熱絲TIG堆焊Alloy 59鎳基合金工藝及其堆焊層性能研究

張 偉,朵元才,張建曉,武正彬,楊 洋,呂 龍,李樹龍

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司,蘭州 730314;2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730314)

0 引言

隨著石油化工行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大及受原油品質(zhì)的影響，石化設(shè)備用戶對(duì)于產(chǎn)品的耐腐蝕性要求越來(lái)越高，以延長(zhǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行周期。用于制造設(shè)備的材料也在不斷地改進(jìn)發(fā)展，其中鎳基合金材料在第二代N10276、N06022的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了N06059、N10675等第三代材料[1]，其中，N06059也稱為Alloy 59。由于該鎳基合金價(jià)格昂貴，為節(jié)約制造成本，一般將其應(yīng)用于堆焊耐腐蝕層。

國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家對(duì)于Alloy 59合金的應(yīng)用，僅限于成品進(jìn)口Alloy 59板材或者Q345R+N06059復(fù)合板[1-2]。目前尚未有利用熱絲TIG等技術(shù)堆焊Alloy 59的研究報(bào)告，本文以某重點(diǎn)換熱器管板堆焊制造為背景，進(jìn)行前期的焊接工藝試驗(yàn)并對(duì)堆焊層進(jìn)行測(cè)試，為后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

堆焊試驗(yàn)?zāi)覆臑槲桎撋a(chǎn)的14Cr1MoR，供貨態(tài)為正火+回火，規(guī)格為300 mm×300 mm×32 mm；焊接前對(duì)堆焊面進(jìn)行打磨，清除表面油污，為防止在第一層堆焊過(guò)程中母材受熱區(qū)域降溫過(guò)快形成淬硬組織，第一層堆焊前對(duì)母材試板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥150 ℃。焊接材料選用某公司制造的ERNiCrMo-13，焊絲規(guī)格?1.2 mm，焊接材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 ERNiCrMo-13化學(xué)成分 %

在14Cr1Mo母材上堆焊Alloy 59合金時(shí)，經(jīng)綜合考慮，焊接方法采用熱絲TIG，該焊接方法是在傳統(tǒng)TIG基礎(chǔ)上，當(dāng)填充焊絲在進(jìn)入熔池前一定距離處時(shí)，開始由加熱電源通過(guò)導(dǎo)電塊對(duì)其通電，但不產(chǎn)生電弧，依靠電阻熱將焊絲加熱至預(yù)定溫度，減小了焊接熔池從電弧中輸入的熱量，熔敷效率有了較大的提高[3-4]。熱絲TIG焊的送絲速度獨(dú)立于焊接電流控制，因此能夠更好地控制焊縫成形。該焊接方法是一種較為優(yōu)良的焊接方法，在具備傳統(tǒng)TIG高質(zhì)量焊縫的基礎(chǔ)上熔敷效率有了很大的提升[5]；在一些企業(yè)，熱絲TIG堆焊已大規(guī)模應(yīng)用于法蘭密封面堆焊、小直徑管板堆焊中，具有成熟的焊接工藝及經(jīng)驗(yàn)。

鎳基合金焊接的主要工藝難點(diǎn)是由于Ni易與其他元素形成低熔點(diǎn)共晶物，而在焊接過(guò)程中形成熱裂紋，另外在焊接過(guò)程中，焊縫、熱影響區(qū)如長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)會(huì)造成其他相析出，從而影響腐蝕性能[6]，這些都是在進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)需要考慮的因素。根據(jù)產(chǎn)品制造技術(shù)條件要求，Alloy 59合金的堆焊層的化學(xué)成分符合表1或ASME Ⅱ卷C篇A5.14中的要求，耐腐蝕性測(cè)試需通過(guò)ASTM G48A法、ASTM A262E法、NACE TM0177及ASTM G36等4種方法測(cè)試、彎曲試驗(yàn)及熔合面剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中的要求。在試板上經(jīng)過(guò)多次焊接規(guī)范試驗(yàn)之后選取最佳參數(shù)如表2所示。

表2 熱絲TIG堆焊ERNiCrMo-13焊接規(guī)范參數(shù)

表3 退火熱處理工藝參數(shù)

在嚴(yán)格按照表2的參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制堆焊過(guò)程中的搭接量、焊槍角度焊接之后，進(jìn)行外觀及平整度檢查，平整度≤1.8 mm，飛濺極小；對(duì)堆焊完成的試板根據(jù)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》及NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》進(jìn)行檢測(cè)，合格。一般來(lái)講，根據(jù)產(chǎn)品制造要求，需要對(duì)堆焊完成之后的筒體、管板進(jìn)行消應(yīng)力退火熱處理[7]，退火參數(shù)主要根據(jù)母材材料制定，如表3所示。

退火完成之后再次進(jìn)行UT，PT無(wú)損檢測(cè)，合格之后進(jìn)行堆焊層化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織及耐腐蝕性能的測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分

焊接及熱處理完成后，根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法》對(duì)堆焊層熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表4，合格的化學(xué)成分是保證堆焊層耐腐蝕性的充分條件?；瘜W(xué)成分檢測(cè)位置在堆焊層表面以下3.75～4.25 mm。

表4 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分 %

從表4可以看出，熔敷金屬化學(xué)成分與焊絲化學(xué)成分相差不大，符合ASME Ⅱ卷C篇A5.14中的規(guī)定；說(shuō)明在嚴(yán)格遵守該焊接規(guī)范的情況下，14Cr1MoR材質(zhì)母材對(duì)堆焊層的稀釋率可以控制在較低范圍之內(nèi)，最低可以保證堆焊層表面4.25 mm之內(nèi)的化學(xué)成分滿足要求，從而保證其耐腐蝕性。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》對(duì)堆焊層進(jìn)行大小側(cè)彎?rùn)z測(cè)、依據(jù)GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》對(duì)熔合面剪切強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 堆焊層力學(xué)性能

從表5可以看出，8件側(cè)彎全部合格無(wú)任何缺陷，說(shuō)明堆焊層及母材塑性良好；熔合面剪切強(qiáng)度達(dá)到了515,535 MPa，大于GB/T 6396—2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》及制造技術(shù)條件中的規(guī)定值200～210 MPa，堆焊層與母材結(jié)合緊密，第一層堆焊層與母材之間熔深適當(dāng)，具有良好的抗剪切能力[8]。

2.3 硬度及三區(qū)金相組織

制取一塊試樣，分別對(duì)試樣的堆焊層表面、過(guò)渡層、熱影響區(qū)及母材依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行維氏硬度測(cè)試(HV10)，其中堆焊層表面測(cè)試4點(diǎn)，其余部位各測(cè)試2點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 堆焊層各區(qū)域硬度對(duì)比

由圖1可看出，4個(gè)區(qū)域硬度值均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，最高值為231，硬度值為堆焊層表面>過(guò)渡層>熱影響區(qū)>母材；在堆焊的過(guò)程中，過(guò)渡層冷卻速度較慢，受到外層的回火作用，所以過(guò)渡層的硬度略小于堆焊層表面；熱影響區(qū)硬度值高于母材，是在焊接的過(guò)程中由于熱循環(huán)產(chǎn)生了淬硬組織，但經(jīng)堆焊層剩余3道焊縫的回火作用，熱影響區(qū)最高硬度值僅為210。

將堆焊后的試板切取橫截面進(jìn)行打磨、腐蝕，然后進(jìn)行顯微組織分析，金相照片見圖2，3。

圖2 焊縫及熱影響區(qū)金相組織

圖3 母材金相組織

可以看出焊縫為典型的柱狀晶組織，為γ相，第一層焊縫晶粒較為細(xì)小，一方面是因?yàn)闊峤zTIG熱輸入較小；另一方面是受到后續(xù)堆焊時(shí)的影響，相關(guān)研究認(rèn)為，多層堆焊時(shí)后續(xù)焊道的影響會(huì)使前面工序焊道形成一定程度的再結(jié)晶[9]；熱影響區(qū)組織為貝氏體回火組織+少量鐵素體，母材微觀組織為典型的貝氏體回火組織，貝氏體為粒狀。

2.4 腐蝕試驗(yàn)

堆焊試板需要經(jīng)過(guò)690 ℃×8 h退火熱處理，該溫度區(qū)間是鎳基合金的敏化溫度區(qū)間[7]，經(jīng)熱處理之后耐腐蝕性能是否滿足要求是產(chǎn)品制造試驗(yàn)中最為關(guān)心的問(wèn)題。在腐蝕試驗(yàn)中，選擇ASTM A262.E法、ASTM G48A法、ASTM G36法、NACE TM0177法等4種方法對(duì)其耐腐蝕性能進(jìn)行了測(cè)試。

(1)依據(jù)ASTM A262.E法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行650 ℃×1 h敏化處理，彎曲后無(wú)晶間腐蝕裂紋傾向。

(2)依據(jù)ASTM G48A法進(jìn)行三氯化鐵麻點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度22±2 ℃，試驗(yàn)周期72 h，F(xiàn)eCl3濃度6%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 G48A法腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表6可以看出，堆焊層抗點(diǎn)蝕能力優(yōu)良，腐蝕速率為0.002 9 g/(m2·h)，小于一般技術(shù)規(guī)定中4.17 g/(m2·h)的要求。

(3)為進(jìn)一步驗(yàn)證焊接熔敷金屬的抗腐蝕能力，按照NACE TM0177《H2S環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法規(guī)定》進(jìn)行了硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氯化鈉及0.50%冰乙酸的蒸餾水溶液，加載方式為四點(diǎn)彎曲法，從堆焊的焊材熔敷金屬表面向下2.5 mm處取試樣，試驗(yàn)結(jié)果表明，該堆焊層具備在飽和H2S環(huán)境下服役的能力，具體試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 NACE TM0177A試驗(yàn)結(jié)果

(4)為了驗(yàn)證堆焊層在應(yīng)力條件下的腐蝕開裂傾向，依據(jù)ASTM G36 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了堆焊層金屬在沸騰氯化鎂應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)；試驗(yàn)溫度為155 ℃，溶液為45%MgCl2；試樣3件，加載應(yīng)力為210 MPa，每個(gè)周期為96 h。經(jīng)第1周期之后，經(jīng)10倍放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)裂紋；進(jìn)行第2周期試驗(yàn)，經(jīng)10倍放大鏡檢查無(wú)裂紋，試驗(yàn)之后檢測(cè)試樣的微觀組織金相如圖4所示。

(a)試樣1 (b)試樣2 (c)試樣3

圖4 ASTM G36腐蝕試樣表面微觀金相照片 10×

3 結(jié)論

(1)熱絲TIG是堆焊Alloy 59合金的一種有效方法，該堆焊方法熱輸入小、保護(hù)較好，堆焊面不平度≤1.8 mm，后續(xù)制造加工量小。

(2)采取合理的規(guī)范，堆焊層化學(xué)成分及各項(xiàng)力學(xué)性能優(yōu)異，微觀金相未發(fā)現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件的要求。

(3)堆焊層隨母材進(jìn)行熱處理之后，所測(cè)試各項(xiàng)耐腐蝕性能均符合要求，該鎳基合金可以用于含有飽和H2S及Cl-的苛刻環(huán)境下服役產(chǎn)品的制造。