ENiCrFe-3、ENiCrMo-3鎳基合金異種鋼焊縫力學性能研究

◎ 謝新苗劉雁楊易坤

一、引言

石油化工壓力容器制造的過程中，經常遇到異種鋼焊接結構，由于異種鋼焊接時存在焊縫合金成分與基材成分的差異，受基材厚度、焊縫結構、焊接參數等因素影響，母材熔化區域和熔敷金屬的互相稀釋作用將發生變化，造成焊接接頭部位的成分、組織和性能嚴重不均勻，影響焊接接頭質量。而且在異種鋼焊接過程中，不同材質的鋼材膨脹系數及導熱性能均存在一定的差異，使得焊接接頭出現殘余應力，影響接頭性能。為解決以上問題，由于鎳基合金可消除脫碳層及其良好的塑形，現經常將鎳基合金應用到異種鋼焊接工藝中，可以有效的避免焊縫金屬稀釋以及化學成分改變所帶來的影響，對接頭部位的穩定性及焊接質量均可帶來明顯的提升。

ENiCrFe3、ENiCrMo3是常用于異種鋼對接的鎳基合金焊材類別，如某壓力容器的低合金鋼筒節與不銹鋼接管焊接接頭（見圖1），該接頭基材金屬有15CrMoR、S32168、S30403，焊接接頭成分將更加復雜，因此該接頭采用了先堆焊ENiCrFe3合金隔離層，之后繼續用ENiCrFe3焊接坡口的接頭型式。

ENiCrFe3、ENiCrMo3鎳基合金均為固溶強化鎳基合金，雖然固溶在焊態下的力學性能常常是足夠的，但有時為了消除殘余應力、降低氫含量或均勻顯微組織，鎳基合金焊縫會經歷焊后熱處理[3]。為確認和對比ENiCrFe3、ENiCrMo3鎳基合金的焊接性能及焊后熱處理對焊縫性能的影響，現通過兩組焊接試驗以期獲得鎳基全焊縫金屬在焊態及模擬焊后熱處理態的拉伸性能、沖擊性能數據。

圖1 壓力容器異種鋼焊接接頭型式示例

二、焊接試驗

1.試板準備及焊接。鎳基合金的液相流動性較差，在焊接過程中容易出現小氣孔和微小的熱裂紋，影響焊接質量。因此需要選擇高質量的鎳基合金材料，在焊接期間需控制熱輸入，選擇合適的焊接速度，且堆焊隔離層后進行無損檢測，無損檢測合格后進行接頭焊接。根據以往經驗，本次ENiCrFe3、ENiCrMo3鎳基合金焊接試驗選用的焊接材料分別為TechROD182Φ4、GEN-CM3Φ4，以上兩種焊材已按標準 ASMEB&PVC，Sec。ⅡPartCSFA-5。11復驗并驗收合格，其未經稀釋焊縫化學成分詳見表1、表2。通過焊接規范的調試，最終確定采用的焊接參數見表3所示。

表1 ENiCrFe3未經稀釋焊縫化學成分Wt/%

表2 ENiCrMo3未經稀釋焊縫化學成分Wt/%

表3 焊接工藝參數

本次試驗焊接ENiCrFe3、ENiCrMo3試板各一件，兩件試板采用同樣的焊接過程及規范。首先將45mm厚低合金鋼鋼板（材質：12Cr2Mo1VR）單側加工V型坡口，堆焊隔離層前嚴格徹底的清理工件，避免雜質影響焊接效果，堆焊鎳基隔離層后再次加工坡口，加工后保證鎳基隔離層厚度≥6mm。鎳基隔離層的首層堆焊前需預熱，預熱溫度為≥120℃，層間溫度為≤250℃。其余鎳基堆焊層及組焊不需預熱，層間溫度＜100℃。裝配試板后進行鎳基焊縫焊接，焊接接頭型式如圖2所示。焊接后去除襯板并打磨圓滑，與母材的原始表面平齊。

圖2 焊接試板簡圖

2.試板解剖。為檢測鎳基合金焊后熱處理后室溫強度、延性和沖擊韌性的變化，在ENiCrFe3、ENiCrMo3試板焊接完成后分別在焊縫厚度方向的相同位置取焊態、模擬焊后熱處理試樣進行試驗，取樣位置及數量如試板解剖圖（圖3）所示。試板解剖取樣后，焊態試樣直接進行力學性能試驗，模擬焊后熱處理試樣進爐模擬焊后熱處理后進行試驗，焊后熱處理參數選用試板母材（12Cr2Mo1VR）焊后最小熱處理規范705±14℃*8h，熱處理工藝詳見圖4。

圖3 ENiCrFe3/ENiCrMo3試板解剖圖

圖4 模擬焊后熱處理工藝

3.拉伸試驗。將試樣按GB/T228.1的要求進行室溫拉伸試驗，試驗結果如表4所示，試樣的抗拉強度均滿足標準ASME B&PVC，Sec.ⅡPartCSFA-5.11A的要求（標準要求ENiCrFe3焊縫抗拉強度≥550MPa，A≥30%；ENiCrMo3焊縫抗拉強度≥760MPa，A≥30%）。通過對比焊態與模擬焊后熱處理態試樣的抗拉強度，可以看出模擬焊后熱處理對ENiCrFe3、ENiCr-Mo3焊縫強度有明顯的影響，其中ENi-CrFe3試板焊縫在模擬焊后熱處理后抗拉強度較焊態提高約80MPa，ENiCrMo3焊縫在模擬焊后熱處理后抗拉強度較焊態提高約50MPa。

表4 拉伸性能

4.沖擊試驗。將試樣按GB/T229的要求進行室溫沖擊試驗，試驗結果如表5所示，試驗結果表明模擬焊后熱處理對ENi-CrFe3、ENiCrMo3焊縫沖擊性能影響較小，經模擬焊后熱處理的試樣沖擊功與焊態試樣相比降低約20J。

表5 沖擊性能

三、結論

1.通過兩組焊接試驗可以得出ENi-CrFe3、ENiCrMo3焊縫焊態及模擬焊后熱處理態的力學性能均滿足標準要求。經歷705℃*8h焊后熱處理會對ENiCrFe3、ENi-CrMo3焊縫力學性能產生不利影響，熱處理后焊縫強度升高、沖擊功降低，如焊縫必須經歷焊后熱處理以降低殘余應力，為防止脆化應仔細控制好熱處理。

2.ENiCrMo3焊縫的室溫沖擊功較ENiCrFe3低，且經歷熱處理后抗拉強度較高，ENiCrFe3焊縫經歷熱處理后的綜合力學性能優于ENiCrMo3焊縫。如鎳基合金焊接接頭焊后需經歷705℃*8h熱處理，推薦采用ENiCrFe3合金焊接異種鋼焊縫。