Inconel601镍基高温合金焊接工艺研究

0前言

Inconel601作为Huntington Alloy公司于20世纪70年代开发的固溶强化镍基高温合金，具有较强的抗强氧化介质腐蚀及优良的高温强度，被广泛的应用于石油化工，航空航天，环保发电等领域

。优良的抗高温氧化性、高温力学性能等使得Inconel601在石化行业备受青睐，在脂肪酸加工领域的蒸馏器、冷凝器、加热器等上得到了有效的应用

。但由于镍基合金存在导热性及流动性差等缺点，且Inconel601合金中加入了各种固溶强化元素

，使得其焊接过程中容易出现焊接裂纹、组织偏析等缺陷。又因Ni与S、P、N、O等极易形成低熔点共晶物，焊缝极容易产生热裂纹，且Inconel601合金中含有Ti、Nb、Al等质变剂作用的元素，这些元素使焊接难度进一步增大。焊接接头作为高温耐蚀合金最薄弱的环节，在高温服役过程中，如受到腐蚀破坏，导致设备失效，会造成不可估量的损失

。因此研究Inconel601合金的焊接工艺，保证焊接接头的各项性能指标，对耐热、耐蚀设备的制造及使用具有重要意义。

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1 焊接工艺与方法

1.1 焊材材料的选择

Inconel601高温合金的化学成分见表1，固溶退火状态下的力学性能见表2。基于Inconel601合金的化学成分、力学性能及材料本身的焊接特性，应选择含碳量低、杂质元素低、Fe元素含量稍低且固溶强化元素稍高的焊接材料进行焊接。

此前选择ERNiCrFe-11作为填充焊丝，易产生结晶裂纹。焊丝ERNiCrFe-11与ERNiCr-CoMo-1的化学成分对比见表3。以图1

作为参考指南评估结晶裂纹的敏感性，随着Cr

的增加，材料对结晶裂纹变得不敏感，Cr

的增加能够有效阻止结晶裂纹的产生。由于结晶时Cr、Mo等元素不断向晶间聚集，会使焊缝的耐腐蚀能力下降。ERNiCrCoMo-1中不仅因Mo的增加，提高了铬当量 （Cr

），而且因添加了更多的Co、Mo、Al、Ti等固溶强化元素，在抑制低熔点共晶物形成、提高共晶温度的同时，形成γ’-Ni3Al相及γ’相来改善强度

。ERNiCrCoMo-1中Mo元素的低扩散性，对提高焊缝的蠕变强度有一定得作用，同时镍基合金中加入Mo元素，能够有效的改善其塑性，镍铬合金中加入6%~12%的Mo元素，会使合金具有优异的高温力学性能和耐蚀性能

。ERNiCr-CoMo-1作为填充金属，具有更高的抗裂性

。查阅焊材材质单，ERNiCrCoMo-1熔敷金属的力学性能见表4，综合考量，Inconel601合金选用强度高于母材的ERNiCrCoMo-1焊材作为焊接的填充金属。

1.2 焊接试件的制备

制备两组横向拉抻试样，如图3所示。按照GB/T 228.1—2010进行拉伸试验，拉伸试验结果见表6。通过数据，可以看出焊缝部位有更高于母材的抗拉强度，且试样有良好的室温延性。试件断后伸长率略低于母材，从试件的外观也可以看出，母材的缩颈明显大于焊缝处，故焊缝处的塑性略低于母材。

使用XXG-3005充气式X射线探伤仪对焊接试板进行100%射线检测，检测结果焊缝中无裂纹、气孔等缺陷。

1.3 焊接工艺的选择

制备Inconel601镍基高温合金弯曲试样，通过对焊缝正面及背面按照GB/T 2653—2008进行弯曲，验证焊缝及热影响区的塑性指标、接头的致密性及连续性，试验结果如图4所示，对试样进行180°弯曲试验，弯心直径为4倍试样厚度。弯曲后，试样焊缝及热影响区表面光滑，未出现裂纹、开口等缺陷，说明焊缝的强度虽略高于母材，但焊缝及热影响区仍能保持优异的塑性指标。

晶间腐蚀是镍基合金在服役过程中出现失效的一个重要因素

。晶间腐蚀是基于晶界与晶粒耐蚀性的差异，依据贫铬理论，晶间因Cr

C

的析出而产生“贫铬区”，腐蚀从“贫铬区”开始逐步向金属内部扩展，破坏晶体结构，使材料的力学性能大大下降，并最终使设备失效。根据晶间腐蚀机理，可以通过测量试样在腐蚀条件下的失重来判断其耐晶间腐蚀能力。

2 性能检测与讨论

2.1 无损检测

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2.2 力学性能试验

由于镍基合金热导率比较低，因此熔敷金属的流动性和润湿性均较差。在此条件下，焊缝熔深较浅，焊缝根部不易焊透，故可以通过增大坡口角度和减小钝边的方式实现焊缝的熔透。将300 mm×150 mm×8 mm的Inconel601合金试件，加工成70°坡口，并按图2所示形式组对焊接。

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对力学性能试验结果进行分析，抗拉强度略有上升，塑性指标略有下降，是因为焊材中添加了Co，Mo等元素，增加了焊缝金属的强度，同时对其热强性也有所提升，正是因为两种元素的增加，降低了有色金属的塑性和延性，宏观表现为拉伸试验使焊缝处的收缩率低于母材。但通过弯曲试验发现，降低的塑性，对材料的使用并没有产生较大的影响，仍然能在要求的弯曲条件下，保持材料的完整性，从而保证了焊缝在弯曲或成型的过程中，依旧保持优异的性能。

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2.3 晶间腐蚀试验

Inconel601合金的焊接极易产生凝固裂纹，因此需要严格对坡口边缘与焊材进行清理，清除焊材及坡口边缘至少50 mm范围内的污染物，避免污染物中的有害元素进入焊缝熔池，形成低熔点共晶物，产生热裂纹。同时还需要清除坡口边缘及焊材上的氧化膜，因氧化膜的熔点高于焊缝金属的熔点，未熔化的氧化膜进入熔池，极容易产生焊缝内部缺陷。焊接采用摆动的方式，增加熔池的流动性和润湿性，可以有效的解决熔敷金属流动性差造成的坡口边缘未熔合缺陷

。

按照GB/T 15260—2016 A法制作腐蚀试样，使用硫酸-硫酸铁试剂对30 mm×20 mm×2 mm试样进行微沸24 h为1周期的晶间腐蚀敏感性试验，共进行5个周期。腐蚀后宏观试样如图5所示，试验结果见表7。

根据试验结果，可以看出焊接接头保持着非常好的耐晶间腐蚀性能，这是由于焊接过程使用了较小的热输入，焊缝结晶时冷却速度较快，过冷度增大。焊缝结晶时形核速度增加，使焊缝金属形成细小的晶粒。同时在经历材料敏化区间的过程中，由于焊材中增加的Ti的稳定化作用，可以优先与碳结合，形成TiC，从而阻止了Cr、Mo等元素形成碳化物，所以焊缝中很少析出铬、钼的碳化物，又因焊材中增加了Mo的含量，提高了铬当量，弥补了因形成M

C

型碳化物损失的Cr元素，避免产生贫铬区，提高耐晶间腐蚀能力。

2.4 金相分析

使用金相显微镜观察Inconel601镍基高温合金焊接试件的微观组织如图7所示。焊缝为柱状晶的单相奥氏体组织，与热影响区、母材相比，焊缝晶粒较为细小，且没有连续的沉淀物，无明显的碳化物、中间相等组织。通过对焊缝的观察，未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

3 结论

（1）使用ERNiCrCoMo-1焊材焊接Inconel601高温镍基合金，焊缝及热影响区的抗拉强度及塑性均能得到良好的保证，且有优异的抗结晶裂纹能力，能够有效的避免结晶裂纹的产生。

（2）使用较小的热输入焊接Inconel601合金，同时因焊材中固溶强化元素的加入，提高了焊缝的耐晶间腐蚀能力。

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