鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2焊接工藝及接頭性能

李戰(zhàn)斌，徐兵，徐祥久，閆國斌

摘要： 固溶退火態(tài)的鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2鋼管在焊接過程中存在較高的熱裂紋敏感性，對熱輸入控制、焊工操作技能有較高的要求。根據(jù)鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2材質(zhì)的焊接特性，制定焊接工藝評定方案，獲得了無損檢驗(yàn)合格的焊接接頭。對焊接接頭的力學(xué)性能、耐晶間腐蝕性能及微觀組織進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該焊接工藝方案可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，焊縫金相組織為奧氏體，接頭強(qiáng)度及耐蝕性能良好，滿足工程應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞： 鎳基合金; 焊接工藝; 晶間腐蝕

中圖分類號： TG 444

Welding process and mechanical properties of Ni-based alloy

SB-444 N06625 Gr.2 welded joint

Li Zhanbin1， Xu Bing1， Xu Xiangjiu1，2， Yan Guobin1

（1. Harbin Boiler Company Limited， Harbin 150046， Heilongjiang， China;

2. State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers， Harbin 150046， Heilongjiang， China）

Abstract： Ni-based alloy SB-444 N06625 Gr.2 tube under solution annealed state has characteristics of hot crack sensitivity during welding process， and it requires strict heat input control and proficient welding operation skill. According to welding characteristics of Ni-based alloy SB-444 N06625 Gr.2 material， welding process evaluation scheme was developed， and qualified welded joints were obtained. The mechanical properties， intergranular corrosion resistance and microstructure of welded joints were tested and analyzed. The test results showed that the welding process could be used to obtain high quality welded joints， microstructure of the weld was austenite. Strength and corrosion resistance of the weld showed excellent performance， which met requirements of engineering application.

Key words：? Ni-based alloy; welding process; intergranular corrosion

0前言

鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2屬于固溶強(qiáng)化Ni-Cr-Mo型鎳基合金，主要通過添加Cr，Mo，Nb等合金元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化，具有面心立方晶格，金相組織為奧氏體[1-2]，具有優(yōu)良的耐高溫性能和耐蝕性能，同時(shí)保持著良好的高溫和低溫力學(xué)性能，塑性、韌性優(yōu)良，因此SB-444 N06625 Gr.2被廣泛適用于核工業(yè)、石化設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。

SB-444 N06625 Gr.2合金元素種類較多，凝固過程中合金元素和雜質(zhì)元素強(qiáng)烈偏析，從而增大凝固裂紋的敏感性，焊接過程中極易出現(xiàn)熱裂紋[3-4]。因此，對SB-444 N06625 Gr.2進(jìn)行焊接工藝研究及焊接接頭性能研究是保證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

1焊接性分析

試驗(yàn)采用型號為SB-444 N06625 Gr.2的鋼管，規(guī)格為219 mm×20 mm，供貨狀態(tài)為固溶退火態(tài)。根據(jù)鋼管的化學(xué)成分選擇匹配的焊材，氬弧焊焊絲采用ERNiCrMo-3，直徑為2.4 mm;焊條采用ENiCrMo-3，直徑為3.2 mm。鋼管、焊絲和焊條熔敷金屬的化學(xué)成分見表1。由SB-444 N06625 Gr.2的化學(xué)成分可見，SB-444 N06625 Gr.2添加的合金種類較多，合金元素Ti，Mn，Nb可以降低材料的熱裂紋敏感性和減少氣孔的產(chǎn)生[5]。Ti和Nb作為穩(wěn)定化合金元素，與鎳形成面心立方晶格，抑制碳的有害影響，提高抗晶間腐蝕能力;Cr，Mo可以形成碳化物強(qiáng)化晶界，可以增加其高溫性能和耐蝕性; Co提高鎳基合金的耐高溫能力[6]。然而，S，B，P等不利元素能與Ni形成低熔點(diǎn)共晶體，在晶界形成一層液態(tài)薄膜，在拉應(yīng)力的作用下易形成結(jié)晶裂紋，使鎳基合金焊縫的熱裂紋傾向增大。多元素復(fù)合強(qiáng)化也使SB-444 N06625 Gr.2液態(tài)焊縫金屬粘性大，流動性差、熔深淺、焊接時(shí)易出現(xiàn)焊接熱裂紋、氣孔、未焊透、咬邊、夾渣等缺陷。

焊接SB-444 N06625 Gr.2時(shí)試件表面要保證高度清潔，防止表面氧化物和雜物進(jìn)入熔池。焊前可采用專用砂輪打磨坡口，必要時(shí)用酒精或丙酮擦拭干凈，焊接過程中注意保護(hù)焊道以免氧化，并仔細(xì)打磨去除層道間焊接缺陷及氧化物。

2焊接工藝

焊接工藝試驗(yàn)采用管子對接試件，焊接方法為鎢極氬弧焊和焊條電弧焊，焊接坡口如圖1所示，在平焊位置進(jìn)行焊接。

采用鎢極氬弧焊焊接2層，首層保證單面焊雙面成形，為防止背面焊縫氧化，背面氬氣保護(hù)至少保持到第2層焊接完畢;第3～8層采用焊條電弧焊，使用3.2 mm焊條填充和蓋面，具體焊接工藝參數(shù)見表2。焊接過程中控制層間溫度上限為150 ℃。鎢極氬弧焊收弧時(shí)電流衰減時(shí)間為4～5 s，可有效避免收弧時(shí)出現(xiàn)弧坑裂紋，并且收弧時(shí)持續(xù)的氣體保護(hù)有利于避免焊縫金屬氧化;焊條電弧焊時(shí)輕微擺動以便焊道成形。

3試驗(yàn)方法

對試件進(jìn)行無損檢驗(yàn)，然后采用WE-60型液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行4組彎曲試驗(yàn);采用WE-60型液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行2組拉伸試驗(yàn);采用AXIOVERT200MAT型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行宏觀、微觀檢驗(yàn);采用THVS-50型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試;采用YT-4B型智能型晶間腐蝕試驗(yàn)裝置和WYE-S100型晶間腐蝕彎曲試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。

4試驗(yàn)結(jié)果

4.1無損檢驗(yàn)

對焊縫進(jìn)行100%RT和100%PT檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.2接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)彎心直徑為40 mm，彎曲角度為180°，試驗(yàn)結(jié)果顯示4組彎曲試樣拉伸面焊縫和熱影響區(qū)均無開口缺陷。室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度分別為786 MPa和752 MPa，高于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值（690 MPa），斷裂位置均在母材上。對SMAW部位焊接接頭進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果見表3，焊縫硬度高于母材及熱影響區(qū)。

4.3宏觀檢驗(yàn)

對焊接接頭進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，如圖2所示。焊縫層道分布清晰，焊道間不存在未熔合、未焊透的現(xiàn)象，焊縫和熱影響區(qū)均無裂紋、氣孔等缺陷;焊道呈凸起狀，與母材圓滑過渡，焊縫成形較好。

4.4微觀金相檢驗(yàn)

對焊接接頭進(jìn)行微觀金相組織檢驗(yàn)，包括母材、焊縫和熱影響區(qū)，如圖3所示。圖3a為母材金相組織，母材組織為致密均勻的奧氏體晶粒。圖3b為焊縫金屬金相組織。焊縫為奧氏體柱狀晶，焊縫熔化金屬作為奧氏體開始凝固，在焊縫冷卻過程中奧氏體是唯一穩(wěn)定的相，并且在室溫下顯微組織為柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。焊縫冷卻過程中形成凝固亞晶粒，以枝狀晶形式存在，合金元素在枝狀晶形成過程中產(chǎn)生偏析，導(dǎo)致枝狀晶邊界元素含量高，產(chǎn)生明顯的凝固亞晶界。圖3c為熱影響區(qū)金相組織。熱影響區(qū)范圍較小，熱影響區(qū)組織為單相奧氏體晶粒，未見明顯析出相。在多層多道焊熱輸入影響下，熱影響區(qū)中存在局部細(xì)晶區(qū)，部分晶粒尺寸與母材相比變大。

4.5晶間腐蝕試驗(yàn)

在焊接接頭后焊面向下取2個(gè)晶間腐蝕試樣，其規(guī)格為80 mm×20 mm×3.5 mm。經(jīng)過650 ℃×2 h敏化處理后，放在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中煮沸進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，通過彎曲試樣判斷晶間腐蝕傾向。在放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，如圖4所示。這與SB-444 N06625 Gr.2通過合金化的途徑提高了耐蝕性能相關(guān)，奧氏體基體中較高的Ni，Cr，Mo含量使鎳基合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能。

5結(jié)論

采用手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊組合的焊接方法，進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)，可以獲得無損檢驗(yàn)合格的鎳基合金SB-444 N06625 Gr.2焊接接頭。焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)良，彎曲試樣未發(fā)現(xiàn)缺陷，抗拉強(qiáng)度高于母材抗拉強(qiáng)度下限值，焊縫組織為奧氏體，宏微觀組織完好無缺陷，抗晶間腐蝕性能優(yōu)良，滿足工程應(yīng)用要求。

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收稿日期： 2022-04-10

李戰(zhàn)斌簡介： 工程師;主要從事鍋爐、壓力容器的焊接與熱處理技術(shù)工作;15663456083@163.com。