鎳基合金NO6600和NO6625氧氣管線焊接工藝探討

于秀平

山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司 山西太原 030012

1 NO6600 和NO6625 材料理化性能

N06600 是鎳-鉻-鐵基固溶強(qiáng)化合金，具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能、優(yōu)良的冷熱加工和焊接性能，在700℃以下具有良好的熱強(qiáng)性和熱塑性。NO6625 是鎳-鉻-鉬基固溶強(qiáng)化合金，屬于一種對各種腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金。合金的強(qiáng)度源于鎳鉻合金中所含的鉬、鈮固溶體強(qiáng)化效應(yīng)。兩種材料的物理和機(jī)械性能見表1，化學(xué)成分見表2 和表3。

表1 N0660 和NO6625 材料的物理及機(jī)械性能

表2 NO6600 的化學(xué)成分表

表3 NO6625 的化學(xué)成分表

因N0660 和NO6625 材料具有良好的耐還原、氧化、氮化介質(zhì)腐蝕的性能，優(yōu)良的耐干燥氯氣和氯化氫氣體腐蝕的性能，以及在室溫和高溫時都具有很好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能和機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于煤化工、石油化工、生物化學(xué)、冶煉、航空航天等領(lǐng)域，特別是在高溫下具有極佳的耐氧化性，因而作為高級耐熱合金被廣泛應(yīng)用到氧氣輸送管道系統(tǒng)。

2 鎳基合金材料應(yīng)用簡述

陽煤太化新材料氣化技改工程中，其外界氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器加熱后輸送至氣化爐燒嘴，氧氣管線采用NO6600 和NO6625 鎳基合金鋼管，設(shè)計(jì)溫度為200℃，設(shè)計(jì)壓力為9.13MPa，管道類別為GC1，最大公稱管徑250mm，無損檢測要求100%RT 檢測，Ⅱ級合格。工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 氣化技改工程流程示意圖

3 焊接工藝特性分析

鎳基合金在焊接過程易出現(xiàn)焊縫氣孔、焊接熱裂紋、未熔合、變形量過大和咬邊等缺陷，其中危害較大的是焊縫氣孔和焊接熱裂紋。

3.1 焊接熱裂紋

鎳基合金N06600、N06625 材料焊接時，具有較高的焊接熱裂紋敏感性，裂紋一般以弧坑裂紋和焊道裂紋形式出現(xiàn)。這主要是由于熔敷金屬凝固時，硫、鉛、磷或低熔點(diǎn)共晶化合物的液態(tài)膜殘留在晶界區(qū)，在收縮應(yīng)力的作用下而開裂。其次，若焊接坡口及兩側(cè)的污物清理不干凈，油污中的硫會導(dǎo)致鎳基合金焊縫產(chǎn)生熱裂紋。再次，如果收弧時沒有填滿弧坑和電流衰減時間較短，收弧處熔敷金屬量不足，焊縫表面凸凹不平會引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。此外，如果焊接電流過大，焊接速度較慢，即焊接線能量較大，層間溫度過高會使焊接接頭過熱產(chǎn)生粗大晶粒， 在粗大晶粒邊界上集中了一些強(qiáng)度低、脆性大的低熔點(diǎn)共晶體，在焊接應(yīng)力的作用下很容易形成熱裂紋。

3.2 焊縫氣孔

焊縫氣孔形成的主要原因：一是氧氣、氫氣等在熔化的液態(tài)鎳基合金中溶解度極大， 而在固態(tài)溶解度大大減小，鎳基合金焊接過程中從高溫變冷時，氣體在熔敷金屬的溶解度也隨之下降， 游離出來的氣體在流動性較差的液態(tài)鎳中不能在鎳基合金焊縫凝固前完全逸出而形成氣孔；二是焊接坡口及其兩側(cè)的油污、水分、氧化層清理不干凈；三是焊接電流及電弧電壓較低，焊接速度過快，即焊接線能量低；此外，焊槍氣體保護(hù)噴嘴直徑較小，保護(hù)氣體流量過低，氣體純度不高，以及焊條烘干不合格也會造成焊縫氣孔。

4 焊接工藝措施

4.1 焊接作業(yè)準(zhǔn)備

（1）在焊接作業(yè)前，必須進(jìn)行焊接工藝評定，并編制焊接工藝操作規(guī)程；

（2）焊接操作人員必須持證上崗，并經(jīng)考試合格；

（3）焊接機(jī)械必須驗(yàn)收合格；

（4）編制焊接作業(yè)專項(xiàng)方案。

4.2 坡口形式的選擇

由于鎳基合金熔焊與鋼相比導(dǎo)熱性差、熔透性低，易形成道間和層間熔合不良。為保證熔透，坡口形式應(yīng)選用大角度和小鈍邊的V 型坡口。坡口采用機(jī)械加工方法加工，管道切口表面應(yīng)平整，無裂紋、重皮、毛刺和氧化物等。坡口形式見圖2。

圖2 坡口形式示意圖

4.3 焊前清理

清潔徹底是成功焊接鎳基合金的重要條件。焊件表面的污染物大都是其表面氧化皮和能夠引起焊件脆化的元素，其中表面氧化皮（主要是氧化鎳）的熔點(diǎn)要高于母材的熔點(diǎn)，故在焊接過程中焊縫金屬當(dāng)中會形成細(xì)小的不連續(xù)的氧化物或者夾渣，從而對焊接的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。坡口及其兩側(cè)的污物若清理不干凈，油污中的硫也會引起鎳基合金焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

為降低污物對氧氣管道焊接的影響，在進(jìn)行焊接前應(yīng)用不銹鋼絲刷和砂輪片將坡口內(nèi)外壁20mm 范圍內(nèi)進(jìn)行處理，將污物、毛刺等去除；而后，以丙酮清洗劑對坡口表面和層間進(jìn)行清洗。

4.4 焊接方法和焊材選用

（1）焊接方法選擇: 管徑小于等于DN50 采用鎢極氬弧焊；管徑大于DN50 采用氬電聯(lián)焊。

（2）焊材選擇：N06600 焊接，焊絲選用ERNi-Cr-3，焊條選用或ENiCrFe-3；N06625 焊接，焊絲選用ERNiCrMo-3，焊條選用ENiCrMo-3。采用鎢極氬弧焊打底焊時，焊縫背面應(yīng)采取氬氣保護(hù)措施，焊接過程中，焊絲的加熱熔化端應(yīng)始終置于保護(hù)氣中。鎢極氬弧焊保護(hù)氣體采用氬氣，純度為99.99%。焊條烘烤按照生產(chǎn)廠家要求，焊條在施焊過程中使用保溫筒保持焊條干燥。焊材表面的油污，可用丙酮清洗劑溶液去除。

4.5 焊接工藝

選用較小的焊接電流、較低的電弧電壓和較快的焊接速度，并采取短弧不擺動或小擺動的操作方法，同時應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度在100℃以下，避免焊接接頭過熱產(chǎn)生熱裂紋。焊縫多層焊時，宜采用多道焊。底層焊道完成后，應(yīng)用放大鏡檢查焊道表面。每一焊道完成后，均應(yīng)徹底清除焊道表面的熔渣和各種缺陷，并且各層焊道的接頭應(yīng)錯開。焊前預(yù)熱不要求，但當(dāng)焊件溫度低于15℃時，應(yīng)對焊縫兩側(cè)300mm 范圍內(nèi)加熱至15～20℃。

氬弧焊接前要在管子內(nèi)焊口附近制作氣室，氣室內(nèi)充氬氣將空氣置換干凈后（用干凈的棉布繩在根部塞嚴(yán)，并留一小口作為排空氣及施焊位置，邊揭開棉布繩邊焊），再進(jìn)行焊接。管內(nèi)充氬流量不宜太大，焊接過程充氬流量選擇6～10L/ min，以不使焊縫出現(xiàn)內(nèi)凹為準(zhǔn)。鎢極氬弧焊焊槍盡量垂直于焊件，這樣能更好地控制熔池的大小，可使噴嘴氬氣均勻地保護(hù)熔池不被氧化，焊槍噴嘴氬氣流量一般為10～12L/ min 為宜。鎳基材料導(dǎo)熱性、鐵水流動性不好，容易熱量集中。所以，焊接時采用小電流，且擺幅不宜過大，兩邊應(yīng)稍作停頓，確保兩邊熔好。在填絲過程中，焊絲不得與鎢極接觸，否則會造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩(wěn)定。焊絲加熱端部應(yīng)置于保護(hù)氣體中，重新焊接前焊絲端部應(yīng)剪去。

焊條電弧焊填充、蓋面焊接，要采用較小熱輸入、短弧、小擺動的操作方法，以保持電弧電壓的穩(wěn)定。每一層焊道完成后，均應(yīng)徹底清除焊道表面的熔渣并進(jìn)行檢查，消除各種表面缺陷，檢查合格后方可焊接下一層。焊件表面不得有電焊擦傷，不能在焊件表面引弧和熄弧。收弧時應(yīng)將弧坑填滿，弧坑不要急速冷卻，防止弧坑熱裂紋。多層焊的層間接頭應(yīng)相互錯開，每條焊縫應(yīng)一次連續(xù)焊完。焊件完畢后，要及時清理焊縫表面的熔渣及飛濺，焊后不宜做焊后熱處理。焊接管徑較小時， 宜采取在焊縫兩側(cè)加裝冷卻銅塊或用濕布擦拭焊縫兩側(cè)等措施，以減少焊縫的高溫停留時間，加快焊縫冷卻速度。

焊縫表面成形的控制：焊縫應(yīng)凸起，不得使焊縫拉平或凹下。由于鎳基合金表面張力大、流動性差、粘性大、不易成形、易產(chǎn)生氧化等原因，在焊縫平坦或凹下的情況下，容易產(chǎn)生裂紋。

管道對接焊縫焊接工藝參數(shù)見表4 和表5。

表4 N06600 管道對接焊縫焊接工藝參數(shù)

表5 N06625 管道對接焊縫焊接工藝參數(shù)

焊接完畢后， 必須及時將焊縫表面的熔渣及周圍的飛濺物清理，焊后表面還應(yīng)進(jìn)行酸洗鈍化處理。

5 結(jié)語

以工程實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，通過對鎳基合金NO6600和NO6625 材質(zhì)理化性能總結(jié)，分析了鎳基合金氧氣管道焊接性能，進(jìn)而對管道焊接工藝進(jìn)行了探討和研究，旨在為提高鎳基合金氧氣管道焊接質(zhì)量，確保氧氣管線系統(tǒng)安全可靠提供保障。