Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊試驗(yàn)研究

張淑雁，任旭升，徐 成，王智慧，馬秀清

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海201518；2.重慶大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，重慶400044；3.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞檢測(cè)所有限責(zé)任公司，上海201518）

Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊試驗(yàn)研究

張淑雁1，任旭升2，徐 成1，王智慧3，馬秀清3

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海201518；2.重慶大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，重慶400044；3.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞檢測(cè)所有限責(zé)任公司，上海201518）

為了解決Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊的焊接難點(diǎn)，從鎳基合金帶極電渣堆焊焊接性能分析，以及焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響等方面入手，探尋最佳的Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊焊接工藝。經(jīng)過大量針對(duì)性試驗(yàn)后，確定了一套較為合適的焊接工藝參數(shù)，并進(jìn)行了試件的焊接。通過對(duì)試件堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能、金相檢驗(yàn)及腐蝕試驗(yàn)來驗(yàn)證所選焊接工藝的合理性、可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該堆焊工藝合理有效，堆焊層能夠滿足工程要求。

焊接；Inconel 625；鎳基合金；電渣堆焊；金相檢驗(yàn)；腐蝕試驗(yàn)

Inconel 625（以下簡(jiǎn)稱625）合金屬鎳鉻鉬系鎳基耐蝕耐熱變形合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化能力。625鎳基合金由于含有較高的合金元素，對(duì)于氧化和還原的各種腐蝕介質(zhì)都具有非常出色的抗點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的能力，并且不會(huì)產(chǎn)生由于氯化物引起的應(yīng)力腐蝕開裂[1-2]。因此625鎳基合金被越來越多的應(yīng)用于石油化工、海洋及航天航空等領(lǐng)域[3-5]。上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司為某氣田所制的井口分水分離器，其介質(zhì)主要為酸氣、污水、酸液，介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，從保證設(shè)備強(qiáng)度及降低制造成本出發(fā)，設(shè)備主體材料選用Q345R，對(duì)設(shè)備內(nèi)壁進(jìn)行625鎳基合金堆焊，以保證設(shè)備的抗腐蝕性。

筒體內(nèi)壁大面積的625鎳基合金堆焊可用帶極電渣堆焊（ESW）和帶極埋弧堆焊（SAW）。帶極電渣堆焊是在帶極埋弧堆焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而與帶極埋弧堆焊相比，帶極電渣堆焊具有較高的熔敷率、較低的稀釋率以及堆焊層成分更加均勻、表面美觀等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，因此選擇電渣帶極堆焊進(jìn)行筒體內(nèi)壁大面積的625鎳基堆焊更為合理、有效。然而，625鎳基合金堆焊自身有較多難點(diǎn)，焊接過程控制不當(dāng)易造成堆焊層裂紋、稀釋率增大、抗腐蝕性能降低等問題。因此，本研究對(duì)影響625鎳基合金帶極電渣堆焊的焊接因素進(jìn)行分析，并通過堆焊層化學(xué)成分分析、力學(xué)性能、金相檢驗(yàn)及腐蝕試驗(yàn)等來驗(yàn)證所確定的焊接工藝，同時(shí)對(duì)625鎳基合金堆焊層的綜合性能進(jìn)行合理評(píng)估。

1 工藝難點(diǎn)及對(duì)策

625鎳基合金帶極電渣堆焊存在以下幾個(gè)工藝難點(diǎn)：

（1）625鎳基合金堆焊層焊縫凝固過程中，焊縫金屬通常以柱狀晶形式長(zhǎng)大，剩余液態(tài)金屬中雜質(zhì)元素含量增加，雜質(zhì)元素與鎳易形成低熔點(diǎn)共晶物，使得結(jié)晶過程中產(chǎn)生雜質(zhì)偏析現(xiàn)象，最后在凝固階段易形成低熔點(diǎn)偏析帶，由于該偏析帶的強(qiáng)度較低，且變形能力極差，容易使焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[9]。

（2）625鎳基合金的金屬流動(dòng)性較差，潤(rùn)濕鋪展性較弱，容易使堆焊層焊縫產(chǎn)生咬邊及未熔合等缺陷，即使增大焊接電流也不能明顯改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而容易造成熔池的過熱，增大熱裂紋的敏感性，而且會(huì)使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)[10]。

（3）由于帶極電渣堆焊使用的焊接規(guī)范較大，當(dāng)參數(shù)匹配不當(dāng)時(shí)，易造成母材熱影響區(qū)和堆焊過渡層組織粗大，導(dǎo)致堆焊層韌性下降，增大氫脆傾向[11]。

為了防止上述問題的產(chǎn)生，在焊接過程中，需要采取一定的工藝措施來保證625鎳基合金帶極電渣堆焊的焊接質(zhì)量，具體措施如下：

（1）焊接前須清理堆焊母材表面，用砂輪將焊接試板進(jìn)行打磨，直到露出金屬光澤，并使用丙酮或酒精溶液進(jìn)行清洗。徹底清除母材表面殘留的氧化皮和引起脆化的S、P、Pb、Sn和Zn等元素，避免它們與Ni形成低熔點(diǎn)共晶，降低焊縫產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）嚴(yán)格控制堆焊道間溫度以減小熱裂紋風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可起到細(xì)化焊縫晶粒的作用。

（3）合理調(diào)整焊接參數(shù)，減少焊接熱輸入，降低母材稀釋率。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材選用舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司的Q345R鋼板，試板厚度26 mm；焊接材料選用天泰焊材（昆山）公司生產(chǎn)的TBD-61焊帶及其配套生產(chǎn)的電渣堆焊專用焊劑ML-306，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，焊劑規(guī)格20～80目，焊劑中含有較高的氟化物CaF2和半導(dǎo)體TiO2，同時(shí)含有較低的SiO2，既能形成穩(wěn)定導(dǎo)電的熔融焊渣，又不至于產(chǎn)生SiF4氣體，焊帶及熔敷金屬（堆焊層）化學(xué)成分見表1。

表1 焊帶及熔敷金屬化學(xué)成分 %

3 主要焊接參數(shù)分析及確定

3.1 焊接電流

帶極電渣堆焊采用直流正接（DCEN）時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的飛濺，從而影響焊接的穩(wěn)定性，因而本試驗(yàn)采用電弧穩(wěn)定性及焊接操作性更好的直流反接（DCEP）。

雖然帶極電渣堆焊對(duì)電流的適應(yīng)性較強(qiáng)，但電流過小會(huì)造成引弧困難,易出現(xiàn)咬邊；電流過大，又會(huì)使焊縫熔深增大，增加母材稀釋率，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大焊接飛濺，使焊道成形不良[12]。

3.2 焊接電壓

帶極電渣堆焊時(shí)，焊接電壓太高，會(huì)引起飛濺和焊接不穩(wěn)定；而電壓太低，則會(huì)增加焊帶短路的風(fēng)險(xiǎn)，引起焊接熄弧。堆焊過程中，電壓波動(dòng)越小，則電弧燃燒就越穩(wěn)定，焊帶的熔化也就越規(guī)則，因此焊接時(shí)應(yīng)控制電壓在較窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.3 焊接速度

焊接速度與焊接電流對(duì)焊道的尺寸、熔深、稀釋率和熱輸入有著很大的影響。相同焊接電流下，速度太小，容易產(chǎn)生夾渣，且母材受熱時(shí)間長(zhǎng)，堆焊層組織粗大、熔深增大；速度太快，則容易產(chǎn)生焊道成形不良、飛濺增加和未熔合等缺陷。

3.4 道間溫度

堆焊道間溫度過高時(shí)，會(huì)使焊接接頭過熱而產(chǎn)生粗大晶粒，而焊接所形成的低熔點(diǎn)共晶物更容易在粗大晶粒邊界上聚集，在焊接應(yīng)力的作用下很容易形成晶間熱裂紋及堆焊金屬多邊化裂紋，因而鎳基堆焊時(shí)將道間溫度控制在180℃以內(nèi)較為合理。

3.5 焊帶干伸長(zhǎng)

焊帶干伸長(zhǎng)過長(zhǎng)會(huì)造成引弧困難、焊帶過熱、剛性太差和帶極熔化不均勻等缺陷，從而使焊接過程不穩(wěn)定，焊道成形不良；焊帶干伸長(zhǎng)過短，易造成導(dǎo)電嘴黏渣，甚至造成導(dǎo)電嘴燒損。

3.6 焊劑覆蓋厚度

焊劑覆蓋厚度太薄，不能建立一個(gè)穩(wěn)定的熔池，保護(hù)效果差，脫渣困難。一般情況覆蓋厚度應(yīng)大于干伸長(zhǎng)0～5 mm，在此基礎(chǔ)上增加厚度，未熔化的焊劑過多，焊接過程不穩(wěn)定，且稀釋率和焊劑消耗率增加[13]。

3.7 焊道搭邊量

焊道搭邊量太小，搭接處易產(chǎn)生夾渣、未熔合；搭邊量過大，則搭接處凸起，焊道不平。

4 試樣的焊接及熱處理

通過大量針對(duì)性試驗(yàn)，逐一確定上述主要焊接參數(shù)的最佳范圍（見表2），采用表2焊接參數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行焊接。焊接過程中，電流穩(wěn)定，無飛濺，渣殼自動(dòng)翹起，脫渣容易，無黏渣，焊道均勻，成形良好。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理規(guī)范進(jìn)行試樣的焊后消除應(yīng)力熱處理，熱處理溫度620℃，保溫時(shí)間8 h。

表2 焊接規(guī)范參數(shù)

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 化學(xué)分析

在距離焊縫熔合線4 mm處取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表3。從表3可以看出，與裸鋼帶化學(xué)成分相比，堆焊熔敷金屬的Cr、Ni、Mo、Nb等主要合金元素含量稍有下降，但仍遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，而Fe含量增加較小。這些現(xiàn)象表明，在該焊接規(guī)范下，母材對(duì)堆焊層的稀釋率比較低，保證了堆焊層4 mm以上范圍內(nèi)滿足625鎳基合金成分要求，確保了堆焊層的耐腐蝕性能。

表3 堆焊熔敷金屬及裸鋼帶化學(xué)成分 %

5.2 力學(xué)性能

制取4個(gè)試樣，分別進(jìn)行彎曲試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4，彎曲試樣如圖1所示。為驗(yàn)證堆焊接頭強(qiáng)度，依據(jù)GB/T 6396—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堆焊試樣進(jìn)行堆焊層的剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，堆焊層與基層的剪切強(qiáng)度為345 MPa，遠(yuǎn)大于鎳-鋼復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)[14]所要求的210 MPa。堆焊截面無任何焊接缺陷，堆焊層表現(xiàn)出了良好的塑性。

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 彎曲試樣

5.3 硬度試驗(yàn)

分別對(duì)堆焊試樣的表面焊縫區(qū)、斷面焊縫表層、斷面過渡層、斷面熱影響區(qū)、斷面基層進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)區(qū)檢測(cè)4點(diǎn)，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，堆焊面層的硬度較高，使堆焊層能夠有較好的強(qiáng)度及良好的變形抗力；相比基材層，熱影響區(qū)的硬度值稍高，這主要是由于淬硬組織的產(chǎn)生，但該區(qū)最高硬度值仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；而由于二次焊接熱作用，堆焊過渡層的硬度有一定程度的降低，使焊接接頭整體保持了良好的塑性和韌性。

圖2 焊接接頭硬度分布圖

5.4 宏觀金相及微觀組織

取堆焊焊道搭接處剖面為宏觀金相檢驗(yàn)面，經(jīng)機(jī)械拋光，三氯化鐵、鹽酸的水溶液輕腐蝕后，用5倍放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)有層下裂紋、夾雜及其他缺陷。

圖3 焊接接頭顯微組織照片

將試樣用王水腐蝕后對(duì)堆焊焊接接頭進(jìn)行顯微組織分析，各區(qū)顯微組織如圖3所示。堆焊面層主要由奧氏體胞狀樹枝晶晶粒組成[15]，晶粒較粗大，這是由于電渣焊熱輸入較大導(dǎo)致。在長(zhǎng)條胞狀樹枝晶中還彌散了少量析出物及晶界碳化物組織，同時(shí)可看出在結(jié)晶過程中有一定程度的晶界偏析現(xiàn)象，但偏析程度較小，對(duì)堆焊層的耐腐蝕性不會(huì)造成太大的影響。堆焊過渡層也是由奧氏體長(zhǎng)條胞狀樹枝晶晶粒組成，但在靠近面層的過渡區(qū)域，堆焊面層的二次焊接熱使部分奧氏體晶粒發(fā)生了一定程度的重結(jié)晶和再形核生長(zhǎng)，起到了一定的晶粒細(xì)化作用；另一方面，由于該區(qū)域散熱的多向性，使堆焊層中部組織生長(zhǎng)方向比較紊亂。母材和熱影響區(qū)均為鐵素體+珠光體組織，未見組織異常或熱影響區(qū)晶粒粗大等現(xiàn)象；由于受到焊接熱作用，熱影響區(qū)消除了部分母材帶狀組織，有利于提高焊接接頭的綜合力學(xué)性能。

5.5 腐蝕試驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行620℃×8 h的熱處理工藝是依據(jù)基層材料而定的，然而該溫度對(duì)于堆焊層而言，剛好在易產(chǎn)生敏化的區(qū)域，容易導(dǎo)致堆焊層的抗腐蝕性能下降。為驗(yàn)證堆焊層的抗腐蝕性能，分別進(jìn)行如下腐蝕試驗(yàn)。

（1） 依據(jù)ASTMA262—2014C法（HUEY法），取2個(gè)試樣分別進(jìn)行5個(gè)周期的晶間腐蝕試驗(yàn)，最大腐蝕速率為0.408 mm/a和0.456 mm/a，平均腐蝕速率均為0.384 mm/a，小于制造條件所要求的0.936 mm/a，因此本堆焊試樣晶間腐蝕合格。

（2）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5362—2006，取3個(gè)試樣在（143±1） ℃（沸騰）的 42%MgCl2溶液中經(jīng) 96 h×2周期試驗(yàn)后，用10倍放大鏡觀察堆焊層試樣，3個(gè)試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明堆焊層氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)合格。

從堆焊層腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可看出，雖然經(jīng)過了敏化區(qū)域的熱處理，625鎳基合金堆焊層表面仍有良好的抗腐蝕性能，這與合理的帶極電渣堆焊工藝是分不開的。因?yàn)?25鎳基合金的腐蝕性能與合金中Cr、Mo、N等含量有直接的關(guān)系，Cr可促進(jìn)鋼在氧化性介質(zhì)中表面形成富鉻氧化膜，從而阻止金屬的離子化而產(chǎn)生鈍化作用，提高金屬的耐均勻腐蝕性能；Mo可提高鋼在還原性介質(zhì)中的耐蝕性；N在合金鋼中提高了淬透性，降低了過熱的敏感性，同時(shí)增加了碳化物的穩(wěn)定性。本研究所采用的堆焊工藝可保證堆焊層4 mm以上合金層中Cr、Mo、N等的含量，從而保證了堆焊層的抗腐蝕性能。

6 結(jié) 論

（1）合理的焊接參數(shù)控制，可實(shí)現(xiàn)Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊，焊縫成形美觀。

（2）合理的焊接參數(shù)下，堆焊層Cr、Ni、Mo、Nb等主要合金元素含量較高，而Fe含量增加較少，保證了Inconel 625鎳基合金的成分要求。

（3）經(jīng)焊后熱處理后，試樣的強(qiáng)度、硬度、塑性及抗腐蝕性能均可滿足要求。

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Experiments Study on Inconel 625 Nickel-Based Alloy Strip with Electroslag Cladding

ZHANG Shuyan1，REN Xusheng2，XU Cheng1，WANG Zhihui3，MA Xiuqing3
（1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201518,China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University，Chongqing 400044，Sichuan,China；3.Machinery Industry Shanghai Lanya Inspection Institute Co.,Ltd.,Shanghai 201518,China）

In order to solve the welding difficulties of electroslag cladding welding with Inconel 625 nickel-base alloy strip and find the best electroslag cladding welding procedure,the welding performance of electroslag cladding welding was analyzed，the effects of welding parameters to the welding quality was also discussed in this article.A set of suitable cladding welding procedure of Inconel 625 Ni-base electroslag cladding was summarized by lots of specific test.The rationality and feasibility of the welding procedure was checked by chemical analysis，mechanical property test，metallographic examination，corrosion test and so on.The results showed that the cladding welding procedure was suitable and the cladding layer was applicable to product.

welding;Inconel 625；nickel-base alloy；electroslag cladding；metallographic examination；corrosion test

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.003

張淑雁（1987—），女，碩士研究生，主要從事壓力容器焊接研究工作。

2016－05－08

李紅麗