不同方法堆焊INCONEL 625合金焊接工艺对比与分析

（青岛兰石重型机械设备有限公司，山东青岛266426）

0 前言

聚酯纤维，俗称涤纶，占我国化纤总产量的78%，而PTA占涤纶总用量的75%，大量的市场需求催生了PTA结晶器等化工设备的制造热潮[1-2]。近期，青岛兰石重型机械设备有限公司为某石化三期PTA工程制造了一批PTA结晶器，PTA结晶器下半段材质为 SA516Gr70（N）+堆焊 INCONEL 625，筒体内径达φ7 000 mm，该设备主要介质为：水、对苯二甲酸、苯、醋酸、苯酸、氢气等，设计温度280℃，设计压力6.0 MPa，苛刻的使用环境需要使用INCONEL 625作为内衬。

该PTA结晶器筒体内壁大面积堆焊拟采用埋弧带极堆焊和电渣带极堆焊，局部堆焊使用焊条电弧堆焊和CO2气体保护药芯焊丝电弧堆焊，为考查上述焊接方法是否能满足相关技术条件要求，本文分别使用4种焊接方法得到要求厚度的堆焊层，并对堆焊层的化学成分、力学性能及金相组织进行分析，特别是对镍基合金堆焊层晶间腐蚀速率进行对比分析。

1 试验过程及结果分析

（1）堆焊。

取4块（δ=50mm）Q345R钢板分别用CO2气体保护药芯焊丝堆焊（FCAW）（S1）、焊条电弧堆焊（SMAW）（S2）、双层埋弧带极堆焊（SAW）（S3）、双层电渣带极堆焊（ESW）（S4）进行INCONEL 625堆焊试验，工艺参数如表1所示，堆焊层厚度约为7.0～7.5mm。

焊接完毕后按NB/T 47013.5-2015对堆焊层表面进行100%PT，Ⅰ级合格。按NB/T 47013.3-2015对堆焊层与基材结合面进行UT检测，Ⅰ级合格。

（2）热处理。

分别对4块试板进行模拟焊后热处理，热处理在电炉中进行，工艺参数如表2所示。

（3）化学成分分析。

使用直读光谱仪对4块试板堆焊层表面以下3 mm处进行化学成分分析，结果如表3所示。

表1 堆焊试验工艺参数

表2 模拟焊后热处理工艺参数

表3 堆焊层化学成分 %

由表3可知，上述4块试板堆焊层的元素含量基本符合SFA-5.14/SFA-5.14M中镍及镍合金裸焊条和焊丝规范ENiCrMo3T1-4和ERNiCrMo-3及GB/T 13814镍及镍合金焊条的要求，其中Cr含量均偏向20%～23%区间的下限，S3试块Mn含量超出≤0.5%标准，S4试块Fe含量超出≤5%的要求，经对堆焊层厚度进行测量，试块S4堆焊层表面被铣平后堆焊层厚度不足3 mm。结合以往焊接工艺评定的经验，认为造成S4中Fe含量靠近上限的主要原因是化学成分取样位置过于靠近基材，造成堆焊层合金元素被稀释，Fe含量上升，而非焊材本身不合格或者是焊接过程中造成的烧损。经加倍取样，保证光谱检测部位距离堆焊层与基材结合面不小于5 mm，其成分如编号S4-1所示。

堆焊层 C、Cr、Ni、Fe 元素含量曲线如图 1 所示。由图1可知（S4-1不参与比较），4种焊接方法所得到的试样中C与Fe元素含量基本呈反相关性，说明Fe元素往堆焊层中稀释程度远较C元素明显，而Cr、Ni元素并无明显的相关曲线。综合分析可知，Fe元素随与结合面的距离稀释程度增加明显。因此在产品堆焊过程中，均要求堆焊层厚度大于6.5 mm，其中第二层厚度≥3 mm，以保证堆焊层表层的耐蚀元素成分。

（4）晶间腐蚀试验。

根据GB/T 4334-2008中硫酸-硫酸铁法的要求，加工试样并用分析天平称重，在沸腾的硫酸-硫酸铁溶液中保持120 h后，再次称重，最终结果如表4所示。

图1 堆焊层主要成分元素含量对比

表4 堆焊层晶间腐蚀试验

对比4块试样发现，其腐蚀速率差别较大，S2、S4的腐蚀速率大于S1、S3，对照表3可知，S1、S3成分中耐腐蚀元素Ni略低于S2、S4，说明在相同腐蚀条件下，Ni元素能有效地提高材料的耐腐蚀性能。该4块试板的腐蚀速率均符合相关产品的技术条件要求。

（5）弯曲试验。

按照GB/T 2653-2008分别对4块试板取大侧弯（垂直和平行焊道各 2 件，D=4a，a=10 mm，α=180°）、小侧弯（垂直和平行焊道各2件，D=4a，a=3 mm，α=180°）进行弯曲试验，弯曲后经检查堆焊层、堆焊层与基材结合面均无裂纹产生。

（6）金相组织。

分别对4块试板的基材使用5%硝酸酒精溶液腐蚀，堆焊层使用10%草酸溶液电解浸蚀，制作金相试样。在金相显微镜下进行观察，结果如图2～图5所示。

由图可知，基材均以珠光体+铁素体为主，堆焊层组织多为奥氏体，呈现严重枝晶化，且大范围枝晶发展方向一致，这样容易造成堆焊层组织各向异性，影响整体性能。镍基合金热传导能力相对较弱，堆焊层成长为规则的枝晶组织，说明在焊接过程中存在较大过热，且熔池冷却速度过快，熔敷金属成分来不及均匀化，形成枝晶，这也是焊接快速冶金过程的重要特征[3-5]。而焊后热处理由于温度达不到堆焊层组织再结晶温度，对于这种由枝晶组织造成堆焊层成分偏析，进而导致耐腐蚀性能下降的作用无法缓解。

图2 S1手工CO2气体保护药药芯电弧焊（FCAW）基材及堆焊层组织

图3 S2焊条电弧焊（SMAW）基材及堆焊层组织

图4 S3双层埋弧带极（SAW）基材及堆焊层组织

图5 S4双层电渣带极（ESW）基材及堆焊层组织

对比4种焊接工艺得到的堆焊组织可以看出，带极堆焊层晶粒度明显大于手工焊堆焊层，且排列整齐，说明带极堆焊层整体热输入量大，熔敷金属晶粒生长较为规则。

2 结论

（1）CO2气体保护药芯焊丝堆焊、焊条电弧堆焊、双层埋弧带极堆焊、双层电渣带极堆焊4种焊接方法得到的INCONEL 625合金堆焊层均能满足相关标准及技术条件的要求。

（2）镍基合金堆焊层熔敷金属热传导能力较弱，为保证耐腐蚀性能，在焊接过程中使用较小焊接电流、较高的焊接电压以及较快的焊接速度以控制晶粒的成长及形态。