N10276等離子焊接工藝

錢(qián) 超，邱 超

（江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司，江蘇 常州 213111）

N10276合金優(yōu)異的耐高溫性能和極好的加工性能，使其廣泛應(yīng)用于：石油化工和危險(xiǎn)化工；紙漿和造紙工業(yè)；酸性油氣田油井生產(chǎn)設(shè)備等。電弧焊是最古老、最簡(jiǎn)單和用途最廣泛的金屬材料焊接工藝之一，至今仍在各行各業(yè)得到應(yīng)用。楊興華等人考慮到N10276合金的特性，選用手工氬弧焊與焊條電弧焊結(jié)合的方式，焊接接頭成形良好[1]。王陽(yáng)陽(yáng)等人研究了合金N10276的焊接性并且結(jié)合實(shí)際焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，得出鎢極氬弧焊工藝對(duì)N10276合金同種金屬之間的焊接是可行的，焊縫各項(xiàng)性能都能得到保證[2]。茍?bào)覍?duì)鎳基合金N10276的兩種焊接工藝GMAW和GTAW進(jìn)行比較，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原因，采用GTAW工藝，焊接過(guò)程中控制好線能量和層間溫度，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了現(xiàn)場(chǎng)施焊任務(wù)，質(zhì)量達(dá)到國(guó)際優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)[3]。寧博研究了合金N10276的激光焊工藝，并得出結(jié)論，焊縫組織為奧氏體，其形貌與熱輸入密切相關(guān)；熱影響區(qū)由長(zhǎng)大粗化的等軸奧氏體晶粒和晶界析出物組成；焊縫為接頭力學(xué)性能薄弱區(qū)域，焊縫強(qiáng)度、硬度和延伸率隨熱輸入增加而降低[4]。迄今為止，關(guān)于合金N10276等離子焊工藝的公開(kāi)文獻(xiàn)數(shù)量有限，本文就合金N10276等離子焊工藝展開(kāi)研究，以期為合金N10276的等離子焊工藝的應(yīng)用提供參考。

1 合金N10276

Hastelloy C合金經(jīng)過(guò)修正得到了合金N10276，可稱之為鎳基合金，此種類型合金中Cr、Mo含量較高，C、Si元素含量較少，鎳基合金最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕性強(qiáng)，吸引了一部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行深入研究。如下表所示，合金N10276的各個(gè)元素含量。與鐵基合金相對(duì)比，鎳基合金中包含了多種金屬元素，結(jié)構(gòu)為面心立方。合金材料的耐腐蝕性與所含的金屬元素有直接關(guān)系，合金表面形成一種Cr2O3氧化膜，其主要構(gòu)成元素為Cr，鎳基合金材料想要提高材料抵抗還原性酸的腐蝕可加入Mo元素，腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)的概率得到大幅度降低[5,6]，W與Mo發(fā)揮出的作用有相同之處[7]。相關(guān)科研人員針對(duì)N10276合金材料在特定的壓力、溫度環(huán)境下的抗腐蝕情況進(jìn)行進(jìn)一步研究，合金材料表層展現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)形態(tài)為雙層，且形成一層保護(hù)膜，另外發(fā)現(xiàn)了在內(nèi)層富集的Cr2O3/NiCr2O4混合層[8,9]，含概了氧離子、磷酸根、氯離子合金材料置于超臨界水下，形成具有保護(hù)功能的純化膜，以增強(qiáng)合金材料的耐腐蝕性[10]。在含有NaCl、KCl及ZnCl2的共晶熔融鹽中，相比于Hastelloy C-22，合金材料處于溫度500℃時(shí)可表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐腐蝕性[11]。而合金N10276材料也存在一定缺陷，材料處于特定溫度下有析出物出現(xiàn)，表現(xiàn)出熱裂紋敏感性。當(dāng)工作人員探討關(guān)于N10276合金的熱穩(wěn)定性時(shí)，發(fā)現(xiàn)在649℃～1093℃這一區(qū)間出現(xiàn)了晶間析出物，析出物被認(rèn)為是p相或Ni7Mo6相[12]。不同時(shí)效處理下，合金N10276晶間會(huì)出現(xiàn)析出相，包括p相、μ相及一部分碳化物[13]。

2 合金N10276焊接工藝

在焊接過(guò)程中，金屬經(jīng)過(guò)熔化、凝固等過(guò)程，焊縫晶粒組織、尺寸較母材會(huì)產(chǎn)生變化，其性能也將隨之改變，因此焊接工藝的研究在實(shí)際生產(chǎn)中占有不可替代的重要的作用。近年來(lái)等離子焊技術(shù)快速發(fā)展，因其能量密度高、熱輸入量低等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于不銹鋼管道的加工制造中，鎳基合金具有類似不銹鋼焊接的特點(diǎn)，如都對(duì)熱裂紋敏感性較大，等離子焊在鎳基合金的焊接具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.1 合金N10276的焊接特點(diǎn)

（1）為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大及析出相，一般采用低的焊接線能量，但合金N10276熔池金屬流動(dòng)性差，熔深淺，易形成未焊透，故焊接線能量也不能太小。一般采用中等焊接電流快速焊，減少高溫停留時(shí)間來(lái)降低焊接線能量。

（2）為提高焊縫的抗裂紋能力和耐腐蝕性能，焊接前，要檢查焊接區(qū)的清潔度，避免有害雜質(zhì)熔入焊縫。

（3）焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大及析出相，應(yīng)控制層間溫度，一般不超過(guò)100℃。

2.2 焊接試件和焊材的選擇

焊接試件選用母材為N10276的板材，厚度5mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1，尺寸為150mm×300mm×5mm。

依據(jù)AWS A5.14標(biāo)準(zhǔn)選用牌號(hào)為ERNiCrMo-4的焊絲，焊絲直徑￠1.2mm，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 N10276試件母材化學(xué)成分（%）

表2 ERNiCrMo-4焊絲化學(xué)成分（%）

2.3 焊接坡口

采用機(jī)加工，如車、銑、刨，也可以進(jìn)行等離子切割，若采用后者，切割邊緣（焊接面）一定要研磨干凈平整。

坡口端應(yīng)去除氧化皮、油污和各種標(biāo)記印痕，并用丙酮對(duì)焊接區(qū)域的基體金屬和填充合金進(jìn)行清潔。

焊接坡口采用機(jī)加工成型，坡口形式如圖1所示，其中S=0.1mm～0.5mm，T=5mm。

圖1 焊縫坡口形式

2.4 焊接工藝參數(shù)

焊接前焊縫不預(yù)熱，過(guò)程中控制層間溫度≤100℃。

焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

2.5 熱處理

合金N10276的熱處理溫度范圍采用1120℃～1160℃，冷卻方式為水淬。

3 焊接工藝評(píng)定檢驗(yàn)

按以上工藝完成焊接和熱處理后，對(duì)焊接質(zhì)量依據(jù)ASME IX《焊接、釬接和粘接工藝評(píng)定》對(duì)試件進(jìn)行目視、射線檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)。

3.1 目視檢驗(yàn)和射線檢驗(yàn)

目視檢驗(yàn)：焊縫表面未見(jiàn)咬邊、裂紋、未焊透等缺陷；

對(duì)焊接試件焊縫按照ASME IX中QW-190進(jìn)行100%射線檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷。

3.2 室溫拉伸試驗(yàn)

按照ASME IX中QW-150進(jìn)行2個(gè)試樣的拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度分別為739MPa和742MPa，屈服強(qiáng)度分別為362MPa和364MPa，延伸率分別為58%和62%，試驗(yàn)合格。

3.3 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

按照ASME IX中QW-160進(jìn)行2個(gè)面彎+2個(gè)背彎，試件厚度5mm，彎軸直徑20mm，彎曲角度180°。

導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)的試樣，從試驗(yàn)的板材上切取制備，試樣的橫截面近似矩形，切割面定為試樣的側(cè)面，另外兩個(gè)面稱為正面和背面，正面具有較大的焊縫寬度。橫向面彎：焊縫垂直于試樣的縱軸，試樣彎曲后，其正面成為彎曲試樣的凸面。橫向背彎：焊縫垂直于試樣的縱軸，試樣彎曲后，其背面成為彎曲試樣的凸面。試驗(yàn)后橫向焊縫彎曲試樣的焊縫和熱影響區(qū)應(yīng)全部在試樣受彎范圍內(nèi)，導(dǎo)向彎曲試樣在彎曲后的凸面上沿任何方向都沒(méi)有開(kāi)口缺陷。導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)合格。

3.4 室溫沖擊試驗(yàn)

按照ASTM A370進(jìn)行母材、熱影響區(qū)和焊縫的室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)合格，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 室溫沖擊試驗(yàn)

3.5 硬度試驗(yàn)

按照ASTM E18進(jìn)行硬度試驗(yàn)，母材硬度值為89HRB/86HRB/90HRB，熱影響區(qū)硬度值為90HRB/89HRB/91HRB，焊縫硬度值為91HRB/90HRB/90HRB。母材的硬度值略低于焊縫和熱影響區(qū)。

3.6 腐蝕試驗(yàn)

按照ASTM G28 A法（硫酸硫酸鐵試驗(yàn)）進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果0.33mm/月。

3.7 金相檢驗(yàn)

用砂輪機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行粗磨后，采用160#和1200#水磨砂紙研磨，并用拋光機(jī)對(duì)金相試樣進(jìn)行拋光，然后用CuCl+2丙三醇+HCl+HNO3的混合液進(jìn)行腐蝕。在蔡司顯微鏡上進(jìn)行金相試驗(yàn)。金相顯微鏡下母材和焊縫的微觀組織形貌分別如圖2和圖3所示。

圖2 母材金相組織

圖3 焊縫金相組織

由圖2可知：鎳基合金中基體相為奧氏體，奧氏體相成為合金元素在鎳中的固溶體，對(duì)鈷、鉻和鎢等元素都有較大的溶解度，母材為單一奧氏體組織，彌散分布的黑點(diǎn)為少量析出物。

完成冷卻的鎳基合金材料，發(fā)現(xiàn)在焊縫金相組織中有部分結(jié)晶物質(zhì)，結(jié)晶物質(zhì)的形成過(guò)程較為復(fù)雜，焊縫組織形成與母材組織形態(tài)存在句法差異。焊縫的金相組織如上圖所示，將其放置在顯微鏡下進(jìn)行觀察，焊接組織形成過(guò)程，焊縫中心位置到邊緣位置溫度梯度變化明顯，可明顯看出成分過(guò)冷。因合金材料加熱后變?yōu)橐后w，融合線突起區(qū)域有明顯的生長(zhǎng)趨勢(shì)，枝晶間區(qū)域擴(kuò)大，導(dǎo)致溶質(zhì)濃度升高更加明顯，原始合金材料偏析要弱于溶質(zhì)，完成冷卻凝固，枝晶間有部分析出物，從合金焊接組織形貌來(lái)看，析出物產(chǎn)出于胞狀樹(shù)枝晶晶，與原始合金材料相比較，析出物在焊縫上出現(xiàn)的數(shù)量更多，這是由于胞狀晶的生長(zhǎng)過(guò)程中合金元素在晶間富集，枝晶間偏析較嚴(yán)重，成為形核質(zhì)點(diǎn)，從而使析出物的數(shù)量要比母材多，即焊縫成分偏析傾向增強(qiáng)。

4 結(jié)論

合金N10276以其優(yōu)異的耐蝕性能、良好的焊接性能，在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。文章通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，最終提出合理焊接工藝參數(shù)。結(jié)果表明，等離子焊工藝能保證合金N10276焊接接頭良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，為合金N10276的焊接提供參考。