Inconel625埋弧堆焊法蘭密封面工藝

李 佩*

（西安建筑科技大學(xué)）

0 前言

Inconel625 合金具有單相組織，為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。其中Cr，Mo 元素的含量較高，使得該合金具有較好的抗點腐蝕、縫隙腐蝕以及抗裂變腐蝕的能力，在高溫狀態(tài)下，仍然具有良好的抗腐蝕特性。在干、濕的氯氣環(huán)境以及在亞硫酸鹽、次氯酸鹽、醋酸、甲酸、強(qiáng)氧化性鹽溶液中都相當(dāng)耐蝕。該合金已廣泛應(yīng)用于石油、化工設(shè)備。

某公司承接了一批不銹鋼換熱器制造任務(wù)。設(shè)備主體材料為S31603 不銹鋼板，符合GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼的耐熱鋼鋼板和鋼帶》要求，S31603 不銹鋼管符合GB/T 13296—2013《熱交換器不銹鐵鋼無縫鋼管》要求。圖紙要求所有法蘭密封面堆焊Inconel625 合金，堆焊層厚度為6 mm，堆焊層寬度為50 mm。因法蘭數(shù)量較多、直徑較大，若采用手工鎢極氬弧焊效率低，勞動強(qiáng)度大，且焊接質(zhì)量不易保證，因此擬采用埋弧自動焊工藝。

1 母材及焊材

設(shè)計圖紙要求待堆焊法蘭材料為S31603III,符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)要求。由于焊接熱過程會造成零件變形，導(dǎo)致其機(jī)加工后無法滿足圖紙尺寸要求，因此在法蘭直徑方向增加5 mm 加工余量，在法蘭厚度方向增加10 mm加工余量。

焊材選用時要充分考慮熔敷金屬的化學(xué)成分、力學(xué)性能，并同時滿足焊接方法和施焊條件的要求。本次產(chǎn)品堆焊選用與Inconel625 合金成分相近的ERNiCrMo-3 牌號焊絲，其符合美標(biāo)ASME SFA-5.14，焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可見表1。焊劑選用SJ609，為氟堿型，脫渣性能良好，能夠有效防止合金元素在焊接過程中燒損，確保堆焊過程的穩(wěn)定性。

表1 ERNiCrMo-3焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 焊接工藝

2.1 可焊性分析

Inconel625 合金中，Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)22.2%，保證了合金的強(qiáng)度，一定含量的Mo 使該合金具有較好的蠕變強(qiáng)度，少量Al 和Ti 則降低了合金的時效強(qiáng)化作用，使合金具有較好的焊接性能。

由于Inconel625 合金中含有一定量的S 和P，較易形成偏析，同時，S 和P 在鋼中還會形成多種低熔點化合物或共晶，增大了熱裂紋產(chǎn)生的可能性。并且，因為Ni 元素可強(qiáng)烈穩(wěn)定材料的γ 相，使S 的溶解度降低，增大了低熔共晶形成的可能性，有利于產(chǎn)生熱裂紋。

和碳鋼相比，Inconel625 合金固液相之間的熔融溫度差距小，凝固速率快，熔池較黏稠，流動性差，其中的氧、水汽以及其他氣體不能及時溢出而形成氣孔和夾渣缺陷。Inconel625 合金具有線膨脹系數(shù)較大和導(dǎo)熱性能差等特點，焊接過程中易發(fā)生加熱和冷卻不均勻現(xiàn)象，在熱輸入的高溫階段，晶間會產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，從而導(dǎo)致焊接變形。

經(jīng)過分析可知，Inconel625 合金焊接時應(yīng)保留合金的耐腐蝕性和其他優(yōu)秀特性，并避免出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等缺陷。

2.2 焊接方法

埋弧焊焊接具有質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點，且焊渣在焊縫表面形成保護(hù)層，降低了空氣中的O2，H2O，P，S，N 等元素溶解到熔池中的幾率，減少了裂紋和氣孔的產(chǎn)生。本次Inconel625 合金堆焊采用埋弧焊機(jī)懸臂梁固定，工件置于旋轉(zhuǎn)平臺自動旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行焊接。

2.3 焊前清理

焊接前必須完全清除焊件表面影響焊縫質(zhì)量的雜質(zhì)，如Pb，S，P 和其他低熔點元素。用車床將待堆焊表面車光，并用磨光機(jī)把待堆焊表面周圍50 mm以內(nèi)的油、漆、銹、垢、毛刺等雜物清除干凈，且不得有裂紋、夾層等缺陷，最后用酒精或丙酮擦洗。焊絲表面應(yīng)保持潔凈，焊接前用酒精或丙酮進(jìn)行擦洗；如焊接過程中有停頓，應(yīng)將焊絲端部剪掉后再焊接。

保證焊件、焊絲以及焊劑表面干燥，并控制好環(huán)境濕度。

2.4 焊接工藝要求

盡量采用小的線能量，避免金屬過熱或加熱時間過長導(dǎo)致晶粒粗大，同時應(yīng)兼顧焊透，避免焊縫未熔合，從而保證焊縫質(zhì)量。

鎳基合金堆焊采用小電流多層多道焊。若焊接過熱，奧氏體晶粒急劇長大，溫度越高，停留時間越長，晶粒越粗大，使該區(qū)塑性和韌性下降，為避免此現(xiàn)象，層間溫度須控制在100 ℃以下，溫度測量可采用紅外測溫儀，每焊完一道要將焊渣、飛濺、雜物清理干凈，檢查焊縫無缺陷后再進(jìn)行下一道焊接，并且為了保證焊縫組織均勻，控制變形，各道各層之間應(yīng)相互錯開。

若焊接過程中由于各種原因不得不中斷，再焊接時應(yīng)按工藝要求重新清理待焊表面。用角向磨光機(jī)打磨清理缺陷時，必須控制好操作時間，防止局部熱量過高產(chǎn)生熱裂紋。

法蘭內(nèi)孔堆焊邊緣應(yīng)設(shè)置擋板，防止焊劑泄漏。

2.5 焊接工藝參數(shù)

經(jīng)過多次試驗，S31603 表面堆焊Inconel625 合金易采用ERNiCrMo-3 牌號的焊絲（直徑為2.5 mm），焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 Inconel625合金埋弧自動焊參數(shù)

3 焊接工藝評定

3.1 評定過程

為了驗證該S31603III 埋弧堆焊Inconel625 合金工藝方案的可行性，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)及圖紙技術(shù)要求，進(jìn)行焊接工藝評定，評定合格后，才能進(jìn)行正式施焊。

焊接工藝評定時所用材料及焊接工藝與正式產(chǎn)品制造時一致，評定試件材質(zhì)為S31603，規(guī)格為40 mm×200 mm×400 mm。試件堆焊焊絲采用ERNiCrMo-3，焊劑采用SJ609，堆焊層數(shù)為4 層，堆焊總厚度為8 mm，保證加工后厚度達(dá)到圖紙要求的6 mm。堆焊后的試件如圖1 所示。

圖1 堆焊試件

按圖紙及工藝評定要求，對堆焊試件進(jìn)行宏觀表面檢測、無損檢測、彎曲試驗檢測、化學(xué)成分分析、鐵素體含量檢測等。

3.2 宏觀檢測

試件焊接完成并冷卻至室溫后，經(jīng)外觀檢測，焊縫成形良好，無裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷。

3.3 無損檢測

試件每堆焊一層，堆焊層表面應(yīng)進(jìn)行通航檢測，確保無裂紋和氣孔，符合NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》的要求；堆焊層和基層之間，以及各堆焊層之間應(yīng)進(jìn)行超聲檢測，確保無未熔合和分層，符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3 部分：超聲檢測》的要求。

3.4 彎曲試驗

取4 個10 mm 厚側(cè)彎試樣進(jìn)行試驗，彎心直徑為40 mm，支座間距為63 mm，彎曲角度α=180°，符合NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)檢測，4 個試樣均完好無裂紋，說明堆焊層及與母材交接處均熔合良好，熔敷金屬力學(xué)性能滿足使用要求。

3.5 化學(xué)成分分析和氣體分析

為了保證焊縫組織的均勻性且焊縫滿足產(chǎn)品要求，焊接時焊材成分應(yīng)盡量與母材成分相同，并盡可能降低P，S 或其他低熔點化合物成分的含量，這樣可以降低產(chǎn)生焊接熱裂紋的可能性、防止氣孔產(chǎn)生，提高焊接接頭的性能。本次評定分別從距離堆焊表面0～2 mm，2～5 mm，交接處取3 組試樣檢測堆焊金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可見表3。

表3 堆焊金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.6 鐵素體含量測定

焊縫中存在一定量的鐵素體能降低焊縫金屬的熱裂傾向，提高耐晶間腐蝕性能。但鐵素體含量高，不僅會使焊縫在某些介質(zhì)中產(chǎn)生選擇性腐蝕，而且會造成σ 相脆化。高溫下堆焊層的鐵素體還可能發(fā)生δ角σ 相的轉(zhuǎn)變，使該區(qū)的塑性和韌性嚴(yán)重降低，造成堆焊層脆化。因此，鐵素體含量必須控制在一定范圍。查閱相關(guān)文獻(xiàn)后可知，δ 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為4%～12%。本次試驗對堆焊層表面、表面以下2 mm、表面以下5 mm 處分別取3 組試樣進(jìn)行鐵素體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）測定，鐵素體含量分別為0%，5%，5%（詳見表4），檢測結(jié)果滿足GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 鐵素體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

4 結(jié)論

通過制定工藝方案，選擇焊接材料，并經(jīng)過多次試驗，選擇了優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，經(jīng)工藝評定、無損檢測及化學(xué)成分測定等，證明了試件滿足產(chǎn)品使用要求，驗證了工藝方案的合理性。在產(chǎn)品制造過程中，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，強(qiáng)化焊接過程控制，完善了在S31603III 法蘭密封面上堆焊Inconel625 合金的工藝，從而滿足產(chǎn)品要求。