Inconel625埋弧堆焊法兰密封面工艺

李 佩*

（西安建筑科技大学）

0 前言

Inconel625 合金具有单相组织，为面心立方晶格结构。其中Cr，Mo 元素的含量较高，使得该合金具有较好的抗点腐蚀、缝隙腐蚀以及抗裂变腐蚀的能力，在高温状态下，仍然具有良好的抗腐蚀特性。在干、湿的氯气环境以及在亚硫酸盐、次氯酸盐、醋酸、甲酸、强氧化性盐溶液中都相当耐蚀。该合金已广泛应用于石油、化工设备。

某公司承接了一批不锈钢换热器制造任务。设备主体材料为S31603 不锈钢板，符合GB/T 24511—2017《承压设备用不锈钢的耐热钢钢板和钢带》要求，S31603 不锈钢管符合GB/T 13296—2013《热交换器不锈铁钢无缝钢管》要求。图纸要求所有法兰密封面堆焊Inconel625 合金，堆焊层厚度为6 mm，堆焊层宽度为50 mm。因法兰数量较多、直径较大，若采用手工钨极氩弧焊效率低，劳动强度大，且焊接质量不易保证，因此拟采用埋弧自动焊工艺。

1 母材及焊材

设计图纸要求待堆焊法兰材料为S31603III,符合NB/T 47010—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》标准要求。由于焊接热过程会造成零件变形，导致其机加工后无法满足图纸尺寸要求，因此在法兰直径方向增加5 mm 加工余量，在法兰厚度方向增加10 mm加工余量。

焊材选用时要充分考虑熔敷金属的化学成分、力学性能，并同时满足焊接方法和施焊条件的要求。本次产品堆焊选用与Inconel625 合金成分相近的ERNiCrMo-3 牌号焊丝，其符合美标ASME SFA-5.14，焊丝的化学成分（质量分数）可见表1。焊剂选用SJ609，为氟碱型，脱渣性能良好，能够有效防止合金元素在焊接过程中烧损，确保堆焊过程的稳定性。

表1 ERNiCrMo-3焊丝化学成分（质量分数） %

2 焊接工艺

2.1 可焊性分析

Inconel625 合金中，Cr 质量分数高达22.2%，保证了合金的强度，一定含量的Mo 使该合金具有较好的蠕变强度，少量Al 和Ti 则降低了合金的时效强化作用，使合金具有较好的焊接性能。

由于Inconel625 合金中含有一定量的S 和P，较易形成偏析，同时，S 和P 在钢中还会形成多种低熔点化合物或共晶，增大了热裂纹产生的可能性。并且，因为Ni 元素可强烈稳定材料的γ 相，使S 的溶解度降低，增大了低熔共晶形成的可能性，有利于产生热裂纹。

和碳钢相比，Inconel625 合金固液相之间的熔融温度差距小，凝固速率快，熔池较黏稠，流动性差，其中的氧、水汽以及其他气体不能及时溢出而形成气孔和夹渣缺陷。Inconel625 合金具有线膨胀系数较大和导热性能差等特点，焊接过程中易发生加热和冷却不均匀现象，在热输入的高温阶段，晶间会产生较大的塑性应变，从而导致焊接变形。

经过分析可知，Inconel625 合金焊接时应保留合金的耐腐蚀性和其他优秀特性，并避免出现热裂纹、气孔等缺陷。

2.2 焊接方法

埋弧焊焊接具有质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，且焊渣在焊缝表面形成保护层，降低了空气中的O2，H2O，P，S，N 等元素溶解到熔池中的几率，减少了裂纹和气孔的产生。本次Inconel625 合金堆焊采用埋弧焊机悬臂梁固定，工件置于旋转平台自动旋转的方式进行焊接。

2.3 焊前清理

焊接前必须完全清除焊件表面影响焊缝质量的杂质，如Pb，S，P 和其他低熔点元素。用车床将待堆焊表面车光，并用磨光机把待堆焊表面周围50 mm以内的油、漆、锈、垢、毛刺等杂物清除干净，且不得有裂纹、夹层等缺陷，最后用酒精或丙酮擦洗。焊丝表面应保持洁净，焊接前用酒精或丙酮进行擦洗；如焊接过程中有停顿，应将焊丝端部剪掉后再焊接。

保证焊件、焊丝以及焊剂表面干燥，并控制好环境湿度。

2.4 焊接工艺要求

尽量采用小的线能量，避免金属过热或加热时间过长导致晶粒粗大，同时应兼顾焊透，避免焊缝未熔合，从而保证焊缝质量。

镍基合金堆焊采用小电流多层多道焊。若焊接过热，奥氏体晶粒急剧长大，温度越高，停留时间越长，晶粒越粗大，使该区塑性和韧性下降，为避免此现象，层间温度须控制在100 ℃以下，温度测量可采用红外测温仪，每焊完一道要将焊渣、飞溅、杂物清理干净，检查焊缝无缺陷后再进行下一道焊接，并且为了保证焊缝组织均匀，控制变形，各道各层之间应相互错开。

若焊接过程中由于各种原因不得不中断，再焊接时应按工艺要求重新清理待焊表面。用角向磨光机打磨清理缺陷时，必须控制好操作时间，防止局部热量过高产生热裂纹。

法兰内孔堆焊边缘应设置挡板，防止焊剂泄漏。

2.5 焊接工艺参数

经过多次试验，S31603 表面堆焊Inconel625 合金易采用ERNiCrMo-3 牌号的焊丝（直径为2.5 mm），焊接工艺参数见表2。

表2 Inconel625合金埋弧自动焊参数

3 焊接工艺评定

3.1 评定过程

为了验证该S31603III 埋弧堆焊Inconel625 合金工艺方案的可行性，满足产品质量要求，按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》标准及图纸技术要求，进行焊接工艺评定，评定合格后，才能进行正式施焊。

焊接工艺评定时所用材料及焊接工艺与正式产品制造时一致，评定试件材质为S31603，规格为40 mm×200 mm×400 mm。试件堆焊焊丝采用ERNiCrMo-3，焊剂采用SJ609，堆焊层数为4 层，堆焊总厚度为8 mm，保证加工后厚度达到图纸要求的6 mm。堆焊后的试件如图1 所示。

图1 堆焊试件

按图纸及工艺评定要求，对堆焊试件进行宏观表面检测、无损检测、弯曲试验检测、化学成分分析、铁素体含量检测等。

3.2 宏观检测

试件焊接完成并冷却至室温后，经外观检测，焊缝成形良好，无裂纹、气孔、夹渣、咬边等缺陷。

3.3 无损检测

试件每堆焊一层，堆焊层表面应进行通航检测，确保无裂纹和气孔，符合NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5 部分：渗透检测》的要求；堆焊层和基层之间，以及各堆焊层之间应进行超声检测，确保无未熔合和分层，符合NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3 部分：超声检测》的要求。

3.4 弯曲试验

取4 个10 mm 厚侧弯试样进行试验，弯心直径为40 mm，支座间距为63 mm，弯曲角度α=180°，符合NB/T 47014—2011 标准要求。经检测，4 个试样均完好无裂纹，说明堆焊层及与母材交接处均熔合良好，熔敷金属力学性能满足使用要求。

3.5 化学成分分析和气体分析

为了保证焊缝组织的均匀性且焊缝满足产品要求，焊接时焊材成分应尽量与母材成分相同，并尽可能降低P，S 或其他低熔点化合物成分的含量，这样可以降低产生焊接热裂纹的可能性、防止气孔产生，提高焊接接头的性能。本次评定分别从距离堆焊表面0～2 mm，2～5 mm，交接处取3 组试样检测堆焊金属的化学成分（质量分数），可见表3。

表3 堆焊金属化学成分（质量分数） %

3.6 铁素体含量测定

焊缝中存在一定量的铁素体能降低焊缝金属的热裂倾向，提高耐晶间腐蚀性能。但铁素体含量高，不仅会使焊缝在某些介质中产生选择性腐蚀，而且会造成σ 相脆化。高温下堆焊层的铁素体还可能发生δ角σ 相的转变，使该区的塑性和韧性严重降低，造成堆焊层脆化。因此，铁素体含量必须控制在一定范围。查阅相关文献后可知，δ 相的质量分数应为4%～12%。本次试验对堆焊层表面、表面以下2 mm、表面以下5 mm 处分别取3 组试样进行铁素体含量（质量分数）测定，铁素体含量分别为0%，5%，5%（详见表4），检测结果满足GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》标准要求。

表4 铁素体含量（质量分数）

4 结论

通过制定工艺方案，选择焊接材料，并经过多次试验，选择了优化的焊接工艺参数，经工艺评定、无损检测及化学成分测定等，证明了试件满足产品使用要求，验证了工艺方案的合理性。在产品制造过程中，严格执行焊接工艺，强化焊接过程控制，完善了在S31603III 法兰密封面上堆焊Inconel625 合金的工艺，从而满足产品要求。