船用高強鋼表面鎳基合金堆焊工藝

王世達 程尚華 李梅豹

摘要：針對在船用高強鋼E36表面進行鎳基合金Inconel 625的堆焊工藝進行了分析。采用手工鎢極氬弧焊工藝，堆焊過程中嚴格控制焊接電流、電弧電壓及焊接速度，保證較低的熱輸入以及較低的焊接層間溫度。該工藝要求在清潔的焊接環境下，使用潔凈的焊材進行填絲鎢極氬弧焊，以獲取優質的鎳基合金堆焊層。為保證焊接質量，同時對合金堆焊的焊接過程控制提出了明確要求。通過試驗確定了這種鎳基合金堆焊的可靠工藝，指導現場進行生產。

關鍵詞：船用高強鋼;Inconel 625鎳基合金;鎢極氬弧焊;堆焊;焊接工藝

中圖分類號：TG457.1? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0115-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.19

0? ? 前言

持續的能源開發使得陸地資源變得越來越少，為更高效率的獲取能源，很多國家將越來越多的目光瞄向了海洋，而海洋中儲備豐厚的能源開采直接推動了海洋工程及船舶行業的發展。但是海水對海洋結構強烈的腐蝕，嚴重影響著海洋結構的使用壽命。為減輕甚至避免被腐蝕，在空間允許的情況下，常規做法是在結構上連接附屬活性材料，根據電化學原理，通過陽極保護實現結構的耐蝕;但對于需要緊密配合的構件，這種方式無法滿足需求，只能通過在構件需配合部位的表面復合耐蝕材料來實現可靠的表面穩定性，達到耐蝕的目的。鎳基合金對氧化和還原環境的各種腐蝕介質都有很強的抗腐蝕性能，在氯化物介質中具有出色的抵抗點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕等腐蝕的能力，將這種合金通過焊接復合在鋼質構件表面，在海洋工程結構中具有廣泛的應用。

根據設計要求，現有材質為船用高強鋼E36的結構件需在緊密配合的部位表面堆焊鎳基合金Inconel 625，要求堆焊厚度不小于4 mm，且在距堆焊層表面1 mm處的鐵素體含量不超過5%（質量分數）。為了規范產品的焊接，進行焊接工藝分析及評定。

1 母材及焊材

母材材質為E36級船用高強鋼，是在海洋鋼結構及船舶結構中應用廣泛的低溫性能要求較高的鋼種，DNV-OS-B101標準中E36的力學性能及化學成分要求如表1、表2所示。

焊接材料選用鎳基焊絲AWS/ASME ERNiCrMo

-3，其化學成分要求如表3所示。該焊材在焊接時可容納高稀釋率，在鋼質基體上堆焊不需額外焊接過渡層。考慮到焊材會被母材稀釋，實際應用應選用w （Fe）在10-1數量級或是更低的焊絲。

2 鎳基合金在船用高強鋼上的堆焊特點

鎳基合金在焊接（包括堆焊）過程中容易產生熱裂紋，這與接頭處產生的低熔點共晶、晶界偏析以及線膨脹系數相差較大有關[1]。

硫和磷會使鋼的結晶溫度區間大大增加，而熱裂紋產生的傾向大小是隨結晶溫度區間的增大而增大的，而且硫和磷在鋼中能形成多種低熔共晶（如Ni+Ni2S2、Ni+Ni3P，鎳與硫就易形成低熔共晶），使結晶過程中極易形成液態薄膜，從而顯著增大裂紋傾向。另外，硫和磷在鋼中極易引起的偏析也是誘發裂紋產生的重要原因[2]。所以應嚴格限制母材及焊材的硫、磷含量，防止焊接過程中熱裂紋的產生。

低的冷卻速度會加劇促使焊接熱裂紋的產生[3]，而過熱不僅會加劇促使焊接熱裂紋的產生且易導致合金在焊接過程中被氧化，為此應通過控制層間溫度及焊接熱輸入，降低鎳基合金在鋼表面堆焊時的溫度及增大熔敷金屬的冷卻速度。

另外，鎳基合金焊接時對雜質的影響較為敏感，易產生夾渣和氣孔等缺陷，保證母材及焊材的潔凈干燥是避免這類缺陷產生的重要措施。

通過焊接試驗不難發現，焊接時，鎳基合金Inconel 625的熔池中熔融的金屬流動粘滯緩慢，熔融的金屬流動性較差;而且，相比碳鋼焊材而言，其熔深淺。在焊接過程中焊接人員應對此進行了解，保證焊接金屬良好的融合。

對比表 1 、表 2 中的化學成分可以看出，堆焊焊材的化學成分與母材的差別非常大，在鋼質母材上進行鎳基合金的堆焊時，母材材質對鎳基合金會有稀釋作用，最明顯的就是鐵元素在鎳基合金熔敷金屬中的含量相比鎳基焊材中的增多，由于鎳基焊材非常昂貴且成分的稀釋會嚴重影響到鎳基合金的組織和性能，所以應采用科學的焊接規范保證在要求的堆焊厚度內，鎳基合金被稀釋的程度最低。

3 焊接工藝

3.1 焊前準備

焊前對母材焊接區及兩側20 mm范圍內采用打磨、清洗的方式進行嚴格的除銹、除濕、除油及其他污物。同時應保證焊絲表面的潔凈度。

3.2 焊接工藝參數

焊接方法采用鎢極氬弧焊，焊接時采用純度為99.997%的純氬作為保護氣體，氣體流量為10～

15 L/min，選用直徑為2.4 mm的鈰鎢極，直流正接。焊前母材可不進行預熱但應保證溫度不低于5 ℃。層間溫度嚴格維持在5～100 ℃的范圍內。焊接過程中嚴格控制電流電壓及熱輸入，具體焊接工藝參數如表4所示[4]。

3.3 焊接質量保證措施

焊接環境應保持清潔，避免焊材及母材在焊接過程中被污染。風速超過2 m/s，或環境的相對濕度超過80%時，均應停止施焊，否則應采取控制措施。

施焊焊工應熟悉GTAW操作且具有相應的資質，在焊前向其進行技術交底，并組織進行適當的Inconel 625焊接的操作練習。

應選用適用于不銹鋼的打磨工具/鋼絲刷，使用前進行清理，保持其清潔，否則應使用新的;打磨母材及打底層的工具不應在后續焊接的焊道上繼續使用。

焊接作業過程中應采取如下措施：焊工使用不掉線的手套，且手套保持干凈;第一層、第二層焊接時，焊接電流選用規定范圍內的小值，控制填絲填充量，確保焊層盡量薄（獲得小的熔合比）;盡量減少停弧，斷弧處必須進行打磨，焊接接頭要錯開;在焊接中采用盡量小的擺動或不擺動且應控制電弧要短;斷弧時，利用滯后的氬氣流，保護熔池及焊絲端部;繼續焊接時，若焊絲端部存在氧化皮，在填絲前應將其剪掉或進行打磨處理。

4 試驗結果及分析

為檢驗堆焊的性能，根據ASME Ⅸ及業主規格書的要求，針對堆焊金屬進行了外觀檢驗、滲透檢測及理化試驗[5]。

4.1 外觀檢驗及滲透檢測

焊道成形美觀，表面鋪展良好，整體平整度高（見圖 1）。滲透檢測未發現缺陷。

4.2 理化試驗

理化試驗包括彎曲試驗、硬度試驗、化學成分分析及宏觀金相檢驗。

在彎曲試驗中，堆焊層表現出了良好的材料連續性，在其內部未有開口（包括裂紋）的出現，同時在與基體母材的熔合線處也沒有出現開口的情況，如圖 2 所示。

距熔合線3 mm的堆焊層表面進行顯微維氏硬度試驗，試驗結果如表5所示。試驗結果表明堆焊金屬未出現硬化，滿足要求。

為檢測Inconel 625被基體稀釋的程度，對不同厚度處的熔敷金屬進行了鐵含量分析，結果如表6所示。從表中可看到熔敷金屬中距熔合線3 mm處的鐵含量滿足小于5%的要求。

宏觀金相如圖 3 所示，在熔敷金屬及熱影響區內未出現缺陷。

5 結論

對鎳基合金焊接特點的充分理解，采用科學合理的焊接規范，保證了焊接工藝順利通過評定。

此焊接工藝的可靠性能在現場的實際應用中得到了充分的證明——現場焊接材料使用量超過300 kg，堆焊高度超過6 mm，經過機加工后的滲透檢驗，檢驗結果良好，未發現焊接缺陷。

參考文獻：

李亞江. 焊接冶金學：材料焊接性[M]. 北京：機械工業出版社，2006：276-280.

張文鉞. 焊接冶金學（基本原理）[M]. 北京：機械工業出版社，1999：221-231.

姚壽山，陸皓，牛明安，等. 冷卻速度對鎳基合金堆焊層焊接熱裂紋的影響[J]. 材料開發與應用，1997（2）：2-6.

楊文杰. 電弧焊方法及設備[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007：131-151.

American Society of Mechanical Engineers. ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section IX Welding and Brazing Qualifications[S]. 2010.