Inconel625鎳基合金堆焊接頭組織與性能分析
換熱器作為實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的設(shè)備在石化、煉油、動(dòng)力等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用。由于其在服役過程中長期經(jīng)受高溫、高壓、酸堿性介質(zhì)腐蝕，因此其材質(zhì)往往選用不銹鋼材料。隨著煉化產(chǎn)品介質(zhì)及環(huán)境的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的不銹鋼材質(zhì)已經(jīng)不能滿足使用要求，鎳基耐蝕合金由于其具有優(yōu)良的耐熱和耐蝕性而在石油化工、電力和宇航等行業(yè)得到了推廣應(yīng)用。鎳基材料價(jià)格昂貴，比較經(jīng)濟(jì)的方法是在不銹鋼內(nèi)壁堆焊鎳基材料以保證設(shè)備的抗腐蝕能力，這就涉及到鎳基合金和不銹鋼異種材料的焊接問題，由于鎳基合金本身就具有較高的熱裂紋敏感性及較差的液態(tài)金屬流動(dòng)性，因此在焊接過程中往往要采用一定的工藝措施來保證焊接的質(zhì)量。文中采用手工電弧焊方法在0Crl8Nil0Ti奧氏體不銹鋼表面堆焊ENiCrMo-3鎳基焊材，通過分析堆焊層的顯微組織、化學(xué)成分和力學(xué)性能，以期為后續(xù)換熱器上鎳基一不銹鋼異種材料連接的焊接工藝的改進(jìn)及生產(chǎn)制造提供試驗(yàn)依據(jù)。
1焊接性分析
1.10Crl8NilOTi不銹鋼焊接性分析及對策
0Crl8Nil0Ti為奧氏體不銹鋼，該鋼種是在原304不銹鋼的化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加Ti元素來防止晶間腐蝕。其合金元素為鉻和鎳，根據(jù)需要又含有Ti、Mo、Mn等，具有穩(wěn)定的奧氏體組織，加熱無相變，無鐵磁性。奧氏體不銹鋼韌性高，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，具有良好的耐蝕性和高溫強(qiáng)度、抗氧化性、可加工性以及良好的焊接性能。奧氏體不銹鋼在焊接過程中，易形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Si易于在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，而奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小且線膨脹系數(shù)大，在焊接過程的不均勻加熱和冷卻條件下，焊接接頭在高溫下停留時(shí)間較長，承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變，容易在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的傾向，除與材料本身的化學(xué)成分有關(guān)外，也要采取合理的焊接工藝措施，在奧氏體不銹鋼的焊接過程中，一般要求焊接熱輸入較低，避免焊接接頭及熱影響區(qū)的過熱現(xiàn)象，相比碳鋼及低合金鋼，焊接熱輸入要低20％左右。同時(shí)為保證不銹鋼的耐腐蝕性，焊前及焊后的清理工作也至關(guān)重要。
1.2Inconel625焊接性分析及對策
Inconel625合金屬于Ni.Cr-Mo合金，其合金體系中有較高的Cr及Mo含量，因此既耐還原性介質(zhì)腐蝕又耐氧化性介質(zhì)腐蝕，同時(shí)在氧化一還原復(fù)合介質(zhì)中也具有極強(qiáng)的耐蝕性，因此該合金在石油煉化產(chǎn)品制造中得到了大量的應(yīng)用。Inconel625在具有良好耐蝕性的同時(shí)也具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能。
鎳基合金在凝固過程中，焊縫金屬中由于柱狀晶的成長使剩余液態(tài)金屬中溶質(zhì)元素含量增加，凝固最后階段在柱狀晶形成低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜，由于液態(tài)金屬薄膜的強(qiáng)度較低，且變形能力極差，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。結(jié)晶裂紋的敏感性與焊縫金屬結(jié)晶溫度區(qū)間的大小、合金元素及雜質(zhì)的含量、凝固過程施加的應(yīng)變及冷卻速度的快慢有關(guān)。
鎳基合金在焊接過程中要嚴(yán)格限制焊接熱輸人的大小，高熱輸入焊接鎳基耐蝕合金會(huì)造成過度的偏析、碳化物的沉淀或其他的有害的冶金現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生一定程度的退火和晶粒的長大。另外鎳基合金的金屬流動(dòng)性較差，潤濕鋪展性較弱，即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而起著有害的作用。焊接電流的增大不僅會(huì)造成熔池的過熱，增大熱裂紋的敏感性，而且會(huì)使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)。
2焊接對策分析及試驗(yàn)方法
試驗(yàn)?zāi)覆臑?Crl8Nil0Ti奧氏體不銹鋼，選用的試板尺寸為480mm×180mmx60mm?？紤]到鎳基耐蝕合金的焊接和奧氏體不銹鋼焊接，都具有熱裂紋的傾向，所以它們之間的焊接要避免產(chǎn)生熱裂紋，故考慮使用焊接熱輸人較低的手工電弧焊。堆焊焊條選用ENi.CrMo-3鎳基焊材。母材及焊材化學(xué)成分見表1。
合上述奧氏體不銹鋼及鎳基合金材料的特點(diǎn)，為了防止產(chǎn)生熱裂紋和氣孔等焊接缺陷，在焊接過程中，需要采取一定的工藝措施來保證焊接的質(zhì)量。具體措施如下：
(1)由于鎳基焊接材料對焊件表面的油污、濕銹等較為敏感，焊件表面的清潔性是成功地焊接鎳基合金N06600材料的一個(gè)重要的要求，焊件表面的污染物主要是表面的氧化皮和引起脆化的元素。鎳基合金表面氧化皮的熔點(diǎn)比母材高很多，常常在焊縫金屬中形成夾渣或細(xì)小的不連續(xù)氧化物，一般射線探傷或著色滲透檢查不出來。脆化元素一般有S、P、Pb、Sn、Zn等，焊接時(shí)它們與Ni形成低熔點(diǎn)共晶，產(chǎn)生熱裂紋，其危害大，所以焊接前一定要徹底清理待焊接區(qū)表面，用砂輪將焊接試板進(jìn)行打磨，直到露出金屬光澤，并使用丙酮或酒精溶液進(jìn)行清洗。經(jīng)過前期的清理工作可以減少氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。
(2)焊條在使用前要充分烘干，烘干溫度一般在250～3500C，保溫2h。
(3)焊接時(shí)應(yīng)當(dāng)使用小電流，短弧操作，運(yùn)條時(shí)焊條不作橫向擺動(dòng)，并使用盡可能快的焊接速度。
(4)焊完1道后，要待工件冷卻至不燙手時(shí)方可再焊下1道。嚴(yán)格控制道間溫度，一般道間溫度應(yīng)控制在100℃以下。
(5)為防止弧坑裂紋，每根焊條焊完后需將弧坑處打磨；終斷弧時(shí)，一定要將弧坑填滿或把弧坑引出。試驗(yàn)過程中首先使用妒him的ENiCrMo-3的焊條在試板表面堆焊過渡層，過渡層厚度2mm。仔細(xì)檢查無缺陷后，繼續(xù)使用該焊條堆焊復(fù)層，保證總厚度不低于8mm。表2為所選用的焊接工藝參數(shù)。
焊后采用線切割方法切取堆焊層橫截面試樣，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后進(jìn)行宏觀及微觀組織觀察并檢驗(yàn)是否有缺陷存在。使用銑床制取側(cè)彎試樣以考察堆焊接頭的抗彎強(qiáng)度及塑性儲(chǔ)備?？紤]到實(shí)際產(chǎn)品試件的服役條件，對熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。同時(shí)在堆焊層表面取金屬碎屑進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)。
3試驗(yàn)結(jié)臬與分析
3.1焊接接頭組織分析
圖1為使用硫酸銅一鹽酸水溶液浸蝕后堆焊層的宏觀金相圖片。從圖中可以看出鎳基堆焊層在不銹鋼表面熔合良好，熔合區(qū)以及堆焊層部分未出現(xiàn)裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等焊接缺陷。
圖2為使用王水腐蝕后的堆焊層近表面層顯微組織。顯微組織分析可以看出，焊縫顯微組織為枝晶狀的叫組織，晶粒呈柱狀晶分布，有一定的方向性，在結(jié)晶的過程中出現(xiàn)了一定程度的晶界偏析現(xiàn)象，但偏析程度較小，對堆焊層的耐腐蝕性不會(huì)造成太大的影響。由于在焊接過程中嚴(yán)格地控制焊接熱輸入，^y組織枝晶比較細(xì)小，有些部位的枝晶方向發(fā)生了一定程度的紊亂。這是由于在表面處空氣對流冷卻等因素，即可以通過基體，又可以通過周圍環(huán)境散熱，而且由于熱源的能量分布不是十分均勻，只要某一微區(qū)晶體的擇優(yōu)取向與該區(qū)的散熱反方向一致，該晶體即可長大，故堆焊層上部的組織有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)枝晶生長方向紊亂區(qū)；熔池上部的結(jié)晶速度加快，故所得到的組織較細(xì)小。
3.2堆焊層化學(xué)成分分析
焊后對堆焊層表面進(jìn)行化學(xué)成分分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。堆焊層的化學(xué)成分以Ni元素和Cr元素為主。C含量處于較低水平，僅為0.052％。堆焊層中Fe元素含量相比焊材熔敷金屬略有增加，這主要是焯按過程中母材的Fe元素向熔敷金屬過渡所致，但仍能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，F(xiàn)e元素污染處于較低水平。雜質(zhì)元素P、S含量均較低?；瘜W(xué)成分檢測結(jié)果表明所選用焊接工藝措施能夠保證鎳基堆焊層的耐腐蝕性能。
3.3焊接接頭力學(xué)性能分析
在焊接試樣探傷合格的情況下，按照NB/T47014_2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評定》中的要求，對堆焊試樣進(jìn)行橫向側(cè)彎試驗(yàn)，同時(shí)也對堆焊層的拉伸性能指標(biāo)進(jìn)行考核，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
從表4可以看出，堆焊層具有比較理想的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，具有較低的屈強(qiáng)比(0.69)，說明堆焊層(a)低倍斷口形貌在有良好的強(qiáng)度的前提下也擁有足夠的韌性儲(chǔ)備。圖3為拉伸斷口的微觀形貌，斷口變形較大，整個(gè)斷口反映出了明顯的樹枝晶組織特征，其微觀形貌均呈細(xì)小韌窩特征，韌窩較深，變形量較大，為典型的韌性斷裂。
彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)不存在焊接缺陷，在焊接過程中沒有出現(xiàn)韌性的降低，說明了所采取的焊接工藝措施能夠獲得滿足要求的焊接接頭。
4結(jié)論
(1)依據(jù)奧氏體不銹鋼及鎳基合金材料的特點(diǎn)，采用合理的焊接工藝可以得到熔合良好、無焊接缺陷的堆焊接頭。
(2)焊接試樣堆焊層顯微組織為枝晶狀的y組織；化學(xué)成分檢測未見異常。焊接接頭彎曲性能及堆焊層拉伸性能能夠滿足制造要求。
