C-22耐蝕合金的焊接工藝及接頭性能

孫修圣，劉鴻彥，李衛(wèi)華，杜永勤

南京寶色股份公司，江蘇 南京 211178

0 引言

哈氏合金是美國哈氏合金公司研發(fā)的產(chǎn)品，在使用功能上主要包括高溫合金、耐蝕合金、耐腐蝕磨損合金及一些特殊功能合金，其耐蝕合金的產(chǎn)品中主要包括B、C、D、G四個不同用途的編號系列，哈氏合金C-22就是其C系列中的一種典型牌號產(chǎn)品。哈氏合金C-22屬于一種低碳型鎳-鉻-鉬合金，公稱成分為55Ni-21Cr-13.5Mo，相比其他C系列合金如C-276、C-4等，C-22合金的抗點蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂能力優(yōu)異［1-2］，能適應(yīng)復(fù)雜多樣的環(huán)境，尤其作為C-276的升級產(chǎn)品，解決了C-276合金焊縫處耐腐蝕性能的問題，屬于全能型抗腐蝕合金，常應(yīng)用于煙氣脫硫系統(tǒng)的耐蝕環(huán)境、各種化工催化反應(yīng)環(huán)境及復(fù)雜的制藥反應(yīng)器等復(fù)雜環(huán)境中［3-5］。在新的設(shè)計中也偏向選擇C-22來代替原先使用的C-276合金以增加設(shè)備的可靠性。

C-22合金在焊接熱影響區(qū)有抵抗晶界沉淀形成的能力，使它在焊接狀態(tài)下也能適應(yīng)多種化工過程的應(yīng)用。基于此，在南京寶色股份公司承接的國內(nèi)某石油化工有限公司4 000萬噸/年煉化一體化工程渣油加氫項目中的催化劑反應(yīng)器裝置，該裝置主體設(shè)計選材采用哈氏合金C-22。為確保產(chǎn)品制造質(zhì)量，掌握哈氏合金C-22材料焊接要求，本文主要針對其焊接工藝及接頭性能進(jìn)行研究，為該催化劑反應(yīng)器裝置的順利制造奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料及焊接性

1.1 試驗材料

哈氏合金C-22在美國UNS中編號為N06022，板材標(biāo)準(zhǔn)符合ASME BPVC.Ⅱ.B，SB-575，材料的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 C-22材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of C-22 （wt.%）

表2 C-22的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of C-22

1.2 焊接特點分析

在焊接熔池凝固過程中，C-22合金因熱裂紋敏感元素Ni含量較高，致使雜質(zhì)元素P、S的溶解度大幅降低，進(jìn)一步增加了偏析傾向。隨著柱狀晶的不斷長大，液相中溶質(zhì)元素含量也隨之上升，并在凝固的最后階段在柱狀晶間形成低熔點、低強度的液態(tài)薄膜，這種薄膜具有很差的變形抗力，明顯降低焊縫延性，在工程應(yīng)用的焊接過程中常產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。為減小焊接過程中結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生傾向，除了選擇低P、S的優(yōu)質(zhì)焊接材料及采用小熱輸入焊接［6-7］，還必須控制試板坡口內(nèi)熔敷金屬凝固形成的焊道形狀。本試驗過程中通過右焊法施焊，增加熔敷金屬填充量，并采用不擺動施焊使焊縫表面形成凸形焊道，有效控制了結(jié)晶裂紋的問題。

催化劑反應(yīng)器制造過程中難免會對材料表面帶來污染，如車加工冷卻液、記號筆標(biāo)記、成型潤滑劑、表面氧化皮等。這些污染物在焊前若清理不到位，焊接過程中將熔入熔池，生成脆化或有害元素，進(jìn)而提升焊縫開裂傾向。部分污染物可能形成斷續(xù)細(xì)小的氧化物或夾渣，即使在焊縫無損檢測時也難以及時被發(fā)現(xiàn)，從而影響焊接接頭質(zhì)量。

C-22合金的液態(tài)金屬難以潤濕鋪展，熔池粘稠、流動性差，導(dǎo)致氣體溢出速度變慢，焊道邊緣的液態(tài)金屬無法及時補充，在凝固的焊縫中氣孔和咬邊缺欠傾向增加。這種焊接特性不僅無法通過增大焊接電流的方式改善，反而會產(chǎn)生熔池過熱、冶金過程脫氧劑蒸發(fā)、焊條藥皮過熱脫落等問題，不利于焊接。有研究表明，采用特定熔劑輔助可達(dá)到增加C-22合金焊縫熔深的目的［8］。試驗過程中為了避免氣孔及咬邊缺陷的產(chǎn)生，擬采用較大的坡口角度，使熔池在重力作用下增加流動性，讓液態(tài)金屬及時補充至焊道邊緣，改善咬邊問題。采用機加工方式制備焊接坡口，在焊前嚴(yán)格清理坡口周邊的油脂等臟污，減少油脂等分解物進(jìn)入熔池造成氣孔的產(chǎn)生，同時在進(jìn)行鎢極氬弧焊時，在保護(hù)氣體中適當(dāng)加入H2，提高氣體還原性，減少了氣孔的生成。

2 C-22合金焊接試驗

2.1 焊接坡口確定

焊接試板尺寸為600 mm×125 mm×10 mm。因C-22合金焊接時熔池的流動性差、焊縫熔深淺，焊接接頭要具有良好的電弧可達(dá)性及熔透性，宜采用較寬的開角（60°～70°）、較薄的鈍邊（0～1 mm）及較大的坡口間隙（3～4 mm），并在接頭內(nèi)精確排布焊道；為控制焊接變形，采用X型交替對稱施焊。設(shè)計的坡口形式及焊道次序如圖1所示。

圖1 試板焊道次序示意（單位：mm）Fig.1 Diagram of bead sequence of test plate（Unit：mm）

2.2 焊接方法及材料

為模擬催化劑反應(yīng)器主殼體的制造實際情況，先采用GTAW兩側(cè)打底約3 mm厚后，再使用SMAW進(jìn)行填充蓋面焊接。采用與母材相匹配的焊絲和焊條進(jìn)行焊接。焊絲生產(chǎn)廠家為SMC，牌號ERNiCrMo-10，直徑2.4 mm，符合ASME BPVC Ⅱ.C，SFA-5.14標(biāo)準(zhǔn)要求；焊條牌號為ENiCrMo-10，直徑4.0 mm，符合ASME BPVC Ⅱ.C，SFA-5.11標(biāo)準(zhǔn)要求。焊材的具體化學(xué)成分見表3。

表3 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of welding consumables （wt.% ）

2.3 保護(hù)氣體及層間溫度

保護(hù)氣體的種類同時影響著焊接電弧的引燃及焊接穩(wěn)定性。Ar氣作保護(hù)氣時，產(chǎn)生的電弧柔和平穩(wěn)，穿透性不強較易控制，陰極清洗作用較好且工業(yè)成本較低，所以在工程中使用最廣泛。在Ar氣中加入一定量的H2變成二元混合氣，可以提高弧壓，增大電弧熱功率，使焊接熔透更好，防止產(chǎn)生咬邊及側(cè)壁未熔合；H2屬于還原性氣體，可使焊縫表面成形更加光亮，焊道更均勻美觀。通常添加H2的含量為5%～15%，過多會增加焊縫中氫氣孔的產(chǎn)生傾向，故在C-22合金GTAW打底時擬采用94.99% Ar+5% H2進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為12～15 L/min；背保護(hù)氣仍采用99.99% Ar，氣體流量為≥25 L/min。焊接過程中為防止過熱，影響焊接接頭的耐蝕性能，并控制粗晶及熱裂紋傾向，采用快速焊接并控制層間溫度的方式避免冷卻速度緩慢造成焊接接頭性能弱化，試板施焊過程中嚴(yán)格控制層、道間溫度≤90 ℃。

2.4 焊接工藝參數(shù)

采用GTAW在試板坡口兩側(cè)各打底1層，SMAW在坡口兩側(cè)各填充1層，最后SMAW兩側(cè)分別蓋面，詳細(xì)焊接順序見圖1。采用雙面對稱施焊能更好地控制焊接變形，焊接過程中無需額外的剛性約束，減小焊接應(yīng)力。焊接工藝參數(shù)如表4所示，焊后的試板實物如圖2所示。GTAW打底過程中，焊道魚鱗紋盡量平緩，無明顯凸起，操作時采用微擺動使焊接電弧能夠完全熔透坡口兩側(cè)。在SMAW填充蓋面過程中，需仔細(xì)清理層間渣殼，避免細(xì)碎熔渣熔入后道焊縫。SMAW施焊過程中，焊縫的脫渣性較好，焊道渣殼可自行翹起脫落，由圖2a和2b中可以看出，焊道表面顏色呈現(xiàn)微藍(lán)的色澤，焊道表面在較高溫度時與空氣發(fā)生接觸，出現(xiàn)回火氧化色，這種情況與焊道渣殼的過早脫離也有一定關(guān)系。

圖2 試板焊接Fig.2 welding plate

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters

3 試驗結(jié)果

3.1 無損檢測

對焊縫進(jìn)行外觀檢查，表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見缺陷，焊縫成形均勻，與兩側(cè)母材過渡圓滑。根據(jù)NB/T47013.5—2015對試板進(jìn)行100% PT檢測，無表面缺陷；根據(jù)NB/T47013.2—2015對試板進(jìn)行100% RT檢測，結(jié)果Ⅰ級合格，未顯示內(nèi)在缺陷。

3.2 力學(xué)性能檢測

對試板進(jìn)行室溫橫向和縱向拉伸、彎曲、硬度等力學(xué)性能檢測，如圖3、圖4所示。拉伸和彎曲試驗結(jié)果見表5～表7。

圖3 拉伸試樣Fig.3 Tensile specimens

圖4 彎曲試樣Fig.4 Specimens image after bending test

表5 焊接試板橫向拉伸試驗結(jié)果Table 5 Traverse tensile test results of welding plate

表6 焊接試板縱向拉伸試驗結(jié)果Table 6 Longitudinal tensile test results of welding plate

表7 焊接試板彎曲試驗結(jié)果Table 7 Bending test results of welding plate

根據(jù)檢測結(jié)果可知，兩件室溫橫向拉伸試樣的抗拉強度均高于ASME BPVC.Ⅱ.B-2021/ ASME BPVC.Ⅱ.C-2021標(biāo)準(zhǔn)對母材及焊材熔覆金屬規(guī)定的最小值要求（690 MPa），滿足NB/T47014—2011焊接工藝評定對焊接接頭拉伸試驗的合格指標(biāo)。結(jié)合對接接頭形式，對焊縫熔覆金屬的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測。依照GB/T 228.1—2021 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法沿焊縫取直徑5 mm圓形截面試樣進(jìn)行縱向拉伸檢測，L-3和L-4試樣的抗拉強度分別為781 MPa和785 MPa，相比于橫向拉伸結(jié)果，焊縫熔敷金屬的強度較高，與焊材質(zhì)量證明書中790 MPa的測試結(jié)果基本相當(dāng)。

對比橫向和縱向拉伸結(jié)果及斷裂時試樣狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，焊縫熔敷金屬表現(xiàn)出高強度特性，且屈服強度較高，對塑性變形的抗性較大，斷裂試樣的頸縮情況不顯著，需要對焊接接頭的塑、韌性做進(jìn)一步的試驗。按NB/T47014—2011焊接工藝評定要求，取橫向側(cè)彎試樣4件，按照4倍試樣厚度作為彎心直徑，對試樣分別進(jìn)行180°側(cè)彎檢測。側(cè)彎試樣拉伸面上的焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)任意方向上均未產(chǎn)生開口缺陷，也未產(chǎn)生棱角開口缺陷，證明焊縫熔敷金屬在高強度情況下，其焊接接頭同樣表現(xiàn)出較好的塑、韌性，符合焊接工藝評定要求。

按GB/T2654—2008對焊接接頭進(jìn)行維氏硬度（HV10）檢測，檢測壓痕點具體位置見圖2c，檢測結(jié)果如圖5所示。BM區(qū)與WM區(qū)的檢測結(jié)果相對均勻，BM硬度值在189～193 HV10之間，WM硬度值在230～238 HV10之間，總體趨勢為WM區(qū)大于BM區(qū)，HAZ硬度值大小不一，但都高于BM。HAZ受焊接高溫及焊接熱循環(huán)的影響，在HAZ表現(xiàn)出組織不均勻。中間為GTAW區(qū)域，實際施焊時GTAW的焊接熱輸入稍高于SMAW，HAZ中間檢測點的硬度值偏高，達(dá)244 HV10和249 HV10，上、下為SMAW施焊區(qū)域，其HAZ的硬度稍低，在199～211 HV10之間。

圖5 焊接接頭硬度分布曲線Fig.5 Hardness test results of welded joint

3.3 金相檢測

焊接接頭顯微組織如圖6所示。母材為均勻、等軸的奧氏體晶粒，少量小黑點狀碳化物在晶內(nèi)彌散分布，孿晶較明顯，見圖6a；焊縫區(qū)為典型鎳基合金焊態(tài)組織，主要為樹枝晶，組織分布規(guī)則見圖6d；圖6b、圖6c為同一位置的不同倍數(shù)下觀察到的熔合區(qū)組織，左側(cè)是焊縫，為枝狀晶，右側(cè)是熱影響區(qū)，為等軸晶，奧氏體晶粒未見明顯長大。一般而言，隨著焊接電流的變大，枝晶組織變粗大的傾向增加，當(dāng)冷卻速度較快時，樹枝晶狀結(jié)晶軸的寬度和軸間距會減小［9］，觀察發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)組織和熔合線左側(cè)的焊縫組織未發(fā)生顯著變化，枝晶尺寸相當(dāng)。

圖6 焊接接頭不同區(qū)域金相組織Fig.6 Metallographic diagrams of different zones

3.4 耐蝕性檢測

作為全能型耐腐蝕合金，渣油加氫項目對C-22合金焊接接頭提出了較高的耐蝕性能檢測要求。根據(jù)技術(shù)條件，參照YB/T5362—2006對焊接接頭以U型彎曲方式進(jìn)行MgCl2應(yīng)力腐蝕試驗，制備試樣尺寸為75 mm×10 mm×2 mm，采用濃度約42%的MgCl2溶液，整個試驗期間保持溶液沸點在143±1 ℃，加載應(yīng)力256 MPa，試驗進(jìn)行2個周期，每個周期為96 h。試驗結(jié)束后在顯微鏡下放大10倍觀察試樣的受拉伸面，未發(fā)現(xiàn)宏觀開裂裂紋及貫穿開裂裂紋，結(jié)果合格，如圖7a所示。

圖7 腐蝕試驗后試樣Fig.7 Specimens images after corrosion test

按ASTM G48-03 C法對焊接接頭進(jìn)行臨界麻點腐蝕溫度試驗，制備試樣尺寸為50 mm×25 mm×4 mm，腐蝕溶液為FeCl3，整個試驗期間保持溶液臨界腐蝕溫度在85±1 ℃，試驗周期72 h，在顯微鏡下放大20倍觀察未發(fā)現(xiàn)腐蝕麻坑。腐蝕后試樣如圖7b所示。

按ASTM G28-02 B法對焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕敏感性檢測，制備試樣尺寸為30 mm×20 mm×4 mm，試驗前先對試樣進(jìn)行750±10 ℃、保溫1 h、空冷的敏化處理，腐蝕溶液為23% H2SO4+1.2% HCl+1% FeCl3鐵+1% CuCl2，加熱試劑并保持微沸騰狀態(tài)，進(jìn)行24 h連續(xù)試驗，腐蝕率結(jié)果分別為0.14 mm/a和0.18 mm/a，滿足合格指標(biāo)0.20 mm/a的要求。腐蝕后試樣如圖7c所示。

3 結(jié)論

（1）以10 mm厚C-22耐蝕合金為試驗對象，按文中擬定的工藝參數(shù)及控制要求，采用GTAW打底，SMAW填充蓋面進(jìn)行試板焊接，有助于獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議要求的焊接接頭，焊縫具有良好塑、韌性，焊接接頭耐蝕性能表現(xiàn)優(yōu)異。

（2）通過嚴(yán)格的焊前清理，減少油脂等分解物進(jìn)入熔池，并在保護(hù)氣體中添加5%的H2，提高還原性，減少氣孔的生成。通過60°～70°的坡口角度設(shè)置，不僅保證了電弧可達(dá)性及熔透性，而且焊接過程中熔池在重力的作用下流動性增加，液態(tài)金屬得以及時補充至焊道邊緣，有效改善焊道咬邊問題。

（3）采用右焊法施焊，增加熔敷金屬填充量，配合采用不擺動施焊使焊縫表面形成凸形焊道，有效解決了C-22合金易產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋問題，保證了焊接接頭質(zhì)量。

（4）焊接試板的接頭性能滿足NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評定準(zhǔn)則及業(yè)主技術(shù)規(guī)范要求，使渣油加氫項目中催化劑反應(yīng)器裝置的制造具備了開工施焊條件，為裝置的順利完工交付提供了有力的焊接技術(shù)保障。