鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2焊接工藝及接頭性能

李戰(zhàn)斌， 徐兵， 徐祥久,2， 閆國斌

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2屬于固溶強化Ni-Cr-Mo型鎳基合金，主要通過添加Cr，Mo，Nb等合金元素進行固溶強化，具有面心立方晶格，金相組織為奧氏體[1-2]，具有優(yōu)良的耐高溫性能和耐蝕性能，同時保持著良好的高溫和低溫力學性能，塑性、韌性優(yōu)良，因此SB-444 N06625 Gr.2被廣泛適用于核工業(yè)、石化設備、航空航天等領域。

SB-444 N06625 Gr.2合金元素種類較多，凝固過程中合金元素和雜質元素強烈偏析，從而增大凝固裂紋的敏感性，焊接過程中極易出現(xiàn)熱裂紋[3-4]。因此，對SB-444 N06625 Gr.2進行焊接工藝研究及焊接接頭性能研究是保證產(chǎn)品焊縫質量的關鍵。

1 焊接性分析

試驗采用型號為SB-444 N06625 Gr.2的鋼管，規(guī)格為φ219 mm×20 mm，供貨狀態(tài)為固溶退火態(tài)。根據(jù)鋼管的化學成分選擇匹配的焊材，氬弧焊焊絲采用ERNiCrMo-3，直徑為φ2.4 mm；焊條采用ENiCrMo-3，直徑為φ3.2 mm。鋼管、焊絲和焊條熔敷金屬的化學成分見表1。由SB-444 N06625 Gr.2的化學成分可見，SB-444 N06625 Gr.2添加的合金種類較多，合金元素Ti，Mn，Nb可以降低材料的熱裂紋敏感性和減少氣孔的產(chǎn)生[5]。Ti和Nb作為穩(wěn)定化合金元素，與鎳形成面心立方晶格，抑制碳的有害影響，提高抗晶間腐蝕能力；Cr，Mo可以形成碳化物強化晶界，可以增加其高溫性能和耐蝕性； Co提高鎳基合金的耐高溫能力[6]。然而，S，B，P等不利元素能與Ni形成低熔點共晶體，在晶界形成一層液態(tài)薄膜，在拉應力的作用下易形成結晶裂紋，使鎳基合金焊縫的熱裂紋傾向增大。多元素復合強化也使SB-444 N06625 Gr.2液態(tài)焊縫金屬粘性大，流動性差、熔深淺、焊接時易出現(xiàn)焊接熱裂紋、氣孔、未焊透、咬邊、夾渣等缺陷。

表1 SB-444 N06625 Gr.2鋼管化學成分與焊材熔敷金屬化學成分(質量分數(shù)，%)

焊接SB-444 N06625 Gr.2時試件表面要保證高度清潔，防止表面氧化物和雜物進入熔池。焊前可采用專用砂輪打磨坡口，必要時用酒精或丙酮擦拭干凈，焊接過程中注意保護焊道以免氧化，并仔細打磨去除層道間焊接缺陷及氧化物。

2 焊接工藝

焊接工藝試驗采用管子對接試件，焊接方法為鎢極氬弧焊和焊條電弧焊，焊接坡口如圖1所示，在平焊位置進行焊接。

圖1 焊接坡口

采用鎢極氬弧焊焊接2層，首層保證單面焊雙面成形，為防止背面焊縫氧化，背面氬氣保護至少保持到第2層焊接完畢；第3～8層采用焊條電弧焊，使用φ3.2 mm焊條填充和蓋面，具體焊接工藝參數(shù)見表2。焊接過程中控制層間溫度上限為150 ℃。鎢極氬弧焊收弧時電流衰減時間為4～5 s，可有效避免收弧時出現(xiàn)弧坑裂紋，并且收弧時持續(xù)的氣體保護有利于避免焊縫金屬氧化；焊條電弧焊時輕微擺動以便焊道成形。

表2 焊接工藝參數(shù)

3 試驗方法

對試件進行無損檢驗，然后采用WE-60型液壓萬能材料試驗機進行4組彎曲試驗；采用WE-60型液壓萬能材料試驗機進行2組拉伸試驗；采用AXIOVERT200MAT型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進行宏觀、微觀檢驗；采用THVS-50型維氏硬度計進行硬度測試；采用YT-4B型智能型晶間腐蝕試驗裝置和WYE-S100型晶間腐蝕彎曲試驗機，進行晶間腐蝕試驗。

4 試驗結果

4.1 無損檢驗

對焊縫進行100%RT和100%PT檢驗，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.2 接頭力學性能檢驗

彎曲試驗彎心直徑為40 mm，彎曲角度為180°，試驗結果顯示4組彎曲試樣拉伸面焊縫和熱影響區(qū)均無開口缺陷。室溫條件下進行拉伸試驗，抗拉強度分別為786 MPa和752 MPa，高于母材標準抗拉強度下限值(690 MPa)，斷裂位置均在母材上。對SMAW部位焊接接頭進行硬度檢驗，結果見表3，焊縫硬度高于母材及熱影響區(qū)。

表3 硬度檢驗結果 HV10

4.3 宏觀檢驗

對焊接接頭進行宏觀檢驗，如圖2所示。焊縫層道分布清晰，焊道間不存在未熔合、未焊透的現(xiàn)象，焊縫和熱影響區(qū)均無裂紋、氣孔等缺陷；焊道呈凸起狀，與母材圓滑過渡，焊縫成形較好。

圖2 宏觀照片

4.4 微觀金相檢驗

對焊接接頭進行微觀金相組織檢驗，包括母材、焊縫和熱影響區(qū)，如圖3所示。圖3a為母材金相組織，母材組織為致密均勻的奧氏體晶粒。圖3b為焊縫金屬金相組織。焊縫為奧氏體柱狀晶，焊縫熔化金屬作為奧氏體開始凝固，在焊縫冷卻過程中奧氏體是唯一穩(wěn)定的相，并且在室溫下顯微組織為柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。焊縫冷卻過程中形成凝固亞晶粒，以枝狀晶形式存在，合金元素在枝狀晶形成過程中產(chǎn)生偏析，導致枝狀晶邊界元素含量高，產(chǎn)生明顯的凝固亞晶界。圖3c為熱影響區(qū)金相組織。熱影響區(qū)范圍較小，熱影響區(qū)組織為單相奧氏體晶粒，未見明顯析出相。在多層多道焊熱輸入影響下，熱影響區(qū)中存在局部細晶區(qū)，部分晶粒尺寸與母材相比變大。

圖3 金相組織照片

4.5 晶間腐蝕試驗

在焊接接頭后焊面向下取2個晶間腐蝕試樣，其規(guī)格為80 mm×20 mm×3.5 mm。經(jīng)過650 ℃×2 h敏化處理后，放在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸進行晶間腐蝕試驗，通過彎曲試樣判斷晶間腐蝕傾向。在放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，如圖4所示。這與SB-444 N06625 Gr.2通過合金化的途徑提高了耐蝕性能相關，奧氏體基體中較高的Ni，Cr，Mo含量使鎳基合金具有很強的耐腐蝕性能。

5 結論

采用手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊組合的焊接方法，進行焊接工藝評定試驗，可以獲得無損檢驗合格的鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2焊接接頭。焊接接頭的力學性能優(yōu)良，彎曲試樣未發(fā)現(xiàn)缺陷，抗拉強度高于母材抗拉強度下限值，焊縫組織為奧氏體，宏微觀組織完好無缺陷，抗晶間腐蝕性能優(yōu)良，滿足工程應用要求。