N08825 鎳基合金等離子+機(jī)械氬弧組合焊接工藝研究

劉玉祥

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

等離子焊接方法相對于傳統(tǒng)的GTAW、SMAW焊接方法具有更高的焊接效率，對于厚度≤8 mm 的對接焊縫，可以不開坡口直接焊接，可以節(jié)約焊接材料成本以及人工成本。對于貴金屬材料的焊接，采用等離子+機(jī)械氬弧組合焊接工藝，能節(jié)約更多的成本并保證焊接質(zhì)量。

1 N08825 鎳基合金

N08825 鎳基合金滿足ASME II 卷B 篇SB-424標(biāo)準(zhǔn)，N08825 合金具有良好的耐氧化物應(yīng)力腐蝕及氧化-還原性復(fù)合介質(zhì)的腐蝕，多用于熱交換器及冷凝器、含多種離子的硫酸環(huán)境、油氣集輸管道用復(fù)合管內(nèi)襯[1]。

1.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

SB-424 N08825 鎳基合金化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2 所示。

表2 力學(xué)性能Tab.2 Mechanical property

1.2 焊接性分析

N08825 鎳基合金其基體組織為奧氏體組織，因此不具有冷裂紋傾向，但N08825 鎳基合金具有一定的熱裂紋傾向。N08825 鎳基合金焊接時(shí)，雜質(zhì)元素S 在焊縫金屬中偏析，并且S 元素與Ni、Fe 形成低熔點(diǎn)共晶體，在奧氏體組織完全凝固結(jié)晶時(shí)，低熔點(diǎn)共晶體處于液態(tài)薄膜狀態(tài)，在焊接拉應(yīng)力的作用下開裂[2]。N08825 鎳基合金中含有少量的Si 元素，Si 元素的存在也增加了熱裂紋的敏感性。針對N08825 鎳基合金焊接熱裂紋問題，焊接時(shí)應(yīng)采用合適的焊接線能量焊接，焊接過程中需要嚴(yán)格控制道間溫度。

1.3 焊接材料的選擇

根據(jù)N08825 鎳基合金主要化學(xué)成分Ni、Fe、Cr、Mo、Cu 的含量，選擇ERNiFeCr-1 焊絲焊接，ERNiFeCr-1 焊絲化學(xué)成分與N08825 鎳基合金相匹配。ERNiFeCr-1 焊絲滿足ASME II.C SFA-5.14標(biāo)準(zhǔn)要求，ERNiFeCr-1 焊絲抗拉強(qiáng)度的下限值為550 MPa，而N08825 鎳基合金抗拉強(qiáng)度的下限值為586 MPa，因此使用ERNiFeCr-1 焊絲焊接N08825鎳基合金時(shí)，ERNiFeCr-1 焊絲抗拉強(qiáng)度須不低于586 MPa。

2 等離子+機(jī)械氬弧組合焊設(shè)備

等離子+機(jī)械氬弧組合焊采用伸縮臂操作機(jī)、滾輪架工作站的形式，如圖1 所示，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備筒體縱縫及環(huán)縫的焊接。該工作站由兩臺伸縮臂操作機(jī)、1 副滾輪架、1 部等離子焊接電源、1 部機(jī)械氬弧焊接電源、焊槍水冷系統(tǒng)、等離子+機(jī)械氬弧電源控制系統(tǒng)組成，等離子焊槍與機(jī)械氬弧焊槍縱向布置，等離子焊焊接后，再進(jìn)行機(jī)械氬弧焊焊接。

圖1 焊接設(shè)備Fig.1 Welding equipemnt

3 影響等離子焊接因素

3.1 等離子焊電弧類型

等離子焊電弧分三種形式：非轉(zhuǎn)移型等離子電弧、聯(lián)合型等離子電弧、轉(zhuǎn)移型等離子電弧。非轉(zhuǎn)移型等離子電弧主要用于非金屬材料的焊接，聯(lián)合型等離子電弧主要用于電流低于30A 以下的微束等離子焊接，轉(zhuǎn)移型等離子電弧主要用于金屬材料的焊接[3]，因此N08825 鎳基合金焊接采用轉(zhuǎn)移型等離子電弧焊接。

3.2 等離子氣

等離子焊接的等離子氣通常有純氬氣、95%氬氣+5%氫氣等選擇。純氬氣是最常用的等離子氣，氬氣為惰性氣體，在任何溫度下都不與母材產(chǎn)生化合物，氬氣的低電離電壓能確?？煽康钠鸹。峁┝己玫碾娀》€(wěn)定性。95%氬氣+5%氫氣等離子氣中的氫氣可提高對熔池的熱輸入量，改善電弧的滲透力及熔池的流動性，但與純氬等離子氣相比，采用95%氬氣+5%氫氣的等離子氣時(shí)，焊槍噴嘴零件消耗較多，并且起弧相對困難?？紤]到N08825 鎳基合金焊縫液態(tài)金屬流動性差的原因，采用95%氬氣+5%氫氣作為等離子氣焊接N08825 鎳基合金更為合適。

3.3 焊接保護(hù)氣體

等離子焊接保護(hù)氣體通常有純氬氣、95%氬氣+5%氫氣、純氦氣、75%氦氣+25%氬氣等選擇。純氬氣作為保護(hù)氣，其熔池的流動性可能稍微差點(diǎn)，容易引起焊縫邊緣凹陷。當(dāng)采用95%氬氣+5%氫氣作為保護(hù)氣時(shí)，其中的氫氣增加了熔池的熱量，液態(tài)金屬流動性好，避免焊縫邊緣凹陷，可獲得平整的焊道，氫氣也能降低熔池的表面張力，有益于熔池中的氣體逸出。純氦氣、75%氦氣+25%氬氣多用于鋁合金、銅合金的焊接，由于其氣體具有更高的熱量，能保證導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁合金、銅合金焊透。以上四種保護(hù)氣價(jià)格從低到高依次為純氬氣、95%氬氣+5%氫氣、純氦氣、75%氦氣+25%氬氣，對于N08825材料的等離子焊接保護(hù)氣體，選擇氬氣的方案從成本上考慮是可以接受的。

3.4 等離子噴嘴

等離子噴嘴是等離子焊槍產(chǎn)生等離子弧的關(guān)鍵零件之一，對電弧直徑起機(jī)械壓縮的作用，是一個(gè)水冷噴嘴。噴嘴孔徑dn與孔道長度L是噴嘴的兩個(gè)重要尺寸，常以L/dn來表示等離子弧的壓縮特征。噴嘴孔徑越小，孔道越長，對等離子弧的壓縮能力越好，穿透能力越強(qiáng)。當(dāng)采用大電流焊接時(shí)，一般使用φ3.2 mm、φ3.5 mm、φ4.0 mm 規(guī)格的噴嘴，孔道比約1.0～ 1.2。

3.5 噴嘴距離

噴嘴到工件表面的距離是等離子焊接的重要參數(shù)之一，等離子電弧挺度高，電弧擴(kuò)散角小，電弧基本呈圓柱形輪廓，噴嘴距工件表面的距離過大，電弧穿透能力下降；距離過小，則易造成液態(tài)熔池飛濺，影響焊接質(zhì)量，并造成噴嘴孔道堵塞，噴嘴距工件表面的距離一般3～ 8 mm 為宜。

3.6 等離子焊接電流

在等離子焊接過程中，和其他電弧焊焊接方法一樣，焊接電流增加，熔透能力則加強(qiáng)。等離子焊接電流過小，不能形成有效的熔透小孔，電流過大，又將因?yàn)榈入x子熔池小孔直徑過大而使熔池金屬墜落。等離子焊接電流通常是根據(jù)板厚來選定的，板的厚度增加，相應(yīng)地增加焊接電流，并匹配好相應(yīng)的焊接速度以及等離子氣流量，方可保證焊接質(zhì)量。

4 等離子焊接坡口

對于3～ 8 mm 的板厚，等離子焊接不需要開坡口，對于厚度10～ 16 mm 的板需要開坡口焊接，等離子焊接坡口精度要求高，坡口應(yīng)采用機(jī)械加工的方法加工。坡口組對時(shí)，要盡可能地降低錯(cuò)邊及坡口間隙，過大的錯(cuò)邊及間隙影響焊接電弧的穩(wěn)定性，容易形成燒穿或起泡的缺陷，坡口縱向、厚度方向的錯(cuò)邊及坡口間隙均應(yīng)不超過0.5 mm，等離子焊常用的坡口形式如圖2 所示。

圖2 坡口形式 Fig.2 Groove type

5 焊接工藝評定試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用16 mm 的N08825 板材，坡口形式如圖3 所示，焊接順序?yàn)橄韧鈧?cè)等離子焊接1 區(qū)，機(jī)械氬弧蓋面焊2 區(qū)，試板翻轉(zhuǎn)，機(jī)械氬弧焊接3 區(qū)，如圖4 所示。焊接試板在正式焊接之前，先在焊接參數(shù)調(diào)試試板上進(jìn)行參數(shù)調(diào)試試驗(yàn)，調(diào)試出焊接電流、焊接速度、等離子氣流量匹配的參數(shù)后，對評定試板正式焊接，焊接時(shí)試板兩側(cè)板端需加引弧板、熄弧板，等離子焊接與機(jī)械氬弧焊均采用加絲焊接，焊材ERNiFeCr-1/φ1.2 mm，具體的焊接參數(shù)如表3 所示。

圖3 焊接坡口Fig.3 Welding groove

圖4 焊接順序Fig.4 Welding sequence

表3 焊接參數(shù)Tab.3 Welding parameters

6 無損檢測

試 板 焊 接 后，按 照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100% RT-II 級檢測和100% PT-I 級檢測，檢測結(jié)果合格。

7 理化試驗(yàn)

7.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

評定試板按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橫向板狀拉伸、側(cè)向彎曲試驗(yàn)，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充了宏觀金相、微觀金相、ASTM G28 A 法及ASTM A262C 法晶間腐蝕試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)及化學(xué)成分檢測試驗(yàn)。

7.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4～5，試驗(yàn)結(jié)果滿足NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)的要求，拉伸、彎曲試樣如圖5～6 所示。

圖5 拉伸試樣Fig.5 Tensile specimen

圖6 側(cè)彎試樣Fig.6 Side bend specimen

表4 板狀拉伸試驗(yàn)Tab.4 Tensile test

表5 側(cè)向彎曲試驗(yàn) Tab.5 Side bend test

7.3 金相試驗(yàn)

按照GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了宏觀及微觀金相試驗(yàn)。試樣經(jīng)打磨拋光后，用王水溶液浸蝕，在顯微鏡下，對宏觀金相試樣放大10 倍觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，宏觀金相照片如圖7 所示。在顯微鏡下，對微觀試樣放大200 倍觀察，焊縫、熱影響區(qū)均未見顯微裂紋及其他缺陷，微觀照片如圖8～11 所示。

圖7 宏觀金相Fig.7 Macro-metallography

圖8 GTAW 焊縫微觀金相 Fig.8 GTAW weld seam micro-metallography

圖9 PAW 焊縫微觀金相Fig.9 PAW weld seam micro-metallography

圖10 GTAW 熱影響區(qū)微觀金相 Fig.10 GTAW HAZ micro-metallography

圖11 PAW 熱影響區(qū)微觀金相 Fig.11 PAW HAZ micro-metallography

7.4 腐蝕試驗(yàn)

按照ASTM G28《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性檢測的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中的A 法，試樣在經(jīng)沸點(diǎn)硫酸-硫酸鐵溶液中腐蝕120 小時(shí)后，等離子與機(jī)械氬弧焊接接頭的腐蝕率分別為0.120 mm/ a和0.121 mm/a。按照ASTM A262《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感程度的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》中的C 法，試樣在65%硝酸沸騰溶液中腐蝕48 小時(shí)5 個(gè)周期后，等離子與機(jī)械氬弧焊接接頭的平均腐蝕率分別為0.074 mm/ a 和0.077 mm/a。以上兩種腐蝕方法的腐蝕率均能滿足設(shè)計(jì)通常要求為0.6 mm/a 的合格指標(biāo)。

7.5 硬度試驗(yàn)

硬度檢測按照ISO 9015-1《金屬材料焊接的破壞性試驗(yàn).硬度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，硬度試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示，測量位置上表面為等離子焊接方法，根部位置為等離子與機(jī)械氬弧焊交界處，下表面位置為機(jī)械氬弧焊接方法。從表6 的數(shù)據(jù)中可以看出，焊縫金屬及熱影響區(qū)的硬度與母材相比均未有較大的變化，證明焊縫及熱影響區(qū)沒有高硬度脆性相析出。

7.6 焊縫金屬化學(xué)成分

焊縫金屬的化學(xué)成分如表7 所示，表7 化學(xué)成分與表1 中SB-424 N08825 母材標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分對比，各化學(xué)元素的含量均能滿足表1 的要求，證明N08825鎳基合金焊接選用ERNiFeCr-1 焊材的合理性。

表7 焊縫金屬化學(xué)成分Tab.7 Weld seam chemical composition %

8 結(jié)論

（1）通過對等離子焊接影響因素的分析，選擇合理的焊接工藝參數(shù)，采用與母材化學(xué)成分相匹配的焊材，焊接工藝評定試板經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)、宏觀、微觀、腐蝕試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)的驗(yàn)證，N08825 鎳基合金采用等離子+機(jī)械氬弧組合焊接工藝能滿足標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能要求及設(shè)計(jì)要求。

（2）N08825 鎳基合金采用ERNiFeCr-1 焊材焊接，等離子與機(jī)械氬弧焊焊接接頭均具有良好的耐腐蝕 性。

（3）N08825 鎳基合金等離子+機(jī)械氬弧組合焊接試驗(yàn)的成功提高了N08825 鎳基合金產(chǎn)品的焊接效率，節(jié)約了人工成本以及焊材成本。