铁－铬－镍系耐热合金的焊接工艺分析*

2014-03-06黄艳

菏泽学院学报 2014年2期

黄艳

（菏泽市产品质量监督检验所，山东菏泽 274000）

引言

耐热合金作为单一奥氏体组织，其合金化程度很高，并且具有良好的使用的可靠性、组织稳定性，所以耐热合金被广泛应用于舰船、航空、航天、化工、石油的一类重要材料.按基体元素来分，耐热合金可分为铁基、镍基和钴基等耐热合金.铁基耐热合金使用温度一般只能达到750～780℃，而镍基和难熔金属为基的合金的耐热部件则能在更高温度下使用.

近些年来，国内外学者在工艺参数指定、焊后结合界面组织、接头使用性能评定、焊接方法等方面对镍基耐热合金焊接作了大量研究，同时通过对电子束焊接、真空焊、瞬间液相扩散连接、激光焊及激光熔覆技术、摩擦焊、真空电子束钎焊等各种连接方法的进一步研究，对镍基耐热合金焊接技术的应用和发展做出巨大贡献.然而为保证该铁－硌－镍（Fe－Cr－Ni）系耐热合金的工作性能，需要根据选用的焊接材料和基体材料，选择适当的焊接工艺.本文就Incoloy800耐热合金、铸造耐热不锈钢炉管和HP45NbTi铸造耐热不锈钢的焊接工艺进行对比分析，以期为焊接工程应用提供科学依据.

1 Incoloy800H耐热合金的焊接工艺

Incoloy800H合金的密度较大、导热率低，属于铁基耐热合金.铁基耐热合金具有较高的焊接热裂纹敏感性，焊接过程中会出现焊缝的微裂纹和宏观裂纹.由于铁基耐热合金导热率较低，加上工件的焊接时间长，将会造成晶粒长大，进而促使了低熔点共晶物的形成.

焊前处理不当（工件表面的油垢、氧化膜、潮气等），则会在焊接过程中被吸附和分解，进而造成杂质气体的增多掺生气泡;在铁基耐热耐热合金的焊接过程中，一般情况下焊接接头达不到母材强度的要求，焊接接头在常温和高温下的瞬时强度差不多，但在持续高温下的强度却大幅降低，焊后所进行的热处理效果也不明显［1］.生产实践表明，接头热影响区存在过热以及晶粒长大严重将直接影响焊接性能.

由于Fe－Cr－Ni系合金具有敏化温度区，敏化状态发生碳化物的沉淀，引起晶界贫铬现象，导致在介质中的晶间腐蚀、应力腐蚀［1］.在焊接该类合金时，应快速冷却，避免焊接区在高温条件下停留过长，防止产生晶间腐蚀.

针对铁基耐热合金容易出现的缺陷，在焊接工艺上，要采用手工氩弧焊，所选焊丝为Er5NiCr3.由于熔敷金属流动性、熔适性差，当焊接材料过热时，脱氧元素会出现过多的烧损，所以应采用小的热输入来增加熔透性.为保证熔透，应采用大坡口角度和小钝边的接头形式.T1G焊对接V形坡口角度为700°±5°，采用直流正极性，高频引弧以及电流衰减、延时断气的焊接技术.施焊时应采用快速焊，操作时可作微小摆动，但应掌握好焊枪和焊丝的角度.多层焊时应控制道间温度（不超过100℃），注意填满弧坑.热输入在保证熔透的前提下尽可能小.焊后应进行快速冷却.

Incoloy800H管焊接工艺参数如下:

焊接电流:80～110 A;电弧电压:12～14 V;焊接速度:7～10 cm·min－1;

电流衰减:7 s;氩气流量:正面:8～10 L·min－1，背面:10 ～12 L·min－1;

电源极性:直流正接.

2 铸造耐热不锈钢炉管的焊接工艺

铸造耐热不锈钢炉管，是用离心铸造或电轧熔铸的方法制成的.铸造耐热不锈钢炉管与锅炉等工业使用的炉管相比，工作温度较高，同时所输送化工介质的流体在工作温度下，具有较活泼的化学性质［1］，广泛应用在合成氨、甲醇、城市煤气和还原炼钢工厂的蒸汽转化炉中，此外还应用在乙炔装置中的裂解管中.这里主要介绍HK－40的焊接.

HK－40铸造耐热不锈钢与奥氏体不锈钢一样，均为高铬镍系合金钢，其焊接性与奥氏体不锈钢类似.不过，由于碳含量高，本来就含有一定量的共晶，所以焊接熔池的流动性较好.炉管在正常焊接工艺条件下，焊接熔池在结晶过程中会出现气孔和结晶裂纹的问题，但是并不突出.主要问题在于焊接接头过热区中可能出现液化裂纹，这是由于该处的共晶物会发生液化，如果硫磷等杂质含量较高或偏聚较严中，则在冷却过程中会产生裂纹.

HK－40炉管的主要成分有铬、镍、碳等，其中铬元素大部分成为固溶元素，另一部分则与碳形成铬的碳化物，是合金具有良好的耐热性和较高的高温蠕变断裂强度.HK－40的主要化学成分见表1.

表1 HK－40（ZG4Cr24Ni20Si2）主要化学成分［2］

HK－40炉管焊接最主要问题是裂纹的存在.从力学角度分析:这种材料线膨胀系数大，收缩应力大，特别是坡口不当、焊接夹渣、冷热不均引起较大应力，导致裂纹的产生.从冶金角度分析:焊缝的化学成分对裂纹的形成起较大作用，由于单相奥氏体钢的焊缝为柱状晶组织，利于偏析杂质，而奥氏体钢的合金成分较杂，不仅S、P类杂质易形成易熔夹层，一些合金元素因有限的熔解也会弱化晶界［3］.因此，一般要求焊缝限制杂质来源，减少晶间偏析;加入适当的碳化物形成剂，以造成细小的奥氏体和碳化物的双相组织.

正确地选用焊接材料，以确保焊缝金属中杂质含量少，避免产生热裂纹.在应力相分析出温度区段（650～900℃）工作过程中，焊接接头的蠕变强度不应低于铸态炉管，从而避免炉管的损坏发生在焊接接头上.只有选用此类焊接材料，才能提高炉管的焊接性和保持长期工作过程中的稳定性.

本文选用的HK－40炉管的焊接材料为:中国焊丝H4Cr25Ni20与美国AWS焊丝E310H、德国THYSSEN焊丝 Thermanttcr、日本焊丝 TGS－310H－SA，其化学成分，见表2.

表2 H4Cr25Ni20与 E310H ，Thermanttcr，TGS －310H －SA 焊接材料的化学成分［3～6］

E310H为钨极惰性气体焊丝，Thermanttcr为电弧焊焊丝，TGS－310H－SA为焊条焊芯.

由于焊接材料的化学成分优于炉管本体，希望炉管材料在焊缝金属中所占比例越少越好.这样能提高焊缝金属抗裂性，还可以使焊缝金属局部应力相析出量减少，并能提高高温蠕变断裂强度，延长炉管的工作寿命.

HK－40铸造耐热不锈钢炉管的焊接工艺:

1）施焊以前，炉管的待焊处和焊丝要认真清理，去除油污和杂质，保持干净.

2）避免强力组对装配，减少焊接应力.

3）炉管点固焊后，管内要充氩气进行保护，防止焊缝背面氧化.

4）采用钨极氩弧焊时，要选择合理的焊接顺序来降低焊接应力.多层焊接时，要等第一层焊缝冷却后，再焊次一层焊缝，避免焊缝金属过热，防止晶粒粗大.

5）多层焊时，各层的焊接收弧处要相互错开，避免缺陷重叠而降低焊接接头的力学性能.

6）焊接结束或中断时，要采取电流衰减收弧法，同时也要填满弧坑，阻止弧坑裂纹的形成.

3 HP45NbTi铸造耐热不锈钢的焊接工艺

HP45NbTi铸造型耐热不锈钢是在HP45合金基础上加入Nb、Ti等微量元素制得的，加入Nb、Ti的HP45NbTi铸造型耐热不锈钢比HP45的高温蠕变强度有了较大提高，并具有抗渗碳性能、抗氧化性能、铸造性能和机械加工性能等.因此，HP45NbTi耐热合金已成功地用于乙烯蒸汽裂解炉炉管、甲醇催化转化炉炉管及其他加热炉等部件［7～11］.其化学成分见表3.

表3 HP45NbTi耐热炉管的化学成分

HP45NbTi铸造耐热不锈钢炉管的力学性能:

室温抗拉性能:屈服强度≥450 MPa，抗拉强度:≥250 MPa，断后伸长率≥8%;

高温瞬时抗拉性能:温度:900℃，抗拉强度≥147 MPa，断后伸长率≥22%;

高温持久抗拉性能:温度:1 050℃，应力≥25 MPa，时间:≥100 h.

由于HP45NbTi铸造耐热不锈钢Ni含量高，化学成分复杂，因此容易形成液态薄膜;另外，该合金的线膨胀系数大，热导率小，能形成较大的应力，因此热裂倾向较大.由于焊接过程的作用，焊接热影响区的晶粒粗大，奥氏体强化相和碳化物析出和溶解，以及组织变化、内应力和各种显微缺陷的存在，使得焊接接头与母材等性能是很难选择的.但是，采用小焊接热输入，高Cr、Ni和高碳化物的焊接材料，能防止应力相析出，减少Cr23C6的沉淀，并采用短弧焊、小摆动、强制冷却，可改善HP45NbTi铸造耐热不锈钢炉管的焊接接头性能.

本文给出HP45NbTi铸造耐热不锈钢炉管焊接两种可供选择的氩弧焊焊丝，以及母材和焊缝，其化学成分见表4.NiR82焊丝（Ni基）用于打底焊，25－35Nb焊丝用于填充焊和盖面焊.虽然25－35Nb焊丝与母材的化学成分相近，但其熔敷金属的焊态抗拉强度为550 MPa，比母材高100 MPa，且塑性不足.打底焊时，冷却速度大，拘束度大，应力集中系数大，容易产生裂纹.而NiR82焊丝用于打底焊，不易产生裂纹.层间温度应控制在90℃.

表4 HP45NbTi焊接所用母材、焊缝、25－35Nb和NiR82焊丝化学成分

HP45NbTi铸造耐热不锈钢炉管焊接工艺:根据生产条件选择手工钨极氩孤焊，保护气体选用纯度99.99%的氩气;选择Φ25mm的NiR82焊丝为打底焊，Φ 24mm的25－35Nb焊丝填充;焊材和母材坡口附近应严格地清除表面锈蚀、水等杂质.手工钨极氩弧焊的焊接质量与焊工的现场操作密切相关，应注意焊工操作手法.一般要求钨极从气体喷嘴突出的长度以4～5mm为最好，在角焊等遮蔽性差的地片是2～3mm为最好;焊接电弧长度以1～3mm为最好，过长则保护效果不好;焊枪应尽量沿炉管直径方向，可稍稍倾斜，但倾角一般不超过10°;填充焊丝与工件表面夹角应尽可能地小，一般约为10°，背面在打底焊和第一道填充焊时应通氩气进行保护.焊接坡口型式和尺寸见图1.