Inconel 625堆焊接頭組織與性能分析

秦建，王麗，黑鵬輝，陳巨輝，馬偉敬，王慶江，呂曉春，徐玉君

(1.洛陽船舶材料研究所，河南 洛陽471000;2.機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱150028)

0 前 言

換熱器作為實現物料之間熱量傳遞過程的設備在石化、煉油、動力等工業部門廣泛應用[1]。由于其在服役過程中長期經受高溫、高壓、酸堿性介質腐蝕，因此其材質往往選用不銹鋼材料。隨著煉化產品介質及環境的復雜化，傳統的不銹鋼材質已經不能滿足使用要求，鎳基耐蝕合金由于其具有優良的耐熱和耐蝕性而在石油化工、電力和宇航等行業得到了推廣應用[2]。鎳基材料價格昂貴，比較經濟的方法是在不銹鋼內壁堆焊鎳基材料以保證設備的抗腐蝕能力，這就涉及到鎳基合金和不銹鋼異種材料的焊接問題，由于鎳基合金本身就具有較高的熱裂紋敏感性及較差的液態金屬流動性，因此在焊接過程中往往要采用一定的工藝措施來保證焊接的質量[3]。

文中采用手工電弧焊方法在0Cr18Ni10Ti 奧氏體不銹鋼表面堆焊ENiCrMo-3 鎳基焊材，通過分析堆焊層的顯微組織、化學成分和力學性能，以期為后續換熱器上鎳基－不銹鋼異種材料連接的焊接工藝的改進及生產制造提供試驗依據。

1 焊接性分析

1.1 0Cr18Ni10Ti不銹鋼焊接性分析及對策

0Cr18Ni10Ti 為奧氏體不銹鋼，該鋼種是在原304不銹鋼的化學成分基礎上添加Ti元素來防止晶間腐蝕。其合金元素為鉻和鎳，根據需要又含有Ti、Mo、Mn 等，具有穩定的奧氏體組織，加熱無相變，無鐵磁性。奧氏體不銹鋼韌性高，脆性轉變溫度低，具有良好的耐蝕性和高溫強度、抗氧化性、可加工性以及良好的焊接性能。

奧氏體不銹鋼在焊接過程中，易形成方向性很強的粗大柱狀晶組織，一些雜質元素及合金元素如S、P、Si 易于在晶間形成低熔點的液態膜，而奧氏體不銹鋼的熱導率小且線膨脹系數大，在焊接過程的不均勻加熱和冷卻條件下，焊接接頭在高溫下停留時間較長，承受較高的拉伸應力與拉伸應變，容易在焊縫處產生熱裂紋。產生熱裂紋的傾向，除與材料本身的化學成分有關外，也要采取合理的焊接工藝措施，在奧氏體不銹鋼的焊接過程中，一般要求焊接熱輸入較低，避免焊接接頭及熱影響區的過熱現象，相比碳鋼及低合金鋼，焊接熱輸入要低20%左右。同時為保證不銹鋼的耐腐蝕性，焊前及焊后的清理工作也至關重要。

1.2 Inconel 625焊接性分析及對策

Inconel 625合金屬于Ni-Cr-Mo合金，其合金體系中有較高的Cr 及Mo含量，因此既耐還原性介質腐蝕又耐氧化性介質腐蝕，同時在氧化－還原復合介質中也具有極強的耐蝕性，因此該合金在石油煉化產品制造中得到了大量的應用。Inconel 625 在具有良好耐蝕性的同時也具有優異的室溫和高溫力學性能。

鎳基合金在凝固過程中，焊縫金屬中由于柱狀晶的成長使剩余液態金屬中溶質元素含量增加，凝固最后階段在柱狀晶形成低熔點液態薄膜，由于液態金屬薄膜的強度較低，且變形能力極差，容易產生結晶裂紋。結晶裂紋的敏感性與焊縫金屬結晶溫度區間的大小、合金元素及雜質的含量、凝固過程施加的應變及冷卻速度的快慢有關。

鎳基合金在焊接過程中要嚴格限制焊接熱輸入的大小，高熱輸入焊接鎳基耐蝕合金會造成過度的偏析、碳化物的沉淀或其他的有害的冶金現象，同時也會在熱影響區產生一定程度的退火和晶粒的長大。另外鎳基合金的金屬流動性較差，潤濕鋪展性較弱，即使增大焊接電流也不能改進焊縫金屬的流動性，反而起著有害的作用。焊接電流的增大不僅會造成熔池的過熱，增大熱裂紋的敏感性，而且會使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發，導致氣孔的出現。

2 焊接對策分析及試驗方法

試驗母材為0Cr18Ni10Ti 奧氏體不銹鋼，選用的試板尺寸為480 mm×180 mm×60 mm?？紤]到鎳基耐蝕合金的焊接和奧氏體不銹鋼焊接，都具有熱裂紋的傾向，所以它們之間的焊接要避免產生熱裂紋，故考慮使用焊接熱輸入較低的手工電弧焊。堆焊焊條選用ENi-CrMo-3 鎳基焊材。母材及焊材化學成分見表1。

表1 試驗用母材及焊材成分(質量分數，%)

結合上述奧氏體不銹鋼及鎳基合金材料的特點，為了防止產生熱裂紋和氣孔等焊接缺陷，在焊接過程中，需要采取一定的工藝措施來保證焊接的質量。具體措施如下:

(1)由于鎳基焊接材料對焊件表面的油污、濕銹等較為敏感，焊件表面的清潔性是成功地焊接鎳基合金N06600 材料的一個重要的要求，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。鎳基合金表面氧化皮的熔點比母材高很多，常常在焊縫金屬中形成夾渣或細小的不連續氧化物，一般射線探傷或著色滲透檢查不出來。脆化元素一般有S、P、Pb、Sn、Zn 等，焊接時它們與Ni形成低熔點共晶，產生熱裂紋，其危害大，所以焊接前一定要徹底清理待焊接區表面，用砂輪將焊接試板進行打磨，直到露出金屬光澤，并使用丙酮或酒精溶液進行清洗。經過前期的清理工作可以減少氣孔、裂紋等缺陷的產生。

(2)焊條在使用前要充分烘干，烘干溫度一般在250～350℃，保溫2 h。

(3)焊接時應當使用小電流，短弧操作，運條時焊條不作橫向擺動，并使用盡可能快的焊接速度。

(4)焊完1 道后，要待工件冷卻至不燙手時方可再焊下1 道。嚴格控制道間溫度，一般道間溫度應控制在100℃以下。

(5)為防止弧坑裂紋，每根焊條焊完后需將弧坑處打磨;終斷弧時，一定要將弧坑填滿或把弧坑引出。

試驗過程中首先使用φ4 mm的ENiCrMo-3的焊條在試板表面堆焊過渡層，過渡層厚度2 mm。仔細檢查無缺陷后，繼續使用該焊條堆焊復層，保證總厚度不低于8 mm。表2為所選用的焊接工藝參數。

表2 焊接工藝參數

焊后采用線切割方法切取堆焊層橫截面試樣，經研磨、拋光、腐蝕后進行宏觀及微觀組織觀察并檢驗是否有缺陷存在。使用銑床制取側彎試樣以考察堆焊接頭的抗彎強度及塑性儲備?？紤]到實際產品試件的服役條件，對熔敷金屬的抗拉強度進行測試。同時在堆焊層表面取金屬碎屑進行化學成分檢驗。

3 試驗結果與分析

3.1 焊接接頭組織分析

圖1為使用硫酸銅－鹽酸水溶液浸蝕后堆焊層的宏觀金相圖片。從圖中可以看出鎳基堆焊層在不銹鋼表面熔合良好，熔合區以及堆焊層部分未出現裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等焊接缺陷。

圖1 堆焊層宏觀金相圖片

圖2為使用王水腐蝕后的堆焊層近表面層顯微組織。顯微組織分析可以看出，焊縫顯微組織為枝晶狀的γ 組織，晶粒呈柱狀晶分布，有一定的方向性，在結晶的過程中出現了一定程度的晶界偏析現象，但偏析程度較小，對堆焊層的耐腐蝕性不會造成太大的影響。由于在焊接過程中嚴格地控制焊接熱輸入，γ 組織枝晶比較細小，有些部位的枝晶方向發生了一定程度的紊亂。這是由于在表面處空氣對流冷卻等因素，即可以通過基體，又可以通過周圍環境散熱，而且由于熱源的能量分布不是十分均勻，只要某一微區晶體的擇優取向與該區的散熱反方向一致，該晶體即可長大，故堆焊層上部的組織有時也會出現枝晶生長方向紊亂區;熔池上部的結晶速度加快，故所得到的組織較細小。

圖2 堆焊層顯微組織

3.2 堆焊層化學成分分析

焊后對堆焊層表面進行化學成分分析試驗，試驗結果如表3所示。堆焊層的化學成分以Ni元素和Cr元素為主。C含量處于較低水平，僅為0.052%。堆焊層中Fe元素含量相比焊材熔敷金屬略有增加，這主要是焊接過程中母材的Fe元素向熔敷金屬過渡所致，但仍能夠滿足標準要求，Fe元素污染處于較低水平。雜質元素P、S含量均較低?；瘜W成分檢測結果表明所選用焊接工藝措施能夠保證鎳基堆焊層的耐腐蝕性能。

表3 堆焊層化學成分(質量分數，%)

3.3 焊接接頭力學性能分析

在焊接試樣探傷合格的情況下，按照NB/T 47014—2011《承壓設備用焊接工藝評定》中的要求，對堆焊試樣進行橫向側彎試驗，同時也對堆焊層的拉伸性能指標進行考核，試驗結果如表4所示。

從表4可以看出，堆焊層具有比較理想的抗拉強度和屈服強度，具有較低的屈強比(0.69)，說明堆焊層在有良好的強度的前提下也擁有足夠的韌性儲備。圖3為拉伸斷口的微觀形貌，斷口變形較大，整個斷口反映出了明顯的樹枝晶組織特征，其微觀形貌均呈細小韌窩特征，韌窩較深，變形量較大，為典型的韌性斷裂。

表4 力學性能試驗結果

圖3 拉伸斷口形貌特征

彎曲試驗結果表明在焊縫和熱影響區內不存在焊接缺陷，在焊接過程中沒有出現韌性的降低，說明了所采取的焊接工藝措施能夠獲得滿足要求的焊接接頭。

4 結 論

(1)依據奧氏體不銹鋼及鎳基合金材料的特點，采用合理的焊接工藝可以得到熔合良好、無焊接缺陷的堆焊接頭。

(2)焊接試樣堆焊層顯微組織為枝晶狀的γ 組織;化學成分檢測未見異常。焊接接頭彎曲性能及堆焊層拉伸性能能夠滿足制造要求。

[1]魏娜然，劉明亮.鎳基材料在換熱器中的應用及其焊接工藝[J].焊接質量控制與管理，2014，43(7):64－66.

[2]李箕福，王移山，薛春月，等.不銹鋼及耐蝕耐熱合金焊接100 問[M].北京:化學工藝出版社，2000.

[3]成炳煌.焊接手冊(2)·焊接材料[M].北京:機械工業出版社，2008:848－899.