng)稀釋焊縫化學(xué)成分Wt/%

表2 ENiCrMo3未經(jīng)稀釋焊縫化學(xué)成分Wt/%

表3 焊接工藝參數(shù)

本次試驗(yàn)焊接ENiCrFe3、ENiCrMo3試板各一件，兩件試板采用同樣的焊接過(guò)程及規(guī)范。首先將45mm厚低合金鋼鋼板（材質(zhì)：12Cr2Mo1VR）單側(cè)加工V型坡口，堆焊隔離層前嚴(yán)格徹底的清理工件，避免雜質(zhì)影響焊接效果，堆焊鎳基隔離層后再次加工坡口，加工后保證鎳基隔離層厚度≥6mm。鎳基隔離層的首層堆焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度為≥120℃，層間溫度為≤250℃。其余鎳基堆焊層及組焊不需預(yù)熱，層間溫度＜100℃。裝配試板后進(jìn)行鎳基焊縫焊接，焊接接頭型式如圖2所示。焊接后去除襯板并打磨圓滑，與母材的原始表面平齊。

圖2 焊接試板簡(jiǎn)圖

2.試板解剖。為檢測(cè)鎳基合金焊后熱處理后室溫強(qiáng)度、延性和沖擊韌性的變化，在ENiCrFe3、ENiCrMo3試板焊接完成后分別在焊縫厚度方向的相同位置取焊態(tài)、模擬焊后熱處理試樣進(jìn)行試驗(yàn)，取樣位置及數(shù)量如試板解剖圖（圖3）所示。試板解剖取樣后，焊態(tài)試樣直接進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，模擬焊后熱處理試樣進(jìn)爐模擬焊后熱處理后進(jìn)行試驗(yàn)，焊后熱處理參數(shù)選用試板母材（12Cr2Mo1VR）焊后最小熱處理規(guī)范705±14℃*8h，熱處理工藝詳見圖4。

圖3 ENiCrFe3/ENiCrMo3試板解剖圖

圖4 模擬焊后熱處理工藝

3.拉伸試驗(yàn)。將試樣按GB/T228.1的要求進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，試樣的抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME B&PVC，Sec.ⅡPartCSFA-5.11A的要求（標(biāo)準(zhǔn)要求ENiCrFe3焊縫抗拉強(qiáng)度≥550MPa，A≥30%；ENiCrMo3焊縫抗拉強(qiáng)度≥760MPa，A≥30%）。通過(guò)對(duì)比焊態(tài)與模擬焊后熱處理態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度，可以看出模擬焊后熱處理對(duì)ENiCrFe3、ENiCr-Mo3焊縫強(qiáng)度有明顯的影響，其中ENi-CrFe3試板焊縫在模擬焊后熱處理后抗拉強(qiáng)度較焊態(tài)提高約80MPa，ENiCrMo3焊縫在模擬焊后熱處理后抗拉強(qiáng)度較焊態(tài)提高約50MPa。

表4 拉伸性能

4.沖擊試驗(yàn)。將試樣按GB/T229的要求進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果表明模擬焊后熱處理對(duì)ENi-CrFe3、ENiCrMo3焊縫沖擊性能影響較小，經(jīng)模擬焊后熱處理的試樣沖擊功與焊態(tài)試樣相比降低約20J。

表5 沖擊性能

三、結(jié)論

1.通過(guò)兩組焊接試驗(yàn)可以得出ENi-CrFe3、ENiCrMo3焊縫焊態(tài)及模擬焊后熱處理態(tài)的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)歷705℃*8h焊后熱處理會(huì)對(duì)ENiCrFe3、ENi-CrMo3焊縫力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，熱處理后焊縫強(qiáng)度升高、沖擊功降低，如焊縫必須經(jīng)歷焊后熱處理以降低殘余應(yīng)力，為防止脆化應(yīng)仔細(xì)控制好熱處理。

2.ENiCrMo3焊縫的室溫沖擊功較ENiCrFe3低，且經(jīng)歷熱處理后抗拉強(qiáng)度較高，ENiCrFe3焊縫經(jīng)歷熱處理后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于ENiCrMo3焊縫。如鎳基合金焊接接頭焊后需經(jīng)歷705℃*8h熱處理，推薦采用ENiCrFe3合金焊接異種鋼焊縫。