哈氏合金C276焊接工藝研究

徐紅軍 陸歡軍

1. 概述

目前，哈氏合金在國外已廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域，在國內(nèi)也有少量應(yīng)用，但在核電領(lǐng)域只有美國等曾經(jīng)應(yīng)用于核能發(fā)電，國內(nèi)還是一片空白。目前主要問題對其性能不是特別清楚，尤其是高溫下的耐腐蝕性能。本課題研究的主要方向是選擇哈氏合金中能夠買到的C276材料作為一期項(xiàng)目的對象，通過選擇合適的焊材、工藝，摸索出符合產(chǎn)品要求的焊接工藝，使其具備操作價(jià)值。

本文選用2mm和6mm兩種規(guī)格板厚進(jìn)行試驗(yàn)，確定相應(yīng)的焊接工藝，并確定該焊接工藝條件下的焊接試件在核電高溫狀態(tài)下是否符合耐腐蝕要求，制定焊接工藝規(guī)范，并完成相應(yīng)規(guī)格厚度的焊接工藝評定報(bào)告，制定適合核電要求的焊接工藝規(guī)程用于指導(dǎo)工程施工。

2. 焊接工藝技術(shù)難點(diǎn)分析及措施

（1）焊接性分析 哈氏合金的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)要比低碳鋼低得多，而電阻率和膨脹率都比低碳鋼高得多，熔池流動(dòng)性差，潤濕性差，穿透力小，熔深淺。所以，容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋、未焊透及未熔合等缺陷。

產(chǎn)生氣孔原因：哈氏合金焊接前坡口處理不干凈，天氣潮濕，焊接過程中熔池保護(hù)不好，氫、氮等氣體容易滲入熔池。由于合金固、液相溫度間距小，流動(dòng)性偏低，所以非可溶性氣體在熔池凝固時(shí)來不及逸出，殘留在焊縫中而生成氣孔。

熱裂紋：硫、磷等雜質(zhì)形成的低熔點(diǎn)晶間液膜和焊接拉伸應(yīng)力是引發(fā)焊接熱裂紋的冶金因素。由于合金焊縫具有樹枝狀組織，在粗大晶粒的邊界上，集中了一些低熔點(diǎn)共晶體和低熔點(diǎn)金屬，特別是Ni-S共晶（熔點(diǎn)為645℃），Ni-P共晶（熔點(diǎn)為880℃），它們呈薄膜狀分布在晶界之間，所以在焊接應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。

易氧化：合金中的Ni、Cr原子非常活躍，使得合金焊接時(shí)焊縫極易氧化，嚴(yán)重時(shí)呈豆腐渣狀，使金屬耐腐蝕性能急劇下降，同時(shí)也是產(chǎn)生裂紋的主要原因。因此，焊接時(shí)應(yīng)加強(qiáng)氬氣保護(hù)，同時(shí)焊絲一般盡可能選用較細(xì)的直徑(1.2~2.4mm)，小的焊接參數(shù)有利于補(bǔ)償焊接過程中某些元素的燒損和對焊接裂紋和氣孔的控制。

（2）技術(shù)難點(diǎn) 焊接變形控制，焊接背面保護(hù)，焊接試件耐腐蝕研究。

（3）技術(shù)措施 為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長大及碳化物的析出，一般應(yīng)采用低的焊接熱輸入，但鎳基合金熔池金屬流動(dòng)性差，熔深淺，易形成未焊透，故焊接熱輸入也不能太小。解決方法是，焊接電流中等，焊速高，用減少高溫停留時(shí)間控制焊接熱輸入。

為提高焊縫的抗裂性能和耐腐蝕性能，焊接時(shí)要特別注意焊接區(qū)的清潔，避免有害雜質(zhì)熔入焊縫。

焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長大及碳化物的析出，應(yīng)控制低的層間溫度。一般不超過100℃

3. 焊接工藝

（1）焊接方法確定 根據(jù)板材厚度及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定采用鎢極氬弧焊工藝。

（2）焊接設(shè)備、場地準(zhǔn)備 焊機(jī)應(yīng)選用具備高頻引弧、息弧、電流衰減，提前送氣和延時(shí)斷氣功能的鎢極氬弧焊機(jī)，焊機(jī)應(yīng)性能穩(wěn)定，經(jīng)過比較，選用唐山松下焊機(jī)。

坡口或焊縫表面清理須使用專用工具，防止鐵銹和其他雜質(zhì)污染：不銹鋼鋼絲刷、金剛石砂輪片。

哈氏合金焊接應(yīng)設(shè)置專用場所，嚴(yán)禁碳鋼、低合金鋼材料混入。加工場地應(yīng)保持干凈、干燥且通風(fēng)良好。

（3）焊前試板準(zhǔn)備 母材試板應(yīng)采用機(jī)械方法加工坡口，宜采用較慢的加工速度，防止局部溫度過高。如果焊件帶有大量的殘余冷加工（超過7%）容易導(dǎo)致焊接金屬或焊接熱影響區(qū)發(fā)生應(yīng)力開裂。

清理表面污物：C276合金焊接接頭距坡口40mm的范圍內(nèi)母材表面上的金屬碎屑、磨料粉塵、灰塵等殘余的污物，均要用奧氏體不銹鋼絲刷和干凈的新棉紗將其清除干凈。所用的工具必須是專用的，不得使用砂紙和碳鋼鋼絲刷。

丙酮（或酒精）清洗：焊接前應(yīng)用丙酮或酒精對坡口表面進(jìn)行清洗，去除表面油污等雜質(zhì)，并應(yīng)采取措施防止二次污染。

（4）焊接參數(shù) 選用ERNiCrMo—4、φ2.4mm焊絲；焊接接頭的坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式

哈氏合金在焊接中都比較粘以及不容易流動(dòng)和潤濕側(cè)邊，不容易焊透，因此，焊接時(shí)的坡口要盡可能大（通常為60°~75°），不留鈍邊或較薄的鈍邊，鈍邊之間應(yīng)留有一定的間距（一般為焊絲直徑），由于這種低熔透的特性，熔融不完全的可能性就增加了。鎳基合金容易在開口位置開裂，因此在焊縫的開始和結(jié)束位置進(jìn)行打磨。

焊接參數(shù)：不同厚度的板材焊接所采用的焊接參數(shù)如表1、表2所示。

進(jìn)行多道焊接時(shí)，道間的溫度控制是很重要的，過熱的層間溫度會(huì)使焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生大量沉淀相，造成耐腐蝕性大大降低。一般層間溫度≤93℃。

（5）焊接變形控制 薄壁板材焊接時(shí)，試件縱向和橫向都極易產(chǎn)生變形，從而造成焊后力學(xué)性能試樣無法加工，另外在封底焊時(shí)焊接變形使背面保護(hù)效果下降，影響根部焊接質(zhì)量。為此我們設(shè)計(jì)了圖2所示的保護(hù)及控制變形裝置，以減小焊后變形。

（6）焊接背面保護(hù) 哈氏合金焊接時(shí)，背面應(yīng)充氬保護(hù)， 如果沒有很好的保護(hù)，根部就會(huì)產(chǎn)生氧化層，如圖3所示。當(dāng)根部焊接不合格時(shí)，背面的焊縫表面發(fā)黑、粗糙，而且根部的截面不規(guī)則。

惰性氣體保護(hù)措施：氬氣純度≥99.99%；保護(hù)方法：內(nèi)外側(cè)同時(shí)充氬保護(hù)，另外，應(yīng)采取特別措施防止因焊接變形使背面保護(hù)失效，故應(yīng)采用新塑料管輸送氬氣，最好在焊第二道時(shí)背面也要充氬保護(hù)。

（7）焊接試件試驗(yàn) 力學(xué)性能試驗(yàn)：焊接試件根據(jù)工藝評定要求，參照NB/T47014—2011標(biāo)準(zhǔn)及焊件使用狀態(tài)，進(jìn)行常溫拉伸、彎曲、高溫拉伸（600℃， 700℃， 750℃）及顯微硬度試驗(yàn)，以檢測不同狀況下的使用性能。

金相檢驗(yàn)：焊接試件焊縫及熱影響區(qū)的金相檢驗(yàn)，目的是了解焊接接頭的組織變化及檢查焊接接頭的缺陷。t=3mm和6mm的焊接試樣其焊接接頭金相照片如圖4和圖5所示。從整個(gè)接頭上可以看出，熱影響區(qū)和焊縫沒有出現(xiàn)焊接缺陷。

3mmC276焊接接頭金相組織分析：圖6a、6b為母材組織照片，可以看出母材為全奧氏體組織，晶粒內(nèi)部有大量孿晶存在，母材晶粒尺度在50μm左右，較為細(xì)小；圖6c為熱影響區(qū)組織及熔合線，通過對比圖6a、6b和圖6c可知，熱影響區(qū)組織晶粒度相較于母材變化不大。隨著不斷靠近焊縫中心，熔融金屬凝固時(shí)的過冷度不斷降低，焊縫金屬由方向性較強(qiáng)的柱狀晶逐漸向等軸晶轉(zhuǎn)變。整個(gè)熱影響區(qū)和焊縫沒有出現(xiàn)焊接缺陷。

表1 C276焊接參數(shù)（t=3mm）

表2 C276焊接參數(shù)（t=6mm）

圖2 背面保護(hù)及控制變形裝置

圖3 背面保護(hù)不良

圖4 t=3mm接頭金相組織

圖7 為6mmC276焊接接頭各區(qū)域金相組織照片，圖7a、7b為母材組織照片，可以看出母材為全奧氏體組織，晶粒內(nèi)部有大量孿晶存在，晶粒尺度在100μm左右，比3mm板材的晶粒粗大，且晶粒大小不一。圖7c為焊接接頭熔合區(qū)，隨著靠近焊縫中心，組織由圖7d柱狀晶向圖7F等軸晶過渡。整個(gè)熱影響區(qū)和焊縫沒有出現(xiàn)焊接缺陷。

圖5 t=6mm接頭金相組織

圖6 進(jìn)口3mmC276氬弧焊未時(shí)效處理

圖7 未時(shí)效6mmC276焊接接頭金相照片

4. 結(jié)語

本課題對C276哈氏合金的特點(diǎn)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，完成了2mm及6mm板厚的焊接工藝評定報(bào)告，并制定了符合現(xiàn)場施工要求的焊接作業(yè)指導(dǎo)書。通過試驗(yàn)，說明我們的焊接工藝完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為在核電工程的焊接施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。