不同焊接工藝對鎳基合金焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響

張丹萍，江國焱，何 冰

（東方電氣（廣州)重型機器有限公司，廣東 廣州 511455）

INCONEL 690鎳基合金組織為面心立方結構的單相奧氏體組織，含鉻量高，具有優異的耐晶間腐蝕、縫隙點蝕和應力腐蝕的性能，在高溫高壓環境下，焊縫金屬具有較高強度、高塑性、高韌性等優異的機械性能特點，被廣泛用于三代先進壓水堆核島主設備的關鍵部件，包括表面耐蝕層堆焊、接管安全端焊縫等。

但是，由于INCONEL 690鎳基合金對P，S，Pb，Zr，B，Bi等雜質元素敏感，在焊縫凝固時形成低熔點共晶體，容易產生熱裂紋等缺陷。

同時，在焊接過程中熔池黏度大，流動性不好，焊縫中易產生氣孔（N2，CO2，O2）、未熔合、DDC裂紋等缺陷，會引起焊縫金屬拉伸性能降低。

此外，Nb，Ti，Al，Mn等合金元素對鎳基合金的抗拉強度有著至關重要的影響。有試驗證明，雖然Nb的加入可以提高強度，并降低遷移碳化物Cr23C6的析出，降低DDC敏感性，但當Nb含量超過2%后，析出相粗化，對晶界的釘扎作用減弱，與脆性金屬間化合物Laves相同時形成，對材料的塑性和強度造成損害。當Ti/Al含量比高時，會形成Ni3Ti粗大片狀相，導致強度和韌性急劇下降。

除了鎳基合金焊絲本身化學成分的差異，焊接工藝方法、焊接參數（熱輸入）、層間溫度、母材的成分都會對焊縫金屬強度造成較大的影響。鎳基合金導熱性差，焊接過程中采用高熱輸入極易引起熱影響區奧氏體晶粒粗化，降低焊縫金屬強度。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試板采用帶鎳基隔離層的碳鋼試板（材質：SA-516Gr.70+690鎳基合金焊條堆焊的鎳基隔離層），試板厚度20mm；焊接材料采用當前國際主流供應商美國SMC公司生產的INCONEL 690鎳基合金焊絲（商業牌號Inconel 52M）。為了盡可能獲得較多的數據，選擇3個不同批次、但化學成分相近的典型Inconel 52M焊絲進行焊接，焊絲化學成分見表1。

表1 試驗焊絲Inconel 52M化學成分

1.2 試驗方法

試驗前，母材試板采用同一批次的690鎳基合金焊條堆焊3層隔離層后，按照圖1進行機加坡口。

試驗采用表2中的不同TIG焊焊接工藝，分別使用3個批次的Inconel 52M進行平焊位置對接焊。

表2 試驗的不同焊接工藝參數

圖1 試驗焊接坡口示意圖

焊接完成后，將試板鋸切分開，其中一半用于焊態，另一半進行消應力熱處理，熱處理制度為保溫溫度595℃～620℃，保溫時間40h。

分別對焊態和消應力熱處理態下的未稀釋熔敷金屬，按照拉伸試驗標準AWS B4.0M-2000和ASTM E21-1998進行室溫和350℃高溫拉伸試驗。

2 結果分析

2.1 焊接工藝對INCONEL690焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響

圖2 不同TIG焊工藝對室溫抗拉強度的影響

圖3 不同TIG焊工藝對高溫350℃抗拉強度的影響

1#、2#、3#三個不同批次焊絲按照不同焊接工藝焊接后，其未稀釋焊縫金屬在焊態和消應力熱處理態下室溫和350℃抗拉強度試驗結果見圖2和圖3。

本試驗設置的手工TIG和冷絲直流TIG焊接工藝的焊接熱輸入相近，其中冷絲直流TIG焊在4個焊接工藝中熱輸入最小。

從試驗結果可以看出：手工TIG和冷絲直流TIG焊焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度相近，且抗拉強度最高，室溫抗拉強度均在625MPa以上，可以滿足所有國際通用標準鎳基合金焊絲的強度要求。

本試驗設置的冷絲脈沖TIG焊接工藝，焊接熱輸入比手工TIG焊和冷絲直流TIG焊的熱輸入量大。

從試驗結果可以看出：該焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度較手工TIG和冷絲直流TIG焊接工藝下的試驗結果有所下降，但仍可以滿足不同標準體系對鎳基合金焊絲的強度要求。

本試驗設置的熱絲TIG焊接工藝，焊接熱輸入最高。從試驗結果可以看出，該焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度明顯下降，但無法滿足焊接結構的設計要求。然而，熱絲TIG焊接工藝有焊接效率高、焊縫純凈度高、焊縫質量優良的特點，因此，在熱絲TIG焊接工藝的使用上，需要考慮焊接結構的設計要求。

2.2 消應力熱處理狀態對抗拉強度的影響

為清晰對比不同消應力熱處理狀態下的焊縫金屬抗拉強度情況，將試驗數據與消應力熱處理狀態的關系用圖4和圖5表示。

圖4 不同消應力熱處理狀態對室溫抗拉強度的影響

圖5 不同消應力熱處理狀態對高溫抗拉強度的影響

從關系圖中可以看出：在相同焊接工藝下，雖然消應力熱處理狀態下的焊縫金屬室溫抗拉強度比焊態下的焊縫金屬室溫抗拉強度要高一些，但影響不大，強度提高趨勢不明顯，平均相差不超過10MPa。

3 結論

通過對INCONEL 690鎳基合金焊絲進行不同TIG焊接工藝方案下的焊縫金屬拉伸試驗，得到試驗結果如下。

（1）不同焊接工藝對鎳基合金焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響很大。手工TIG焊和冷絲直流TIG焊接工藝下，焊縫金屬抗拉強度最高，冷絲脈沖TIG焊接工藝下的焊縫金屬抗拉強度次之，而熱絲TIG焊工藝下的焊縫金屬抗拉強度最低。

（2）對于相同成分的INCONEL690鎳基合金焊絲，在四種焊接工藝中，冷絲脈沖TIG焊和熱絲TIG焊，可以使得其焊縫金屬的室溫抗拉強度和高溫抗拉強度下降幅度達到150MPa。

（3）消應力熱處理對鎳基合金焊絲焊縫金屬抗拉強度的影響不大，消應力熱處理狀態下的焊縫金屬室溫抗拉強度比焊態下的焊縫金屬室溫抗拉強度要高一些，但強度提高趨勢不明顯，平均相差不超過10MPa，對高溫抗拉強度的影響則更加不明顯。