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(jí)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)大或?qū)娱g溫度過(guò)高，過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程必須對(duì)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(jiǎn)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(guò)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(wú)需開(kāi)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(wú)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(zhǎng);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(duì)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(guó)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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)精度對(duì)等離子弧焊質(zhì)量十分關(guān)鍵，要求間隙均勻，不得過(guò)大、過(guò)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(guò)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(guò)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(pán)絲自動(dòng)送給。要求焊絲盤(pán)整，不得打結(jié)、明顯折彎或受到污染。焊絲牌號(hào)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(jiàn)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(wú)損檢測(cè)

對(duì)試板進(jìn)行外觀目測(cè)檢查，表面無(wú)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(duì)焊接接頭進(jìn)行100% 射線和滲透檢測(cè)，評(píng)定結(jié)果均為Ⅰ級(jí)。

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(jiàn)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(guò)程影響。如果焊接工藝控制不當(dāng)，輸入線能量過(guò)大或?qū)娱g溫度過(guò)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(duì)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(duì)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(hào);

(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(méi)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(kāi)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(duì)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(cè)定晶間腐蝕深度的方法，分別對(duì)試樣的焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)進(jìn)行觀察和測(cè)量評(píng)定;

(7)將試樣放大500倍進(jìn)行金相觀察，未見(jiàn)晶粒邊界有連續(xù)的析出沉淀。測(cè)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(jiàn)圖1，2;焊接接頭熔合線和熱影響區(qū)的晶間腐蝕深度測(cè)定值見(jiàn)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(cè)定

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(guò)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(píng)定方法。

［1］陳建俊.哈氏B－3鎳鉬合金的特性和容器制造工藝特點(diǎn)［J］.壓力容器，2004，21(11):32 －35.

［2］王平，李宇.哈氏B－3合金大型壓力容器的研制［J］.壓力容器，2007，24(11):29 －33.

［3］ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范，第Ⅱ卷B篇，非鐵基材料［S］.2010.

［4］李平.哈氏合金B(yǎng)3(N10675)板材焊接工藝評(píng)定［J］.中國(guó)化工裝備，2010，(1):23 －26.

［5］于世行，郝丁華.鎳基耐蝕合金焊接工藝［J］.石油化工應(yīng)用，2008，27(3):87 －89.

［6］楊懷文.等離子焊(PAW)簡(jiǎn)介［J］.現(xiàn)代焊接，2004，29(5):49－50.

［7］吳磊，葛新生，張海波，等.應(yīng)用等離子弧技術(shù)焊接特種材料的試驗(yàn)研究［J］.壓力容器，2009，26(8):15－18.

［8］ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范，第Ⅱ卷C篇，焊條、焊絲及填充金屬［S］.2010.

［9］JB/T 4756—2006，鎳及鎳合金制壓力容器［S］.