Incoloy825Ω環對接的焊接工藝研究

崔巍 高磊 張瑩瑩 楊影

摘要：為了避免換熱器密封設計結構用的Incoloy825Ω環在焊接過程中出現熱裂紋和氣孔缺陷而影響換熱器的密封性能，采用鎢極氬弧焊對Incoloy825進行了管狀對接水平固定焊接工藝評定試驗。通過宏觀檢測、無損檢測、力學試驗、彎曲試驗及晶間腐蝕試驗驗證了焊接工藝的合理性，選出最優的焊接工藝參數來指導實際生產操作，以確保產品質量滿足設計及使用要求。

關鍵詞：Incoloy825;Ω環;鎢極氬弧焊;焊接工藝

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0070-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.14

0 前言

Incoloy825屬于鎳-鐵-鉻-鉬-銅合金，是重要的鐵鎳基合金。與不銹鋼相比，由于其鎳含量較高，在保證合金具有奧氏體組織的前提下可容納更多提高耐蝕性的鉻、鉬等元素，耐蝕性明顯高于奧氏體不銹鋼[1]。近年，各煉油廠不斷改進或新建加氫裝置，該裝置的操作介質為高溫、高壓、易燃、易爆的油氣、氫氣和少量硫化氫，推進了Incoloy825的應用。撫順化工機械設備制造有限公司為中石化石家莊煉化分公司制作的換熱器密封設計結構選用Incoloy825的Ω環，為了避免焊接過程中生成熱裂紋和氣孔缺陷而影響換熱器的密封性能，對Incoloy825進行了管狀對接水平固定焊接工藝評定試驗。

1 設備結構及設計技術條件

熱高分氣水冷器是中石化石家莊煉化分公司蠟油加氫優化改造裝置的重要設備之一。該設備為Ⅲ類壓力容器，其管程設計壓力為高壓，操作介質易爆且含有氫氣和硫化氫，因此其密封性要求很嚴。為了防止高壓使腐蝕流體的內泄和外漏，便于拆卸裝配，故選用Ω環密封結構，設備如圖1所示，設計主要技術參數如表1所示。

2 Ω環的介紹

Ω環密封結構最早見于引進的高壓化肥裝置中的換熱器內，近年已應用在高壓加氫換熱器的密封設計上。它能承受很高的壓力，介質和環境完全隔絕，是一種無泄漏密封結構，由一對Ω形半環組焊而成，且兩個半環分別與法蘭和管板焊接，結構如圖2所示。本次制作設備選用Ω環作為其承壓密封元件，材質為Incoloy825，厚度4 mm。

3 Incoloy825合金焊接性分析

Incoloy825鐵鎳基合金其焊接性與奧氏體不銹鋼相似，易產生熱裂紋和氣孔。

3.1 熱裂紋問題

出現熱裂紋的主要原因是由于有害元素S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb、As等與Ni形成低熔點共晶物，這種低熔點共晶物在晶界間形成一層液態薄膜，在焊接應力的作用下產生晶間裂紋，此外Incoloy825鐵鎳基合金導熱性差，焊接熱量不易散，容易出現過熱，造成晶粒粗大，使晶間夾層增厚，減弱了晶間的結合力，促進了熱裂紋的形成。因此鎳基合金施焊時限制熱輸入，在保證焊透的情況下可采用小線能量焊接、小電流、短弧、快速焊、窄焊道。

3.2 氣孔問題

鎳及鎳合金的焊接比碳鋼和低合金鋼焊接較易形成氣孔，尤其是在氧化性焊接氣氛時，產生氣孔的幾率更大些。鎳及鎳合金的焊縫金屬在高溫下會與氧反應形成NiO，冷卻過程中又與溶于金屬中的氫反應生成水蒸氣，與溶于金屬中的碳反應生成一氧化碳，在結晶時這些氣體往往來不及逸出而會形成氣孔。另外，在還原性氣氛中焊接時，也可能由氫氣產生氣孔敏感性。因而在焊前去除工件表面氧化皮、水分、有機物等可減少產生氣孔的可能。

4 焊接工藝評定試驗

4.1 焊接方法的選擇

鎳及鎳合金的熔化焊焊接方法常采用鎢極氣體保護焊和熔化極氣體保護焊，可采用等離子焊，也可采用焊條電弧焊和埋弧焊[2]。根據上述Incoloy825鐵鎳基合金的焊接性分析，并考慮到實際生產設備中Ω環的厚度，因此選用手工鎢極氬弧焊。氬氣純度為99.999%。氣體流量為10～12 L/min。手工鎢極氬弧焊適用于較薄件焊接且氬氣保護可隔絕空氣中氧氣、氮氣、氫氣等對電弧和熔池產生的不良影響，明弧施焊，不受焊件位置限制，操作和觀察方便。

4.2 坡口及接頭準備

鎳及鎳合金焊接坡口與鋼相比，其特點是坡口角度大，根部間隙大且鈍邊高度小。焊接坡口可采用機械加工或等離子弧切割加工方法，不允許用氧乙炔切割。一般采用機械加工方法開坡口，但機械加工會帶來加工硬化，使Incoloy825強度和硬度提高，塑韌性下降，所以焊前打磨是必要的[3]。試件采用φ25.4 mm，厚度為2.11 mm的無縫鋼管，坡口采用機械加工方法，坡口形式及尺寸如圖3所示。

4.3 焊接材料的選擇

ERNiFeCr-1焊絲的化學成分與Incoloy825相匹配，但現在采用的是含量更高的Inconel625焊絲（ERNiCrMo-3），Inconel625焊絲的鎳鉻鋁含量高于Incoloy825，并加入一定量的鈮，所以成形的焊縫金屬在強度、耐蝕性和抗焊接熱裂性等方面均優于ERNiFeCr-1[4]。因此，選用ERNiCrMo-3焊絲，規格φ2.0，成分如表2所示。

4.4 焊前準備

（1）應在無污染、無煙、無金屬粉塵和無灰塵的專用潔凈環境內施焊[5]。

（2）焊前使用不銹鋼絲刷和丙酮對坡口及兩側各50 mm范圍進行擦洗，防止有害元素S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb、As等與Ni形成低熔點共晶物，增加熱裂紋傾向。

4.5 焊接工藝參數

焊接工藝參數包括焊接電流（單位：A），電壓（單位：V）、焊接速度（單位：mm/min）、層間溫度等。

焊接電流的大小主要影響焊縫熔深的大小。電流過小，電弧不穩定，熔深小，電流過大，焊縫容易產生咬邊和燒穿等缺陷。因此焊接電流必須適當，控制在90～110 A。

電弧電壓的大小主要影響焊縫的熔寬的大小。鎳基合金液態焊縫金屬流動性差，不容易潤濕展開，所以選用窄焊道，電弧電壓控制在11～13 V。

焊接速度對稀釋率和焊道成形的影響較大。隨著焊接速度的增大，稀釋率增大。焊接速度過快，會產生咬邊，形成熔合不良。為了控制稀釋率和獲得好的焊道成形，焊接速度控制在50～90 mm/min為宜。

通過多次試驗，優選出焊接參數如表3所示。

4.6 焊后檢測

4.6.1 宏觀檢測

試件焊接完成后進行外觀宏觀檢測，焊縫外觀成形良好，無裂紋、夾渣、咬邊及氣孔等缺陷。焊接完成后表面存在金屬氧化色，采用不銹鋼絲刷進行清理，直至露出金屬光澤，符合評定標準要求。

4.6.2 無損檢測

試件焊后進行100%RT檢測，符合NB/T 47013-2013《承壓設備無損檢測第1部分：射線檢測》的要求，Ⅱ級合格。

4.6.3 拉伸試驗

試件抗拉強度為653 MPa，比母材規定的最低抗拉強度高出68 MPa，且斷裂于母材，可見焊接接頭部位的拉伸力學性能滿足設計要求，拉伸試樣如圖4所示。

4.6.4 彎曲試驗

按照NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》標準及產品的技術協議取面彎和背彎試樣各2個共4個試樣進行試驗，彎軸直徑d為8 mm，彎曲角度α=180°。4個試樣均完好無開裂。面彎和背彎表面沒有凸起現象，說明焊材與母材熔合良好，如圖5所示。

4.6.5 晶間腐蝕試驗[6]

按照GB/T 15260-1994《鎳基合金晶間腐蝕試驗方法》標準要求對試樣進行A法硫酸鐵-50%硫酸法腐蝕試驗，在50%硫酸水溶液600 ml中加入25 g硫酸鐵，持續120 h后，取出試件并測量試件尺寸，計算暴露面積，然后稱重，計算出腐蝕速率，試驗結果為0.36 mm/年，符合0.96 mm/年的指標要求。

5 產品焊接

根據評定合格的焊接工藝進行Ω環焊接。同時采用對稱滿焊，每段200 mm左右，間斷跳躍焊。這種焊接方法可以盡可能的減少熱影響區，減少冷卻時產生的內應力，從而減少Ω環變形。焊后錘擊焊道可以使焊接殘余應力重新分布，降低了應力集中，敲擊可以讓焊縫局部發生輕微變形，釋放部分殘余應力。

6 結論

（1）利用鎢極氬弧焊對兩個Ω環半環施焊，焊后未發現熱裂紋和氣孔等缺陷，說明工藝合理。應嚴格按照工藝要求焊前清理、氬氣保護、小線能量焊接、對稱滿焊及焊后敲打來解決熱裂紋和氣孔缺陷問題。

（2）加氫裝置中的高壓換熱器采用Ω環密封結構可保證換熱器使用時無泄漏，安全可靠，結構簡單等特點可進一步研究。

參考文獻：

[1] JB/T 4756-2006，鎳及鎳合金制壓力容器標準釋義[S]. 2006

[2] JB/T 4756-2006，鎳及鎳合金制壓力容器[S]. 2006.

[3] 陳嘯，潘和清，陳浩基，等. Incoloy825對接彎頭的焊接工藝[J]. 金屬加工，2013（4）：48-49.

[4] 汪麗瑛，邢卓. 鐵基合金Incoloy825的焊接[J]. 現代焊接，2008（3）：15.

[5] NB/T 47015-2011，壓力容器焊接規程[S]. 2011.

[6] GB/T 15260-1994，鎳基合金晶間腐蝕試驗方法[S]. 1994.