不同方法堆焊INCONEL 625合金焊接工藝對比與分析

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東青島266426）

0 前言

聚酯纖維，俗稱滌綸，占我國化纖總產(chǎn)量的78%，而PTA占滌綸總用量的75%，大量的市場需求催生了PTA結(jié)晶器等化工設(shè)備的制造熱潮[1-2]。近期，青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司為某石化三期PTA工程制造了一批PTA結(jié)晶器，PTA結(jié)晶器下半段材質(zhì)為 SA516Gr70（N）+堆焊 INCONEL 625，筒體內(nèi)徑達(dá)φ7 000 mm，該設(shè)備主要介質(zhì)為：水、對苯二甲酸、苯、醋酸、苯酸、氫氣等，設(shè)計(jì)溫度280℃，設(shè)計(jì)壓力6.0 MPa，苛刻的使用環(huán)境需要使用INCONEL 625作為內(nèi)襯。

該P(yáng)TA結(jié)晶器筒體內(nèi)壁大面積堆焊擬采用埋弧帶極堆焊和電渣帶極堆焊，局部堆焊使用焊條電弧堆焊和CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧堆焊，為考查上述焊接方法是否能滿足相關(guān)技術(shù)條件要求，本文分別使用4種焊接方法得到要求厚度的堆焊層，并對堆焊層的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織進(jìn)行分析，特別是對鎳基合金堆焊層晶間腐蝕速率進(jìn)行對比分析。

1 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

（1）堆焊。

取4塊（δ=50mm）Q345R鋼板分別用CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲堆焊（FCAW）（S1）、焊條電弧堆焊（SMAW）（S2）、雙層埋弧帶極堆焊（SAW）（S3）、雙層電渣帶極堆焊（ESW）（S4）進(jìn)行INCONEL 625堆焊試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1所示，堆焊層厚度約為7.0～7.5mm。

焊接完畢后按NB/T 47013.5-2015對堆焊層表面進(jìn)行100%PT，Ⅰ級合格。按NB/T 47013.3-2015對堆焊層與基材結(jié)合面進(jìn)行UT檢測，Ⅰ級合格。

（2）熱處理。

分別對4塊試板進(jìn)行模擬焊后熱處理，熱處理在電爐中進(jìn)行，工藝參數(shù)如表2所示。

（3）化學(xué)成分分析。

使用直讀光譜儀對4塊試板堆焊層表面以下3 mm處進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示。

表1 堆焊試驗(yàn)工藝參數(shù)

表2 模擬焊后熱處理工藝參數(shù)

表3 堆焊層化學(xué)成分 %

由表3可知，上述4塊試板堆焊層的元素含量基本符合SFA-5.14/SFA-5.14M中鎳及鎳合金裸焊條和焊絲規(guī)范ENiCrMo3T1-4和ERNiCrMo-3及GB/T 13814鎳及鎳合金焊條的要求，其中Cr含量均偏向20%～23%區(qū)間的下限，S3試塊Mn含量超出≤0.5%標(biāo)準(zhǔn)，S4試塊Fe含量超出≤5%的要求，經(jīng)對堆焊層厚度進(jìn)行測量，試塊S4堆焊層表面被銑平后堆焊層厚度不足3 mm。結(jié)合以往焊接工藝評定的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為造成S4中Fe含量靠近上限的主要原因是化學(xué)成分取樣位置過于靠近基材，造成堆焊層合金元素被稀釋，F(xiàn)e含量上升，而非焊材本身不合格或者是焊接過程中造成的燒損。經(jīng)加倍取樣，保證光譜檢測部位距離堆焊層與基材結(jié)合面不小于5 mm，其成分如編號S4-1所示。

堆焊層 C、Cr、Ni、Fe 元素含量曲線如圖 1 所示。由圖1可知（S4-1不參與比較），4種焊接方法所得到的試樣中C與Fe元素含量基本呈反相關(guān)性，說明Fe元素往堆焊層中稀釋程度遠(yuǎn)較C元素明顯，而Cr、Ni元素并無明顯的相關(guān)曲線。綜合分析可知，F(xiàn)e元素隨與結(jié)合面的距離稀釋程度增加明顯。因此在產(chǎn)品堆焊過程中，均要求堆焊層厚度大于6.5 mm，其中第二層厚度≥3 mm，以保證堆焊層表層的耐蝕元素成分。

（4）晶間腐蝕試驗(yàn)。

根據(jù)GB/T 4334-2008中硫酸-硫酸鐵法的要求，加工試樣并用分析天平稱重，在沸騰的硫酸-硫酸鐵溶液中保持120 h后，再次稱重，最終結(jié)果如表4所示。

圖1 堆焊層主要成分元素含量對比

表4 堆焊層晶間腐蝕試驗(yàn)

對比4塊試樣發(fā)現(xiàn)，其腐蝕速率差別較大，S2、S4的腐蝕速率大于S1、S3，對照表3可知，S1、S3成分中耐腐蝕元素Ni略低于S2、S4，說明在相同腐蝕條件下，Ni元素能有效地提高材料的耐腐蝕性能。該4塊試板的腐蝕速率均符合相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)條件要求。

（5）彎曲試驗(yàn)。

按照GB/T 2653-2008分別對4塊試板取大側(cè)彎（垂直和平行焊道各 2 件，D=4a，a=10 mm，α=180°）、小側(cè)彎（垂直和平行焊道各2件，D=4a，a=3 mm，α=180°）進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲后經(jīng)檢查堆焊層、堆焊層與基材結(jié)合面均無裂紋產(chǎn)生。

（6）金相組織。

分別對4塊試板的基材使用5%硝酸酒精溶液腐蝕，堆焊層使用10%草酸溶液電解浸蝕，制作金相試樣。在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2～圖5所示。

由圖可知，基材均以珠光體+鐵素體為主，堆焊層組織多為奧氏體，呈現(xiàn)嚴(yán)重枝晶化，且大范圍枝晶發(fā)展方向一致，這樣容易造成堆焊層組織各向異性，影響整體性能。鎳基合金熱傳導(dǎo)能力相對較弱，堆焊層成長為規(guī)則的枝晶組織，說明在焊接過程中存在較大過熱，且熔池冷卻速度過快，熔敷金屬成分來不及均勻化，形成枝晶，這也是焊接快速冶金過程的重要特征[3-5]。而焊后熱處理由于溫度達(dá)不到堆焊層組織再結(jié)晶溫度，對于這種由枝晶組織造成堆焊層成分偏析，進(jìn)而導(dǎo)致耐腐蝕性能下降的作用無法緩解。

圖2 S1手工CO2氣體保護(hù)藥藥芯電弧焊（FCAW）基材及堆焊層組織

圖3 S2焊條電弧焊（SMAW）基材及堆焊層組織

圖4 S3雙層埋弧帶極（SAW）基材及堆焊層組織

圖5 S4雙層電渣帶極（ESW）基材及堆焊層組織

對比4種焊接工藝得到的堆焊組織可以看出，帶極堆焊層晶粒度明顯大于手工焊堆焊層，且排列整齊，說明帶極堆焊層整體熱輸入量大，熔敷金屬晶粒生長較為規(guī)則。

2 結(jié)論

（1）CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲堆焊、焊條電弧堆焊、雙層埋弧帶極堆焊、雙層電渣帶極堆焊4種焊接方法得到的INCONEL 625合金堆焊層均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件的要求。

（2）鎳基合金堆焊層熔敷金屬熱傳導(dǎo)能力較弱，為保證耐腐蝕性能，在焊接過程中使用較小焊接電流、較高的焊接電壓以及較快的焊接速度以控制晶粒的成長及形態(tài)。