690鎳基合金焊接缺陷分析及控制

李洪濤

摘 要： 690鎳基合金由于其具有良好的耐高溫和耐腐蝕性能，其焊接結(jié)構(gòu)廣泛用于航空航天、電力和化工等領(lǐng)域。由于其材料本身的材料冶金特點，出現(xiàn)焊接缺陷的幾率較高，給設(shè)備制造增加了難度，同時對設(shè)備運行也帶來了一定的安全隱患。本文結(jié)合690鎳基合金材料特點及工程應(yīng)用經(jīng)驗對其焊接缺陷及控制措施進行分析，主要包括材料概述、缺陷類型分析、原因及控制措施等。希望通過本次的研究與分析，可以為690鎳基合金焊接質(zhì)量的提升及其良好應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：690鎳基合金;焊接缺陷

前言：

690 鎳基合金抗晶間腐蝕、縫隙點蝕和應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)異，在高溫下能保持較高的塑性和韌性，在核電工程中主要應(yīng)用于核島一回路的重要位置，例如：異種金屬接管安全端、蒸汽發(fā)生器傳熱管和一次側(cè)封頭分隔板、反應(yīng)堆壓力容器驅(qū)動管座和堆芯支承結(jié)構(gòu)等。690型鎳基合金屬鎳鉻鐵型合金，組織為面心立方結(jié)構(gòu)的單相奧氏體組織。主要成分見表1，主要力學性能參數(shù)見表2。

690鎳基合金對P，S，Pb等雜質(zhì)元素敏感，在焊縫凝固時易形成低熔點共晶體，產(chǎn)生熱裂紋缺陷;在焊縫應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生高溫失塑裂紋（DDC）[1]。同時由于材料的熔化特點，在焊接過程中熔池黏度大，流動性不好，焊縫中易產(chǎn)生微小夾渣。對于焊接條件以及焊接參數(shù)都比較敏感，加之其應(yīng)用條件要求嚴苛，對于焊接接頭具有極高的要求。

一、缺陷分析及控制措施

（一）缺陷分析

在690 鎳基合金焊接工程應(yīng)用中，主要的無損檢測手段為表面滲透探傷和體積射線探傷，根據(jù)工程統(tǒng)計，射線探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷較少，表面滲透探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷較多，由于缺陷尺寸小，大多數(shù)情況下體積射線探傷不能發(fā)現(xiàn)。通過對缺陷的進一步分析，滲透探傷缺陷主要為微小裂紋、夾渣及裂紋和夾渣的共生缺陷，見圖1。

（二）原因及控制措施

根據(jù)科學研究及工程實踐，出現(xiàn)裂紋和夾渣的原因主要有雜質(zhì)元素、焊接應(yīng)力和焊接工藝三個方面，下面詳述其影響及控制措施。

（1）雜質(zhì)元素的影響及控制

690鎳基合金對P，S，Pb等雜質(zhì)元素敏感，應(yīng)對材料的雜質(zhì)元素進行嚴格控制。針對690鎳基合金材料及焊材應(yīng)控制雜質(zhì)元素的含量，建議S元素含量≤0.010%（wt%），P元素含量≤0.015%（wt%）。針對待焊異種金屬材料如碳鋼、低合金鋼、耐熱鋼、奧氏體不銹鋼等應(yīng)控制雜質(zhì)元素的含量，建議S含量盡量≤0.010%（wt%），P元素含量≤0.020%（wt%）。

針對焊材的表面清潔度也應(yīng)進行控制，特別是光焊絲/焊帶的表面，不應(yīng)有灰塵、油污、用手直接接觸等，長時間不使用應(yīng)重新進行包裝。針對待焊母材表面的清潔度也應(yīng)注意，確保無水分、油污、灰塵、標記筆等。盡量在清潔工作區(qū)內(nèi)實施焊接，待焊母材的清潔度可用白布擦拭的方式進行測試。焊接過程中焊道表面的氧化物應(yīng)及時進行打磨去除，減少焊縫中的微小夾渣。

（2）焊接應(yīng)力的影響及控制

根據(jù)相關(guān)研究，焊接應(yīng)力升高會增加焊縫的熱裂紋及DDC傾向[2]。焊接接頭應(yīng)盡可能允許自由變形，在低拘束狀態(tài)下進行焊接，獲得較低的內(nèi)部殘余應(yīng)力，有利于減少焊接裂紋的產(chǎn)生。若采用非熔化極氣體保護焊，在保證熔合的前提下，應(yīng)盡可能的增加填絲量，獲得較飽滿的凸形焊道，降低單個焊道表面在凝固和冷卻過程中的焊接應(yīng)力。在工件邊緣位置的焊道受應(yīng)力集中的影響較大，極易產(chǎn)生裂紋，若必須在工件邊緣位置的焊接，邊緣應(yīng)盡可能預(yù)留加工余量，在焊接完成后去除邊緣位置的問題焊道。

（3）焊接工藝的影響及控制

針對焊接工藝方面，焊接電流、熱輸入及道間溫度的增加會增大焊縫組織的晶粒度，焊縫性能會相應(yīng)降低，結(jié)晶裂紋傾向增加。焊接過程中應(yīng)盡可能采用較小的焊接電流、焊接熱輸入及道間溫度進行焊接。由于手工非熔化極惰性氣體保護焊手工填絲速度較慢且不均勻、焊接速度控制不均勻，不建議在設(shè)備制造中大量采用這種焊接方法實施690鎳基合金的焊接。

針對焊接操作方面，由于鎳基合金焊接熔池流動性差，為了保證熔合，不應(yīng)增加焊接電流，可進行小幅度擺動（不超過填充金屬3倍寬度）焊接。采用惰性氣體保護焊，保護氣體純度應(yīng)在99.999%以上，特別對工件邊緣位置的焊接應(yīng)采取措施確保良好的氣體保護效果。鎳基合金焊接容易出現(xiàn)弧坑裂紋，采用焊條電弧焊或非熔化極惰性氣體保護焊在收弧時應(yīng)進行填弧坑操作或設(shè)置緩變?；?，避免弧坑裂紋，若存在目視可見的裂紋應(yīng)立即進行打磨去除。

（4）滲透探傷偽缺陷及控制

由于鎳基合金塑性好，690鎳基合金焊縫的表面狀態(tài)對滲透探傷結(jié)果也會造成影響，焊縫表面采用顆粒度較粗的打磨工具處理后，在微觀下發(fā)現(xiàn)可形成微小的毛刺，在滲透探傷時導致偽缺陷的產(chǎn)生，建議最終表面的處理盡量選擇顆粒度較細的工具進行處理，可以減少滲透探傷偽缺陷的產(chǎn)生。

結(jié)束語：

綜上所述，690鎳基合金焊接對比碳鋼、不銹鋼等材料焊接的特點差異較大，直接參考碳鋼、不銹鋼等材料的焊接方式極易產(chǎn)生焊接缺陷。涉及690鎳基合金焊接的相關(guān)單位和技術(shù)人員一定要考慮其材料冶金特點，充分考慮雜質(zhì)元素、焊接應(yīng)力及焊接工藝對鎳基焊縫的影響并加以控制，減少690鎳基合金缺陷的產(chǎn)生，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時降低設(shè)備運行的安全隱患。

參考文獻：

[1]余磊，曹睿，鎳基合金焊接裂紋研究現(xiàn)狀[J].金屬學報，2021（1），16-28.

[2]谷雨，張俊寶，黃逸峰，等. 焊接工藝對690 鎳基合金焊絲熔敷金屬高溫失塑裂紋敏感性影響研究[J].電焊機，2019，49（04）：206-210.