Inconel 625堆焊接头组织与性能分析

2015-03-22秦建王丽黑鹏辉陈巨辉马伟敬王庆江吕晓春徐玉君

机械制造文摘(焊接分册) 2015年1期

秦建，王丽，黑鹏辉，陈巨辉，马伟敬，王庆江，吕晓春，徐玉君

(1.洛阳船舶材料研究所，河南洛阳471000;2.机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，黑龙江哈尔滨150028)

0 前言

换热器作为实现物料之间热量传递过程的设备在石化、炼油、动力等工业部门广泛应用[1]。由于其在服役过程中长期经受高温、高压、酸碱性介质腐蚀，因此其材质往往选用不锈钢材料。随着炼化产品介质及环境的复杂化，传统的不锈钢材质已经不能满足使用要求，镍基耐蚀合金由于其具有优良的耐热和耐蚀性而在石油化工、电力和宇航等行业得到了推广应用[2]。镍基材料价格昂贵，比较经济的方法是在不锈钢内壁堆焊镍基材料以保证设备的抗腐蚀能力，这就涉及到镍基合金和不锈钢异种材料的焊接问题，由于镍基合金本身就具有较高的热裂纹敏感性及较差的液态金属流动性，因此在焊接过程中往往要采用一定的工艺措施来保证焊接的质量[3]。

文中采用手工电弧焊方法在0Cr18Ni10Ti 奥氏体不锈钢表面堆焊ENiCrMo-3 镍基焊材，通过分析堆焊层的显微组织、化学成分和力学性能，以期为后续换热器上镍基－不锈钢异种材料连接的焊接工艺的改进及生产制造提供试验依据。

1 焊接性分析

1.1 0Cr18Ni10Ti不锈钢焊接性分析及对策

0Cr18Ni10Ti 为奥氏体不锈钢，该钢种是在原304不锈钢的化学成分基础上添加Ti元素来防止晶间腐蚀。其合金元素为铬和镍，根据需要又含有Ti、Mo、Mn 等，具有稳定的奥氏体组织，加热无相变，无铁磁性。奥氏体不锈钢韧性高，脆性转变温度低，具有良好的耐蚀性和高温强度、抗氧化性、可加工性以及良好的焊接性能。

奥氏体不锈钢在焊接过程中，易形成方向性很强的粗大柱状晶组织，一些杂质元素及合金元素如S、P、Si 易于在晶间形成低熔点的液态膜，而奥氏体不锈钢的热导率小且线膨胀系数大，在焊接过程的不均匀加热和冷却条件下，焊接接头在高温下停留时间较长，承受较高的拉伸应力与拉伸应变，容易在焊缝处产生热裂纹。产生热裂纹的倾向，除与材料本身的化学成分有关外，也要采取合理的焊接工艺措施，在奥氏体不锈钢的焊接过程中，一般要求焊接热输入较低，避免焊接接头及热影响区的过热现象，相比碳钢及低合金钢，焊接热输入要低20%左右。同时为保证不锈钢的耐腐蚀性，焊前及焊后的清理工作也至关重要。

1.2 Inconel 625焊接性分析及对策

Inconel 625合金属于Ni-Cr-Mo合金，其合金体系中有较高的Cr 及Mo含量，因此既耐还原性介质腐蚀又耐氧化性介质腐蚀，同时在氧化－还原复合介质中也具有极强的耐蚀性，因此该合金在石油炼化产品制造中得到了大量的应用。Inconel 625 在具有良好耐蚀性的同时也具有优异的室温和高温力学性能。

镍基合金在凝固过程中，焊缝金属中由于柱状晶的成长使剩余液态金属中溶质元素含量增加，凝固最后阶段在柱状晶形成低熔点液态薄膜，由于液态金属薄膜的强度较低，且变形能力极差，容易产生结晶裂纹。结晶裂纹的敏感性与焊缝金属结晶温度区间的大小、合金元素及杂质的含量、凝固过程施加的应变及冷却速度的快慢有关。

镍基合金在焊接过程中要严格限制焊接热输入的大小，高热输入焊接镍基耐蚀合金会造成过度的偏析、碳化物的沉淀或其他的有害的冶金现象，同时也会在热影响区产生一定程度的退火和晶粒的长大。另外镍基合金的金属流动性较差，润湿铺展性较弱，即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性，反而起着有害的作用。焊接电流的增大不仅会造成熔池的过热，增大热裂纹的敏感性，而且会使焊缝金属中的脱氧剂蒸发，导致气孔的出现。

2 焊接对策分析及试验方法

试验母材为0Cr18Ni10Ti 奥氏体不锈钢，选用的试板尺寸为480 mm×180 mm×60 mm。考虑到镍基耐蚀合金的焊接和奥氏体不锈钢焊接，都具有热裂纹的倾向，所以它们之间的焊接要避免产生热裂纹，故考虑使用焊接热输入较低的手工电弧焊。堆焊焊条选用ENi-CrMo-3 镍基焊材。母材及焊材化学成分见表1。

表1 试验用母材及焊材成分(质量分数，%)

结合上述奥氏体不锈钢及镍基合金材料的特点，为了防止产生热裂纹和气孔等焊接缺陷，在焊接过程中，需要采取一定的工艺措施来保证焊接的质量。具体措施如下:

(1)由于镍基焊接材料对焊件表面的油污、湿锈等较为敏感，焊件表面的清洁性是成功地焊接镍基合金N06600 材料的一个重要的要求，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。镍基合金表面氧化皮的熔点比母材高很多，常常在焊缝金属中形成夹渣或细小的不连续氧化物，一般射线探伤或着色渗透检查不出来。脆化元素一般有S、P、Pb、Sn、Zn 等，焊接时它们与Ni形成低熔点共晶，产生热裂纹，其危害大，所以焊接前一定要彻底清理待焊接区表面，用砂轮将焊接试板进行打磨，直到露出金属光泽，并使用丙酮或酒精溶液进行清洗。经过前期的清理工作可以减少气孔、裂纹等缺陷的产生。

(2)焊条在使用前要充分烘干，烘干温度一般在250～350℃，保温2 h。

(3)焊接时应当使用小电流，短弧操作，运条时焊条不作横向摆动，并使用尽可能快的焊接速度。

(4)焊完1 道后，要待工件冷却至不烫手时方可再焊下1 道。严格控制道间温度，一般道间温度应控制在100℃以下。

(5)为防止弧坑裂纹，每根焊条焊完后需将弧坑处打磨;终断弧时，一定要将弧坑填满或把弧坑引出。

试验过程中首先使用φ4 mm的ENiCrMo-3的焊条在试板表面堆焊过渡层，过渡层厚度2 mm。仔细检查无缺陷后，继续使用该焊条堆焊复层，保证总厚度不低于8 mm。表2为所选用的焊接工艺参数。

表2 焊接工艺参数

焊后采用线切割方法切取堆焊层横截面试样，经研磨、抛光、腐蚀后进行宏观及微观组织观察并检验是否有缺陷存在。使用铣床制取侧弯试样以考察堆焊接头的抗弯强度及塑性储备。考虑到实际产品试件的服役条件，对熔敷金属的抗拉强度进行测试。同时在堆焊层表面取金属碎屑进行化学成分检验。

3 试验结果与分析

3.1 焊接接头组织分析

图1为使用硫酸铜－盐酸水溶液浸蚀后堆焊层的宏观金相图片。从图中可以看出镍基堆焊层在不锈钢表面熔合良好，熔合区以及堆焊层部分未出现裂纹、夹渣、气孔、未熔合等焊接缺陷。

图1 堆焊层宏观金相图片

图2为使用王水腐蚀后的堆焊层近表面层显微组织。显微组织分析可以看出，焊缝显微组织为枝晶状的γ 组织，晶粒呈柱状晶分布，有一定的方向性，在结晶的过程中出现了一定程度的晶界偏析现象，但偏析程度较小，对堆焊层的耐腐蚀性不会造成太大的影响。由于在焊接过程中严格地控制焊接热输入，γ 组织枝晶比较细小，有些部位的枝晶方向发生了一定程度的紊乱。这是由于在表面处空气对流冷却等因素，即可以通过基体，又可以通过周围环境散热，而且由于热源的能量分布不是十分均匀，只要某一微区晶体的择优取向与该区的散热反方向一致，该晶体即可长大，故堆焊层上部的组织有时也会出现枝晶生长方向紊乱区;熔池上部的结晶速度加快，故所得到的组织较细小。

图2 堆焊层显微组织

3.2 堆焊层化学成分分析

焊后对堆焊层表面进行化学成分分析试验，试验结果如表3所示。堆焊层的化学成分以Ni元素和Cr元素为主。C含量处于较低水平，仅为0.052%。堆焊层中Fe元素含量相比焊材熔敷金属略有增加，这主要是焊接过程中母材的Fe元素向熔敷金属过渡所致，但仍能够满足标准要求，Fe元素污染处于较低水平。杂质元素P、S含量均较低。化学成分检测结果表明所选用焊接工艺措施能够保证镍基堆焊层的耐腐蚀性能。