Inconel625與TP347異種鋼焊接工藝

牛緯濤，姜慶新，古永安

中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)公司，山東青島266300

Inconel625與TP347異種鋼焊接工藝

牛緯濤，姜慶新，古永安

中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)公司，山東青島266300

廣西石化200萬(wàn)t/a柴油加氫改質(zhì)裝置中，部分高壓換熱器設(shè)備的開(kāi)孔端部堆焊有8 mm厚的Inconel625材料，工程要求在該開(kāi)孔處接管，接管的材質(zhì)為T(mén)P347，為此需制訂合適的焊接工藝。文章首先對(duì)Inconel625與TP347異種鋼的焊接性進(jìn)行了分析，而后介紹了焊接工藝措施及有關(guān)參數(shù)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的控制，最終圓滿地完成了該項(xiàng)焊接任務(wù)。

異種鋼焊接；Inconel625；TP347；焊接性；焊接工藝

0 引言

Inconel625是一種對(duì)各種腐蝕介質(zhì)都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金，目前主要應(yīng)用于航海、航空等領(lǐng)域，在石油煉化行業(yè)中應(yīng)用較少。廣西石化200萬(wàn)t/a柴油加氫改質(zhì)裝置中，部分高壓換熱器設(shè)備的開(kāi)孔端部堆焊有8 mm厚的Inconel625材料，工程要求在該開(kāi)孔處接管，接管的材質(zhì)為T(mén)P347。為取得良好的焊接效果，對(duì)Inconel625與TP347異種鋼的焊接性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了合理的焊接工藝，最后通過(guò)嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)價(jià)和工程實(shí)施，順利地完成了此項(xiàng)焊接任務(wù)。

現(xiàn)場(chǎng)施焊坡口情況如圖1所示。設(shè)備開(kāi)孔處材質(zhì)為P22堆焊有309不銹鋼與347不銹鋼的復(fù)合金屬，坡口端部再堆焊有厚度為8 mm的Inconel625，接管的材質(zhì)為T(mén)P347，因此現(xiàn)場(chǎng)的焊接為Inconel625與TP347異種鋼的焊接。

圖1 設(shè)備開(kāi)孔與管道焊接坡口示意

在坡口處堆焊Inconel625的原因有：其一避免了焊接程序復(fù)雜的復(fù)合鋼的焊接；其二避免了在焊接過(guò)程中出現(xiàn)要求溫度較高的鉻鉬鋼和要求溫度較低的不銹鋼之間的焊接，這在很大程度上降低了現(xiàn)場(chǎng)施焊的難度；其三鎳基材料的熱膨脹系數(shù)介于TP347與P22之間，這樣做緩解了由于溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力；其四鎳基材料能阻止碳向TP347側(cè)的擴(kuò)散，這樣做降低了晶間腐蝕的傾向，避免了馬氏體的產(chǎn)生，有利于提高焊縫性能。

1 試驗(yàn)材料及分析

1.1 試驗(yàn)材料

為了使試驗(yàn)結(jié)果更有效地用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，試驗(yàn)時(shí)母材的選擇盡可能接近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。在JFE Steel Corporation生產(chǎn)的DN250 mm×21.44 mm的P22管道端部，利用ENiCrMo-3焊條堆焊了約1 cm厚的Inconel625，坡口經(jīng)機(jī)械加工后，與IBF The Pipes and Fitting Company生產(chǎn)的DN250 mm×21.44 mm TP347管道進(jìn)行焊接。試件坡口示意見(jiàn)圖2，P22、TP347和Inconel625的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1～表6。用ENiCrMo-3焊條電弧焊焊接后，對(duì)熔敷金屬進(jìn)行了光譜半定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)表7。焊絲ERNiCrMo-3、ENiCrMo-3熔敷金屬的化學(xué)成分分別見(jiàn)表8、表9。

圖2 試件焊接坡口示意

表1 P22化學(xué)成分/%

表2 P22力學(xué)性能（室溫）

表3 TP347化學(xué)成分/%

表4 TP347力學(xué)性能（室溫）

表5 Inconel625標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分/%

表6 Inconel625力學(xué)性能（室溫）

表7 現(xiàn)場(chǎng)ENiCrMo-3焊條焊后熔敷金屬光譜半定量分析結(jié)果/%

表8 ERNiCrMo-3焊絲熔敷金屬化學(xué)成分/%

表9 ENiCrMo-3焊絲熔敷金屬化學(xué)成分/%

1.2 材料焊接性分析

1.2.1 Inconel625的焊接性分析

Inconel625合金對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)NS336合金，按我國(guó)鎳基耐蝕金屬分類(lèi)方法屬Ni-Cr-Mo系。Inconel625合金既具有良好的耐蝕性，又具有良好的成型性和高的熱強(qiáng)度，因此Inconel625合金既可作為耐蝕合金，又可作為耐熱合金使用，同時(shí)還可以作為高溫下耐蝕合金使用。Inconel625整體焊接性良好，焊接中存在的主要問(wèn)題是：熱裂紋敏感性高，易產(chǎn)生氣孔和熔合不良。

（1）熱裂紋。Ni與S、P形成的共晶物的熔點(diǎn)特別低（Ni-Ni2S2，645℃；Ni-Ni3P，880℃），易產(chǎn)生熱裂紋，尤其是結(jié)晶裂紋。另外，其表面氧化皮的熔點(diǎn)比母材高得多，可能形成夾渣或細(xì)小的不連續(xù)氧化物，這些細(xì)小的氧化物也增加了熱裂紋產(chǎn)生的可能性。實(shí)際焊接也證明了這一點(diǎn)，如果控制不當(dāng)極易產(chǎn)生弧坑裂紋。

（2）熔合不良和氣孔。鎳基合金由于液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差，焊縫金屬不容易潤(rùn)濕展開(kāi)，焊縫金屬不易流到焊縫兩邊，因此如果施焊時(shí)不掌握技巧，很容易造成熔合不良或咬邊的缺陷。鎳合金本身對(duì)于N2和O2比較敏感，較容易形成氣孔。

焊接過(guò)程中為了增加焊縫金屬的流動(dòng)性，通常采用增大電流的方法，但當(dāng)電流值超過(guò)推薦范圍時(shí)，不僅會(huì)造成熔池過(guò)熱，增大熱裂紋敏感性，而且會(huì)使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，從而增加了氣孔缺陷出現(xiàn)的可能性；另外，焊條電弧焊時(shí)，過(guò)大的焊接電流也使焊條過(guò)熱并引起藥皮發(fā)紅甚至脫落，因而顯著降低了藥皮的保護(hù)效果。由此可見(jiàn)，錯(cuò)誤的工藝將導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。

1.2.2 TP347焊接性分析

TP347的國(guó)標(biāo)牌號(hào)為06Cr18Ni11Nb不銹鋼，屬于添加穩(wěn)定化元素的18-8型，組織為單相奧氏體的不銹鋼。奧氏體不銹鋼焊接的主要問(wèn)題是：焊接熱裂紋、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。

（1）熱裂紋。從成分上計(jì)算TP347的熱裂紋敏感系數(shù)HCS，其結(jié)果如下（算式中的元素符號(hào)表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：

奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，在焊接的局部加熱和冷卻條件下，接頭在冷卻過(guò)程中易于形成較大的拉應(yīng)力；奧氏體鋼易形成方向性很強(qiáng)的柱狀晶焊縫組織，這有利于有害雜質(zhì)的偏析，從而促使產(chǎn)生焊縫凝固裂紋；奧氏體鋼及其焊縫合金組成復(fù)雜，相互間易化合形成低熔點(diǎn)共晶物，形成了有害的液態(tài)間層。雖然從化學(xué)成分的分析上看，TP347熱裂紋敏感系數(shù)很小，但由于以上三點(diǎn)促進(jìn)了奧氏體鋼焊接熱裂紋的形成，所以?shī)W氏體鋼焊接對(duì)熱裂紋較敏感。

（2）晶間腐蝕。晶間腐蝕主要包括焊縫晶間腐蝕、熱影響區(qū)（HAZ）敏化腐蝕和焊趾處刀狀腐蝕。無(wú)論哪種晶間腐蝕，均是由于在奧氏體晶粒晶界處首先發(fā)生碳的集聚，而后碳與鉻相結(jié)合而形成Cr23C6或碳的鉻化物，使晶間發(fā)生貧碳而造成的。此外，單相奧氏體焊縫金屬呈發(fā)達(dá)的柱狀晶，經(jīng)敏化溫度（450～850℃）后，出現(xiàn)的貧鉻層可以貫穿晶粒之間而構(gòu)成腐蝕介質(zhì)集中的腐蝕通道，使不銹鋼的耐蝕性下降。

（3）應(yīng)力腐蝕。奧氏體鋼的導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)大所引起的高殘余應(yīng)力是造成奧氏體鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要原因。焊接殘余應(yīng)力的存在加速了腐蝕的速度，因此焊接時(shí)應(yīng)盡量降低殘余應(yīng)力。

2 Inconel625與TP347異種鋼的焊接

Inconel625與TP347的組織相同，均為奧氏體，對(duì)于組織比較接近的異種鋼接頭，焊接材料的選擇原則是：要求焊縫金屬的化學(xué)性能、耐熱性能等不低于母材中性能要求較低一側(cè)的指標(biāo)。鎳合金與不銹鋼、碳鋼、低合金鋼等的焊接，焊接材料常選用因科鎳。因?yàn)樵谕ǔ５娜凵钕?，因科鎳的熔敷金屬組織為穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)，焊接性較好。尤其具有如下特點(diǎn)：

（1）鎳合金中碳的固熔度低，碳遷移困難，即便長(zhǎng)時(shí)間處于高溫，也很難增碳。

（2）因科鎳的熱膨脹系數(shù)介于奧氏體不銹鋼和碳鋼之間，對(duì)反復(fù)加熱的適應(yīng)性強(qiáng)，故對(duì)于高溫及冷熱反復(fù)施加的載荷作用情況，可采用因科鎳材料，此焊材用于低合金鋼可省去后熱。

3 焊接工藝

3.1 焊接工藝要求

綜上所述，為了避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生和保證接頭的耐腐蝕性能，在現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中應(yīng)采取以下控制措施：

（1）在保證熔透和焊條充分熔敷的前提下，采用盡可能小的焊接熱輸入量，焊接過(guò)程中焊條不擺動(dòng)或小幅度擺動(dòng)。

（2）焊前嚴(yán)格清理坡口及其周?chē)?，焊接前使用不銹鋼砂輪對(duì)坡口及其周?chē)?0 mm進(jìn)行打磨。

（3）焊接采用多層多道焊，層間溫度不高于100℃。

為了避免氣孔的產(chǎn)生，焊接前應(yīng)做好防護(hù)措施，焊接時(shí)采用短弧焊的焊接方法，選用添加Nb的焊材，以降低焊縫金屬對(duì)氣孔的敏感性，同時(shí)Nb還具有細(xì)化晶粒的作用，可改善焊縫金屬的機(jī)械性能。

由于鎳基合金的液態(tài)金屬流動(dòng)性較差，焊接的熔透深度一般只有珠光體鋼的50%左右，奧氏體鋼的60%左右，當(dāng)焊接工藝不合適時(shí)，很容易發(fā)生未熔合現(xiàn)象，且前文分析了采用加大焊接電流來(lái)提高鎳基及鐵鎳基合金的液態(tài)金屑流動(dòng)性是不可取的，因此為了保證接頭熔合良好，應(yīng)適當(dāng)增大坡口角度，減小根部的鈍邊厚度。試驗(yàn)過(guò)程中采用的坡口形式和焊接層道數(shù)見(jiàn)圖3。

為了保證焊接質(zhì)量，還采取了以下措施：

（1）鎢極氬弧焊打底時(shí)，背面充氬保護(hù)。為了保證氬氣純度和節(jié)約氬氣，采取局部充氬的辦法；同時(shí)，背面充氬應(yīng)避免由于氬氣壓力過(guò)高引起的焊縫內(nèi)凹或未焊透，背面保護(hù)氣體流量應(yīng)控制在10～15 L/min。

（2）鎢極氬弧焊打底完成后進(jìn)行滲透探傷，探傷無(wú)缺陷后進(jìn)行填充蓋面。

（3）電弧焊焊條使用前，按焊條生產(chǎn)商推薦的烘干規(guī)范進(jìn)行烘干。

圖3 焊接的坡口形式和焊接層道數(shù)

（4）鎳基合金焊接時(shí)，易產(chǎn)生弧坑裂紋，應(yīng)保證引弧和收弧質(zhì)量，收弧時(shí)弧坑應(yīng)填滿，并目視檢查弧坑是否存在裂紋，如存在裂紋應(yīng)將裂紋打磨除去后方可繼續(xù)施焊。

（5）焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)焊條藥皮脫渣性能較差，為了避免產(chǎn)生夾渣的缺陷，每層焊接完成后均應(yīng)采用不銹鋼鋼絲刷進(jìn)行打磨。

（6）多層多道焊的各層道焊接接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。

3.2 焊材選用及焊接參數(shù)

焊接時(shí)，鎢極氬弧焊和焊條電弧焊分別選用了國(guó)產(chǎn)ERNiCrMo-3焊絲和ENiCrMo-3焊條，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 焊接工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果

試件焊完24 h后進(jìn)行射線檢測(cè)，探傷結(jié)果顯示該焊口內(nèi)僅存在部分不超標(biāo)的圓形缺陷，符合AB級(jí)II級(jí)的合格標(biāo)準(zhǔn)。射線探傷合格后，按照NB/T47014-2011規(guī)定進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)取樣，并對(duì)取樣進(jìn)行室溫彎曲、室溫拉伸和-20℃的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均合格。拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5 工程應(yīng)用效果

廣西石化200萬(wàn)t/a柴油加氫改質(zhì)裝置的Inconel625與TP347異種鋼焊接焊口共14道，焊后射線探傷拍攝104張照片，一次合格102張，焊接一次合格率98.1%，質(zhì)量符合用戶要求；此外，對(duì)采用本工藝進(jìn)行焊接的試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)也滿足要求。

[1]JB/T4730-2005，承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)[S].

[2]NB/T47014-2011，承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].

[3]GB 50236-2011，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]SH/T3523-2009，石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程[S].

[5]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)（第1版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1 029-1 035.

[6]李亞江，栗卓新，陳芙蓉，等.焊接冶金學(xué)——材料焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.11-27.

[7]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)第2卷——材料的焊接（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.689-698.

[8]楊輝偉，強(qiáng)興忠.苯乙烯裝置高溫管道焊接常見(jiàn)問(wèn)題和注意事項(xiàng)[J].石油工程建設(shè)，2010，36（S）：40-44.

Welding Process ofDissimilar Steels ofInconel625 and TP347

Niu Weitao，Jiang Qingxin，Gu Yongan
PetroChina Seventh Construction Co.，Qingdao 266300，China

In the 200×104t/a diesel oil hydrogenation facility in Guangxi Petrochemical Co.，there are 8 mm thick Inconel625 layers formed by surfacing welding around the holes of some high pressure heat exchanger，where TP347 steel pipes are needed to connected.Therefore，the weldability between the dissimilar steels of Inconel625 and TP347 is analyzed，then proper welding process is formulated，and strict welding process assessment tests and field quality controlare carried out.Finally，the welding task is fulfilled satisfactorily.

welding between dissimilar steels；Inconel625；TP347；weldinability；welding process

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.009

牛緯濤（1984-），男，河北邯鄲人，工程師，2004年畢業(yè)于承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校焊接工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事石油工程建設(shè)工作。

2014-04-20