哈氏合金B(yǎng)－3等離子弧焊接及鹽酸法(加壓)晶間腐蝕試驗(yàn)

楊 峰，鄭世平

(南京斯邁柯特種金屬裝備股份有限公司，江蘇南京 211102)

0 引言

現(xiàn)代化工技術(shù)發(fā)展，促使生產(chǎn)裝置日趨大型化、連續(xù)化和高效化，帶動(dòng)了節(jié)能減排、防治污染措施不斷加強(qiáng)，設(shè)備耐蝕等級有效提高，新材料、新技術(shù)廣泛應(yīng)用。哈氏合金B(yǎng)－3作為性能優(yōu)良的鎳鉬合金，因具有較高比例鉬含量而表現(xiàn)超強(qiáng)的耐蝕特性，其不僅在常壓下對于各種濃度和各種溫度的鹽酸具有極好的抵抗能力，而且在不充氣的非氧化性硫酸、各種濃度磷酸、高溫醋酸、甲酸，以及氯化氫氣體和鹵族催化劑中均表現(xiàn)出優(yōu)良的耐均勻性腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能。該合金更多被用于苛刻的化工過程，如羰基合成醋酸(HAC)、鹵化丁基橡膠(HIIR)、聚氨酯原料(BOD，PTMEG)以及乙苯烷基化生產(chǎn)等具有強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境中。

1 材料特性

作為B系列合金的新品種，哈氏合金B(yǎng)－3(UNS N10675)相對早期應(yīng)用的B－2合金，在化學(xué)成分上進(jìn)行了調(diào)整，提高了熱穩(wěn)定性和應(yīng)力腐蝕抗力，同時(shí)改善了材料的熱加工性能［1－2］。

1.1 化學(xué)成分

哈氏合金B(yǎng)－3材料的化學(xué)成分如下［3］:

Ni:≥65.0%;C:≤0.01%;Co:≤3.0%;Cr:1.0% ～ 3.0%;Mo:27.0% ～ 32.0%;Cu:≤0.20%;Fe:1.0% ～ 3.0%;Si:≤0.10%;Mn:≤3.0%;Al:≤0.50%;S:≤0.010%;P:≤0.030%;W:≤3.0%;Ti:≤0.20%;Nb:≤0.20%;Ta:≤0.20%;V:≤0.20%;Zr:≤0.10%;Ni+Mo:94.0% ～98.0%。

1.2 物理性能

哈氏合金B(yǎng)－3材料的力學(xué)與物理性能如表1所示。

表1 哈氏合金B(yǎng)－3(N10675)材料的物理性能

2 焊接特性

(1)哈氏合金B(yǎng)－3熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)小。同時(shí)材料含鎳量高并且合金成分多，焊接過程中液態(tài)金屬流動(dòng)性較差，容易產(chǎn)生裂紋、未熔合、氣孔等各種缺陷。此外，金屬鎳與硫、磷及NiO等雜質(zhì)易形成低熔點(diǎn)共晶，在晶粒凝固收縮應(yīng)力和焊接應(yīng)力作用下造成拉裂，產(chǎn)生熱裂紋。所以，焊接前必須去除材料表面的氧化皮、水分、有機(jī)物以及含硫或含鉛物質(zhì)，避免焊接接頭產(chǎn)生脆性［4］。

(2)哈氏合金B(yǎng)－3平均鉬含量為29.5%，鉬在1300℃的鎳中的極限溶解度約為35%，在600℃時(shí)溶解度僅約20%，鉬只有最大限度溶入鎳基體中并以固溶態(tài)存在，才能充分提高合金的耐蝕能力。然而在焊接過程中，液態(tài)金屬凝固冷卻時(shí)，隨著溫度降低，鉬的溶解度也逐漸下降，碳在基體中的室溫溶解度也很低(如低于0.01%)，如果工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致焊接線能量過大或?qū)娱g溫度過高，過飽和的鉬則有可能在不同溫度區(qū)間內(nèi)，從固溶基體中以碳化物 (MonC)或金屬間相(β相、γ相等)的形式沿晶界析出，致使晶界貧鉬引起晶間腐蝕敏感。因此，焊接過程必須充分重視并采取必要措施，嚴(yán)格控制線能量和層間溫度。

(3)哈氏合金B(yǎng)－3固液相溫度間距小，流動(dòng)性偏低，熔深相對較淺，為保證焊接接頭質(zhì)量，采用常規(guī)方法焊接時(shí)坡口角度宜適當(dāng)加大，根部鈍邊則略減?。?］。

(4)哈氏合金B(yǎng)－3焊接過程中，液態(tài)金屬在高溫狀態(tài)下能夠與足夠的氧反應(yīng)生成 NiO，而冷卻過程又易與溶入金屬中的碳、氫反應(yīng)，促使鎳被還原生成一氧化碳和水蒸氣，結(jié)晶時(shí)，氣體未能及時(shí)逸出而形成氣孔。因此，焊接過程必須對焊槍、尾隨拖罩和背保護(hù)罩進(jìn)行通氣，使焊接接頭溫度高于200℃以上時(shí)始終處于惰性氣體保護(hù)之下。

3 等離子弧焊(PAW)簡介［6－7］

等離子弧是離子弧氣被電離產(chǎn)生高溫離子化氣體，經(jīng)過水冷噴嘴機(jī)械壓縮，從噴嘴中心小孔穿出形成的一種高能量電弧。

等離子弧能量密度一般可達(dá)100～1000 kW/cm2，高于自由電弧能量密度(＜100 kW/cm2);同樣，等離子弧溫度達(dá)18000～24000 K，也高出自由電弧(500～800 K)很多。

等離子弧焊接具有以下優(yōu)點(diǎn):熔透能力強(qiáng)，板厚≤8 mm無需開坡口，大大減少了焊前準(zhǔn)備時(shí)間;電弧能量集中，焊接熱影響區(qū)窄，焊接變形量較小，焊后表面無需再處理;焊接速度快，等離子弧焊接速度是手工氬弧焊的5～8倍，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低;生產(chǎn)重復(fù)性好，電極縮在噴嘴內(nèi)，不易污染或燒損，使用壽命長;弧柱剛性大，利用“小孔效應(yīng)”，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成型;焊接缺陷少，可焊材料多，焊縫質(zhì)量好;自動(dòng)化程度高，操作可控性與調(diào)節(jié)性強(qiáng);綜合成本相對較低。

4 焊接設(shè)備及工藝

4.1 焊接設(shè)備

文中所述試驗(yàn)設(shè)備采用法國SAF公司PAW+TIG自動(dòng)焊接裝置，其結(jié)構(gòu)主要包括焊接電源、等離子槍、保護(hù)拖罩、制冷系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)等部件。配置下降外特性的直流電源，電極為正極;數(shù)字化逆變電源，控制精度高，性能穩(wěn)定;噴嘴規(guī)格和型式可根據(jù)不同材料及板厚進(jìn)行選擇;該裝置還具備弧長自動(dòng)跟蹤和視頻監(jiān)控等多種功能。

4.2 焊接工藝要點(diǎn)

(1)確定試板尺寸為400 mm×150 mm×8 mm兩塊(另加引弧板)，無需加工坡口，利用等離子弧具有的“小孔效應(yīng)”自熔打底，單面焊雙面成型，再進(jìn)行填絲蓋面。

(2)哈氏合金B(yǎng)－3原材料表面通常存在NiO等高熔點(diǎn)氧化膜(熔點(diǎn)2100℃)，除此之外，焊接過程中鎳易與硫、磷等雜質(zhì)元素共晶生成脆性化合物。為避免產(chǎn)生夾渣或裂紋等缺陷，施焊前必須對坡口兩側(cè)各50 mm區(qū)域進(jìn)行機(jī)械清理，去除表面氧化膜，然后再用丙酮擦洗焊口及焊絲以消除污染。

(3)焊口組對精度對等離子弧焊質(zhì)量十分關(guān)鍵，要求間隙均勻，不得過大、過小或存在錯(cuò)邊。固定焊點(diǎn)需保持與母材基本平齊，焊點(diǎn)過高則可能導(dǎo)致出現(xiàn)未焊透或背面熔合不良。為防止焊口內(nèi)側(cè)氧化，點(diǎn)固焊時(shí)，背面也需進(jìn)行通氣保護(hù)。

(4)焊接離子氣采用95%Ar+5%H2混合氣體。加入5%的氫氣是為了防止合金元素過度燒損造成焊縫成型不良，同時(shí)也是為了增強(qiáng)電弧能量密度。焊接尾隨拖罩和背保護(hù)罩則通入純度≥99.99%，露點(diǎn)≤－50℃的氬氣，焊接時(shí)提前送氣，滯后關(guān)氣，以獲得良好的保護(hù)效果。

(5)等離子弧焊屬于機(jī)械化焊接，盤絲自動(dòng)送給。要求焊絲盤整，不得打結(jié)、明顯折彎或受到污染。焊絲牌號為 ERNiMo－10，質(zhì)量應(yīng)符合ASME SFA －5.14 標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分見表 2［8］。

表2 ERNiMo－10焊絲化學(xué)成分 %

4.3 焊接工藝參數(shù)

等離子弧焊采用直徑為3.2 mm的鈰鎢型電極，噴嘴直徑4.0 mm，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 哈氏合金B(yǎng)－3等離子焊弧工藝參數(shù)

5 試驗(yàn)及結(jié)果

5.1 無損檢測

對試板進(jìn)行外觀目測檢查，表面無裂紋、氣孔、咬邊等缺陷，焊接接頭及熱影響區(qū)表面呈銀色，焊縫余高≤1.5 mm，面寬12 mm，背寬約3 mm，焊波細(xì)致均勻，外觀質(zhì)量符合要求。

按照J(rèn)B/T 4730.2和JB/T 4730.5對焊接接頭進(jìn)行100% 射線和滲透檢測，評定結(jié)果均為Ⅰ級。

5.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照J(rèn)B/T 4756附錄B，制備力學(xué)性能試樣并做試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 4［9］。

表4 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(室溫)

5.3 晶間腐蝕試驗(yàn)

哈氏合金B(yǎng)－3的耐蝕性能不僅取決于它的化學(xué)成分，還受到包括焊接在內(nèi)的熱加工控制過程影響。如果焊接工藝控制不當(dāng)，輸入線能量過大或?qū)娱g溫度過高，既可能造成焊接接頭包括熱影響區(qū)晶粒增大，也可能引起晶界區(qū)域貧鉬而導(dǎo)致晶間腐蝕敏感。通常哈氏合金B(yǎng)－3焊接或熱處理后要求進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，正是為了檢驗(yàn)工件熱加工后的耐蝕性能是否合格。

由于哈氏合金B(yǎng)－3對鹽酸腐蝕抗力優(yōu)良，采用“20% 鹽酸法(常壓)”并按照ISO 9400或GB/T 15260檢驗(yàn)其晶間腐蝕敏感性能力較弱，因此選擇比“鹽酸法(常壓)”更嚴(yán)格的“20% 鹽酸法(加壓)”工程規(guī)范，對哈氏合金B(yǎng)－3等離子弧焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕敏感性試驗(yàn)。

(1)采用冷切割方式截取焊接接頭，制備40 mm×30 mm腐蝕試樣2件，磨樣并編號;

(2)將制備合格的試樣放入承壓試驗(yàn)裝置內(nèi)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鹽酸，浸沒試樣后封蓋;

(3)設(shè)定試驗(yàn)參數(shù):試驗(yàn)溫度149℃，試驗(yàn)時(shí)間100 h;

(4)試驗(yàn)裝置加熱到設(shè)定試驗(yàn)溫度后開始計(jì)時(shí)，試樣處于承壓浸蝕狀態(tài)，達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間后取出試樣;

(5)對腐蝕后試樣的縱向截面進(jìn)行研磨拋光并用“王水”涂蝕;

(6)按照J(rèn)B/T 4756附錄D要求，采用金相觀察測定晶間腐蝕深度的方法，分別對試樣的焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)進(jìn)行觀察和測量評定;

(7)將試樣放大500倍進(jìn)行金相觀察，未見晶粒邊界有連續(xù)的析出沉淀。測定部位晶間腐蝕深度＜0.175 mm，為合格指標(biāo)。

哈氏合金 B－3等離子弧焊腐蝕試樣經(jīng)“20% 鹽酸法(加壓)”試驗(yàn)后顯示的晶間腐蝕形態(tài)見圖1，2;焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)的晶間腐蝕深度測定值見表5。

圖1 熔合線顯微組織

圖2 熱影響區(qū)顯微組織

表5 焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)的晶間腐蝕深度測定

6 結(jié)論

通過對哈氏合金B(yǎng)－3等離子弧焊接及20%鹽酸法(加壓)晶間腐蝕試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)采用等離子弧焊方法進(jìn)行哈氏合金B(yǎng)－3焊接，可獲得良好的外觀成形質(zhì)量、綜合力學(xué)性能和表面焊縫耐晶間腐蝕性能;

(2)由于中溫區(qū)熱穩(wěn)定性不足，哈氏合金B(yǎng)－3焊接接頭易產(chǎn)生因貧鉬而導(dǎo)致的晶間腐蝕敏感性，嚴(yán)格控制線能量和層間溫度是焊接工藝制定與貫徹的關(guān)鍵;

(3)采用“20%鹽酸法(加壓)”檢驗(yàn)哈氏合金B(yǎng)－3在還原性介質(zhì)中的晶間腐蝕敏感性更嚴(yán)格，必要時(shí)，經(jīng)設(shè)計(jì)單位和制造廠商定，可作為該材料焊接工藝的重要評定方法。

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