張淑雁，任旭升，徐 成，王智慧，馬秀清

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海201518；2.重慶大學 化學與化工學院，重慶400044；3.機械工業(yè)上海藍亞檢測所有限責任公司，上海201518）

Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊試驗研究

張淑雁1，任旭升2，徐 成1，王智慧3，馬秀清3

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海201518；2.重慶大學 化學與化工學院，重慶400044；3.機械工業(yè)上海藍亞檢測所有限責任公司，上海201518）

為了解決Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊的焊接難點，從鎳基合金帶極電渣堆焊焊接性能分析，以及焊接規(guī)范參數(shù)對焊接質量的影響等方面入手，探尋最佳的Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊焊接工藝。經(jīng)過大量針對性試驗后，確定了一套較為合適的焊接工藝參數(shù)，并進行了試件的焊接。通過對試件堆焊層進行化學成分分析、力學性能、金相檢驗及腐蝕試驗來驗證所選焊接工藝的合理性、可行性。試驗結果表明，該堆焊工藝合理有效，堆焊層能夠滿足工程要求。

焊接；Inconel 625；鎳基合金；電渣堆焊；金相檢驗；腐蝕試驗

Inconel 625（以下簡稱625）合金屬鎳鉻鉬系鎳基耐蝕耐熱變形合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化能力。625鎳基合金由于含有較高的合金元素，對于氧化和還原的各種腐蝕介質都具有非常出色的抗點腐蝕和縫隙腐蝕的能力，并且不會產生由于氯化物引起的應力腐蝕開裂[1-2]。因此625鎳基合金被越來越多的應用于石油化工、海洋及航天航空等領域[3-5]。上海藍濱石化設備有限責任公司為某氣田所制的井口分水分離器，其介質主要為酸氣、污水、酸液，介質腐蝕性較強，從保證設備強度及降低制造成本出發(fā)，設備主體材料選用Q345R，對設備內壁進行625鎳基合金堆焊，以保證設備的抗腐蝕性。

筒體內壁大面積的625鎳基合金堆焊可用帶極電渣堆焊（ESW）和帶極埋弧堆焊（SAW）。帶極電渣堆焊是在帶極埋弧堆焊的基礎上發(fā)展起來的，而與帶極埋弧堆焊相比，帶極電渣堆焊具有較高的熔敷率、較低的稀釋率以及堆焊層成分更加均勻、表面美觀等優(yōu)點[6-8]，因此選擇電渣帶極堆焊進行筒體內壁大面積的625鎳基堆焊更為合理、有效。然而，625鎳基合金堆焊自身有較多難點，焊接過程控制不當易造成堆焊層裂紋、稀釋率增大、抗腐蝕性能降低等問題。因此，本研究對影響625鎳基合金帶極電渣堆焊的焊接因素進行分析，并通過堆焊層化學成分分析、力學性能、金相檢驗及腐蝕試驗等來驗證所確定的焊接工藝，同時對625鎳基合金堆焊層的綜合性能進行合理評估。

1 工藝難點及對策

625鎳基合金帶極電渣堆焊存在以下幾個工藝難點：

（1）625鎳基合金堆焊層焊縫凝固過程中，焊縫金屬通常以柱狀晶形式長大，剩余液態(tài)金屬中雜質元素含量增加，雜質元素與鎳易形成低熔點共晶物，使得結晶過程中產生雜質偏析現(xiàn)象，最后在凝固階段易形成低熔點偏析帶，由于該偏析帶的強度較低，且變形能力極差，容易使焊縫產生結晶裂紋[9]。

（2）625鎳基合金的金屬流動性較差，潤濕鋪展性較弱，容易使堆焊層焊縫產生咬邊及未熔合等缺陷，即使增大焊接電流也不能明顯改進焊縫金屬的流動性，反而容易造成熔池的過熱，增大熱裂紋的敏感性，而且會使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，導致氣孔的出現(xiàn)[10]。

（3）由于帶極電渣堆焊使用的焊接規(guī)范較大，當參數(shù)匹配不當時，易造成母材熱影響區(qū)和堆焊過渡層組織粗大，導致堆焊層韌性下降，增大氫脆傾向[11]。

為了防止上述問題的產生，在焊接過程中，需要采取一定的工藝措施來保證625鎳基合金帶極電渣堆焊的焊接質量，具體措施如下：

（1）焊接前須清理堆焊母材表面，用砂輪將焊接試板進行打磨，直到露出金屬光澤，并使用丙酮或酒精溶液進行清洗。徹底清除母材表面殘留的氧化皮和引起脆化的S、P、Pb、Sn和Zn等元素，避免它們與Ni形成低熔點共晶，降低焊縫產生裂紋的風險。

（2）嚴格控制堆焊道間溫度以減小熱裂紋風險，同時可起到細化焊縫晶粒的作用。

（3）合理調整焊接參數(shù)，減少焊接熱輸入，降低母材稀釋率。

2 試驗材料

試驗用母材選用舞陽鋼鐵有限責任公司的Q345R鋼板，試板厚度26 mm；焊接材料選用天泰焊材（昆山）公司生產的TBD-61焊帶及其配套生產的電渣堆焊專用焊劑ML-306，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，焊劑規(guī)格20～80目，焊劑中含有較高的氟化物CaF2和半導體TiO2，同時含有較低的SiO2，既能形成穩(wěn)定導電的熔融焊渣，又不至于產生SiF4氣體，焊帶及熔敷金屬（堆焊層）化學成分見表1。

表1 焊帶及熔敷金屬化學成分 %

3 主要焊接參數(shù)分析及確定

3.1 焊接電流

帶極電渣堆焊采用直流正接（DCEN）時會產生較大的飛濺，從而影響焊接的穩(wěn)定性，因而本試驗采用電弧穩(wěn)定性及焊接操作性更好的直流反接（DCEP）。

雖然帶極電渣堆焊對電流的適應性較強，但電流過小會造成引弧困難,易出現(xiàn)咬邊；電流過大，又會使焊縫熔深增大，增加母材稀釋率，同時會產生較大焊接飛濺，使焊道成形不良[12]。

3.2 焊接電壓

帶極電渣堆焊時，焊接電壓太高，會引起飛濺和焊接不穩(wěn)定；而電壓太低，則會增加焊帶短路的風險，引起焊接熄弧。堆焊過程中，電壓波動越小，則電弧燃燒就越穩(wěn)定，焊帶的熔化也就越規(guī)則，因此焊接時應控制電壓在較窄的范圍內波動。

3.3 焊接速度

焊接速度與焊接電流對焊道的尺寸、熔深、稀釋率和熱輸入有著很大的影響。相同焊接電流下，速度太小，容易產生夾渣，且母材受熱時間長，堆焊層組織粗大、熔深增大；速度太快，則容易產生焊道成形不良、飛濺增加和未熔合等缺陷。

3.4 道間溫度

堆焊道間溫度過高時，會使焊接接頭過熱而產生粗大晶粒，而焊接所形成的低熔點共晶物更容易在粗大晶粒邊界上聚集，在焊接應力的作用下很容易形成晶間熱裂紋及堆焊金屬多邊化裂紋，因而鎳基堆焊時將道間溫度控制在180℃以內較為合理。

3.5 焊帶干伸長

焊帶干伸長過長會造成引弧困難、焊帶過熱、剛性太差和帶極熔化不均勻等缺陷，從而使焊接過程不穩(wěn)定，焊道成形不良；焊帶干伸長過短，易造成導電嘴黏渣，甚至造成導電嘴燒損。

3.6 焊劑覆蓋厚度

焊劑覆蓋厚度太薄，不能建立一個穩(wěn)定的熔池，保護效果差，脫渣困難。一般情況覆蓋厚度應大于干伸長0～5 mm，在此基礎上增加厚度，未熔化的焊劑過多，焊接過程不穩(wěn)定，且稀釋率和焊劑消耗率增加[13]。

3.7 焊道搭邊量

焊道搭邊量太小，搭接處易產生夾渣、未熔合；搭邊量過大，則搭接處凸起，焊道不平。

4 試樣的焊接及熱處理

通過大量針對性試驗，逐一確定上述主要焊接參數(shù)的最佳范圍（見表2），采用表2焊接參數(shù)對試樣進行焊接。焊接過程中，電流穩(wěn)定，無飛濺，渣殼自動翹起，脫渣容易，無黏渣，焊道均勻，成形良好。

依據(jù)標準的熱處理規(guī)范進行試樣的焊后消除應力熱處理，熱處理溫度620℃，保溫時間8 h。

表2 焊接規(guī)范參數(shù)

5 試驗結果及分析

5.1 化學分析

在距離焊縫熔合線4 mm處取樣進行化學分析，結果見表3。從表3可以看出，與裸鋼帶化學成分相比，堆焊熔敷金屬的Cr、Ni、Mo、Nb等主要合金元素含量稍有下降，但仍遠高于標準規(guī)定的下限值，而Fe含量增加較小。這些現(xiàn)象表明，在該焊接規(guī)范下，母材對堆焊層的稀釋率比較低，保證了堆焊層4 mm以上范圍內滿足625鎳基合金成分要求，確保了堆焊層的耐腐蝕性能。

表3 堆焊熔敷金屬及裸鋼帶化學成分 %

5.2 力學性能

制取4個試樣，分別進行彎曲試驗及剪切試驗，試驗結果見表4，彎曲試樣如圖1所示。為驗證堆焊接頭強度，依據(jù)GB/T 6396—2008標準對堆焊試樣進行堆焊層的剪切試驗。試驗結果表明，堆焊層與基層的剪切強度為345 MPa，遠大于鎳-鋼復合板標準[14]所要求的210 MPa。堆焊截面無任何焊接缺陷，堆焊層表現(xiàn)出了良好的塑性。

表4 力學性能試驗結果

圖1 彎曲試樣

5.3 硬度試驗

分別對堆焊試樣的表面焊縫區(qū)、斷面焊縫表層、斷面過渡層、斷面熱影響區(qū)、斷面基層進行硬度測試，每個區(qū)檢測4點，結果如圖2所示。從圖2可以看出，堆焊面層的硬度較高，使堆焊層能夠有較好的強度及良好的變形抗力；相比基材層，熱影響區(qū)的硬度值稍高，這主要是由于淬硬組織的產生，但該區(qū)最高硬度值仍在標準范圍內；而由于二次焊接熱作用，堆焊過渡層的硬度有一定程度的降低，使焊接接頭整體保持了良好的塑性和韌性。

圖2 焊接接頭硬度分布圖

5.4 宏觀金相及微觀組織

取堆焊焊道搭接處剖面為宏觀金相檢驗面，經(jīng)機械拋光，三氯化鐵、鹽酸的水溶液輕腐蝕后，用5倍放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)有層下裂紋、夾雜及其他缺陷。

圖3 焊接接頭顯微組織照片

將試樣用王水腐蝕后對堆焊焊接接頭進行顯微組織分析，各區(qū)顯微組織如圖3所示。堆焊面層主要由奧氏體胞狀樹枝晶晶粒組成[15]，晶粒較粗大，這是由于電渣焊熱輸入較大導致。在長條胞狀樹枝晶中還彌散了少量析出物及晶界碳化物組織，同時可看出在結晶過程中有一定程度的晶界偏析現(xiàn)象，但偏析程度較小，對堆焊層的耐腐蝕性不會造成太大的影響。堆焊過渡層也是由奧氏體長條胞狀樹枝晶晶粒組成，但在靠近面層的過渡區(qū)域，堆焊面層的二次焊接熱使部分奧氏體晶粒發(fā)生了一定程度的重結晶和再形核生長，起到了一定的晶粒細化作用；另一方面，由于該區(qū)域散熱的多向性，使堆焊層中部組織生長方向比較紊亂。母材和熱影響區(qū)均為鐵素體+珠光體組織，未見組織異常或熱影響區(qū)晶粒粗大等現(xiàn)象；由于受到焊接熱作用，熱影響區(qū)消除了部分母材帶狀組織，有利于提高焊接接頭的綜合力學性能。

5.5 腐蝕試驗

對試樣進行620℃×8 h的熱處理工藝是依據(jù)基層材料而定的，然而該溫度對于堆焊層而言，剛好在易產生敏化的區(qū)域，容易導致堆焊層的抗腐蝕性能下降。為驗證堆焊層的抗腐蝕性能，分別進行如下腐蝕試驗。

（1） 依據(jù)ASTMA262—2014C法（HUEY法），取2個試樣分別進行5個周期的晶間腐蝕試驗，最大腐蝕速率為0.408 mm/a和0.456 mm/a，平均腐蝕速率均為0.384 mm/a，小于制造條件所要求的0.936 mm/a，因此本堆焊試樣晶間腐蝕合格。

（2）依據(jù)標準YB/T 5362—2006，取3個試樣在（143±1） ℃（沸騰）的 42%MgCl2溶液中經(jīng) 96 h×2周期試驗后，用10倍放大鏡觀察堆焊層試樣，3個試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明堆焊層氯化物應力腐蝕試驗合格。

從堆焊層腐蝕試驗結果可看出，雖然經(jīng)過了敏化區(qū)域的熱處理，625鎳基合金堆焊層表面仍有良好的抗腐蝕性能，這與合理的帶極電渣堆焊工藝是分不開的。因為625鎳基合金的腐蝕性能與合金中Cr、Mo、N等含量有直接的關系，Cr可促進鋼在氧化性介質中表面形成富鉻氧化膜，從而阻止金屬的離子化而產生鈍化作用，提高金屬的耐均勻腐蝕性能；Mo可提高鋼在還原性介質中的耐蝕性；N在合金鋼中提高了淬透性，降低了過熱的敏感性，同時增加了碳化物的穩(wěn)定性。本研究所采用的堆焊工藝可保證堆焊層4 mm以上合金層中Cr、Mo、N等的含量，從而保證了堆焊層的抗腐蝕性能。

6 結 論

（1）合理的焊接參數(shù)控制，可實現(xiàn)Inconel 625鎳基合金帶極電渣堆焊，焊縫成形美觀。

（2）合理的焊接參數(shù)下，堆焊層Cr、Ni、Mo、Nb等主要合金元素含量較高，而Fe含量增加較少，保證了Inconel 625鎳基合金的成分要求。

（3）經(jīng)焊后熱處理后，試樣的強度、硬度、塑性及抗腐蝕性能均可滿足要求。

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Experiments Study on Inconel 625 Nickel-Based Alloy Strip with Electroslag Cladding

ZHANG Shuyan1，REN Xusheng2，XU Cheng1，WANG Zhihui3，MA Xiuqing3
（1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201518,China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University，Chongqing 400044，Sichuan,China；3.Machinery Industry Shanghai Lanya Inspection Institute Co.,Ltd.,Shanghai 201518,China）

In order to solve the welding difficulties of electroslag cladding welding with Inconel 625 nickel-base alloy strip and find the best electroslag cladding welding procedure,the welding performance of electroslag cladding welding was analyzed，the effects of welding parameters to the welding quality was also discussed in this article.A set of suitable cladding welding procedure of Inconel 625 Ni-base electroslag cladding was summarized by lots of specific test.The rationality and feasibility of the welding procedure was checked by chemical analysis，mechanical property test，metallographic examination，corrosion test and so on.The results showed that the cladding welding procedure was suitable and the cladding layer was applicable to product.

welding;Inconel 625；nickel-base alloy；electroslag cladding；metallographic examination；corrosion test

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.003

張淑雁（1987—），女，碩士研究生，主要從事壓力容器焊接研究工作。

2016－05－08

李紅麗