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        HastelloyC—276合金焊接性研究

        2015-05-30 10:48:04王陽陽賈晨
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年12期
        關(guān)鍵詞:基合金焊絲坡口

        王陽陽 賈晨

        摘 要:Hastelloy C-276合金是一種耐腐蝕型合金,具有優(yōu)秀的耐點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂性能,在航天、能源、化工、核電、環(huán)保等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。文章介紹了Hastelloy C-276合金的組織結(jié)構(gòu),分析其焊接性,依據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》和ASTM G28A標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行焊接工藝評定及力學(xué)性能檢驗(yàn),最終制定合理的焊接工藝,為該合金的生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:Hastelloy C-276;鎳基合金;焊接性;焊接工藝評定

        1 概述

        21世紀(jì)以來,隨著我國航天、能源、化工、核電、環(huán)保等各個領(lǐng)域的飛速發(fā)展,對耐腐蝕材料需求量逐年增多[1]。自20世紀(jì)60年代Hastelloy C-276合金被美國漢斯公司研發(fā)出后,以其優(yōu)異的抗腐蝕性能(可耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽、中低溫鹽酸等)及焊后無需進(jìn)行固溶處理的加工特性,廣泛應(yīng)用于各種苛刻腐蝕工況[2],如石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)等領(lǐng)域。國內(nèi)對于該合金焊接特性研究起步較晚,為了充分掌握并優(yōu)化Hastelloy C-276材料的焊接性能,故對該材料焊接性進(jìn)行深入分析,結(jié)合實(shí)際焊接工藝試驗(yàn),最終提出合理焊接工藝參數(shù),為該材料的應(yīng)用提供可靠保障。

        2 組織結(jié)構(gòu)

        Hastelloy C-276為Ni-Cr-Mo系鎳基合金,其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。其中Ni、Cr、Mo元素使其在氧化性和還原性介質(zhì)中均具有較好的耐腐蝕性能,W元素的添加進(jìn)一步提高材料抗局部腐蝕的能力,較低的Si、C元素含量保證了焊接熱影響區(qū)的耐腐蝕性能,面心立方晶格結(jié)構(gòu)形成的奧氏體組織賦予該合金良好的塑韌性。

        3 焊接性

        Hastelloy C-276因使用過程中更注重耐腐蝕性,故不像碳鋼或不銹鋼材料那樣要求熔敷金屬強(qiáng)度等于或高于母材,而是以腐蝕性能為出發(fā)點(diǎn),要使焊縫金屬與母材具有相當(dāng)或優(yōu)異的防腐蝕能力。

        3.1 液態(tài)焊縫金屬流動性差

        鎳基合金焊縫金屬不像普通鋼材質(zhì)焊縫金屬那樣容易潤濕展開。即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動性,反而易引起有害作用。焊接電流過大不僅使熔池過熱,增大熱裂紋敏感性,晶粒粗大降低耐腐蝕性,還會引起焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā),產(chǎn)生氣孔。要獲得良好的焊縫質(zhì)量,需要采用擺動焊工藝,但這種擺動是小擺動,擺動距離不超過焊絲直徑的三倍。

        3.2 焊縫金屬熔深淺

        焊接過程中,鎳基合金固有特性決定了其熔深較淺,單純靠調(diào)整焊接參數(shù)不能解決這個問題。根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)克服熔深淺的方法是修改傳統(tǒng)的坡口形式,坡口角度在65°~70°,焊縫間隙大約在2mm~3.5mm,鈍邊大約在0.5mm~1mm。從而保證有效的焊縫熔深。

        3.3 焊接熱裂紋

        鎳基耐蝕合金具有較高的熱裂紋敏感性。熱裂紋分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結(jié)晶裂紋易發(fā)生在焊縫弧坑處形成火口裂紋[3]。結(jié)晶裂紋多半沿焊縫中心縱向開裂。液化裂紋多出現(xiàn)于緊靠熔合線的熱影響區(qū)中,還可能出現(xiàn)在多層焊的前焊縫中。高溫失塑裂紋既可能產(chǎn)生于熱影響區(qū)中,也可能存在于焊縫中。各種熱裂紋有可能單一,也有可能伴生出現(xiàn),使得焊縫質(zhì)量可控性變差。

        3.4 易于發(fā)生敏化現(xiàn)象

        Hastelloy C-276合金在650~1090℃熱穩(wěn)定性較差,長時間時效處理后,會在晶界析出碳化物或伴生金屬間化合物μ相(Co2Mo6),在焊縫中的鑄造組織形成元素偏析,產(chǎn)生敏化現(xiàn)象,熔點(diǎn)較高的Mo、W元素凝固較早,焊縫熔敷金屬中的合金元素濃度梯度分布不均勻,使其抗晶間腐蝕性能下降。因此該合金熱加工溫度范圍1200℃~950℃,冷卻方式為水淬或在760℃~540℃之間盡量快速冷卻,以防止產(chǎn)生焊縫腐蝕。

        4 焊接工藝評定

        4.1 焊接方法

        鎢極氬弧焊已廣泛用于鎳基合金的焊接[4],特別適用于薄板、小截面、接頭不能進(jìn)行背面焊的封底焊以及不允許有殘留熔渣的結(jié)構(gòu)件。

        4.2 保護(hù)氣體

        推薦使用氬氣或氦氣,與氬氣相比用氦氣保護(hù)有如下特點(diǎn):(1)氦氣熱導(dǎo)率大,向熔池?zé)彷斎胍脖容^大;(2)有助于清除或減少焊縫中的氣孔;(3)焊接速度比用氬氣時提高40%;(4)氦氣成本約是氬氣的25倍。

        4.3 焊材

        鎳基合金焊絲成分大多與母材相當(dāng),但焊絲中一般多加入一些合金元素以補(bǔ)償某些元素的燒損,同時可抵消焊縫熔敷金屬凝固所產(chǎn)生的偏析。依據(jù)ASME第二卷材料C篇SFA-5.14《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)》Hastelloy C-276選用ERNiCrMo-4牌號的φ2.4mm焊絲,其化學(xué)成份見表2。

        4.4 坡口加工

        焊接坡口應(yīng)采用機(jī)械方法冷加工成型,以保證母材組織無變化,加工表面的形狀、尺寸和光潔度應(yīng)滿足焊接要求,不應(yīng)有分層、折疊、裂紋、撕裂等缺陷,坡口形式如圖1所示。

        4.5 焊接清理與焊接保護(hù)

        焊前對坡口及其兩側(cè)50mm范圍的母材表面進(jìn)行修磨去除氧化皮,使用丙酮或乙醇對坡口及焊絲表面擦洗,清除油脂、水分等污染物。為保證焊縫得到充分的保護(hù),用δ1mm銅板制作專用的保護(hù)拖罩,對焊縫正反面進(jìn)行保護(hù)。

        4.6 焊接工藝試驗(yàn)

        試件規(guī)格:δ8mm×125mm×400mm板材,焊接位置采用平焊;焊接前焊縫不預(yù)熱,采用高頻起弧,過程中控制層間溫度≤100℃,同時注意焊槍角度,控制熔池大小,保證氬氣均勻保護(hù)熔池減少氧化。鎳基材料熔池流動性不佳,所以焊接時需增加擺動,擺幅不易過大,兩邊應(yīng)稍作停頓,確保焊縫熔合區(qū)質(zhì)量,焊接工藝參數(shù)見表3。

        4.7 焊縫檢驗(yàn)

        焊接完畢后,依據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》及ASTM G28A法對試件進(jìn)行無損檢測、力學(xué)性能試驗(yàn)、腐蝕率檢驗(yàn)。

        4.7.1 無損檢測

        對焊接試件按照J(rèn)B/T4730.2-2005進(jìn)行100%RT檢測,未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷;焊縫表面未見氣孔、焊瘤、凹陷、咬邊等缺陷。

        4.7.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

        依據(jù)NB/T47014-2011規(guī)定取拉伸、彎曲試樣,分別按照GB/T228、GB/T2653規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表4。

        4.7.3 腐蝕率

        分別對焊縫及母材按照ASTM G28方法A進(jìn)行腐蝕率測定,焊縫腐蝕率略高于母材,其結(jié)果見表5。

        5 結(jié)束語

        Hastelloy C-276合金以其優(yōu)異的抗均勻腐蝕、局部侵蝕、晶間腐蝕能力和易于的加工性,在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。文章對該材料組織結(jié)構(gòu)及焊接性進(jìn)行深入分析,結(jié)合實(shí)際焊接工藝評定試驗(yàn),最終提出合理焊接工藝參數(shù)以及焊接過程中的操作技巧和操作要點(diǎn),通過力學(xué)性能試驗(yàn)和腐蝕率試驗(yàn),結(jié)果表明,制定的焊接工藝方案對于Hastelloy C-276合金同種金屬之間的焊接是可行的,焊縫各項(xiàng)性能得到保證,為鎳基耐腐蝕合金的焊接提供參考。

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉士博.Hastelloy C-276與316L激光異質(zhì)焊接機(jī)理與工藝研究[D].大連理工大學(xué),2013.

        [2]邢卓.Hastelloy C系列合金綜述[J].化工設(shè)備與管道,2007,44(02):51-58.

        [3]周生華.鎳基合金C-276的焊接工藝[C]//.華東地區(qū)第九屆焊接技術(shù)交流會論文,2009:85-89.

        [4]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊第3版[M].材料的焊接,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

        作者簡介:王陽陽(1988-),女,籍貫:西安,工學(xué)碩士,畢業(yè)于西安理工大學(xué),就職于西安思源學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,助教,研究方向:材料加工工程。

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