劉應(yīng)虎 葉小松 何 鵬 鄭 強(qiáng)

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司核電石化事業(yè)部，四川618013)

試驗(yàn)研究

TP347與N08825管對(duì)接GTAW焊接工藝研究

劉應(yīng)虎 葉小松 何 鵬 鄭 強(qiáng)

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司核電石化事業(yè)部，四川618013)

347系列不銹鋼材料和N08825鎳基合金焊接性差異較大，焊接具有一定難度。通過(guò)焊接工藝評(píng)定論述了TP347與N08825管對(duì)接全位置GTAW焊接工藝要領(lǐng)和焊接參數(shù)，為焊接同類異種材料提供了參考。

焊接工藝；焊接參數(shù)；異種材料

在某加氫裂化裝置設(shè)備生產(chǎn)中，我單位初次涉及到了不銹鋼材料347與鎳基合金N08825材料的焊接。由于對(duì)這兩種材料沒(méi)有成熟的焊接工藝，為了更好地掌握該類異種金屬的焊接，試驗(yàn)人員在試驗(yàn)和工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上，采用了?89 mm×8 mm的TP347不銹鋼管與相同規(guī)格的N08825鎳基合金管材進(jìn)行了焊接，通過(guò)采用全位置焊接方式，對(duì)不同位置的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了探索和分析。通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損和破壞性試驗(yàn)，分析了該類異種金屬的焊接要領(lǐng)和焊接工藝參數(shù)，為同類異種材料的焊接提供了技術(shù)參考。

1 焊接工藝方案的設(shè)計(jì)

焊接試驗(yàn)人員根據(jù)試管規(guī)格，選用了如圖1所示的坡口形式進(jìn)行了TP347與N08825管對(duì)接焊接工藝評(píng)定及試驗(yàn)。試管壁厚δ= 8 mm，坡口角度60°，坡口鈍邊P=(1～2)mm，間隙預(yù)留b=(2～3.5)mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，V型坡口較U型坡口便于加工，對(duì)于壁厚小于18 mm的工件，其V型坡口便于焊接，所以通常優(yōu)先選用V型坡口。對(duì)于其它壁厚的工件，可以選用U型坡口，這樣可以保證較窄的熔敷金屬，有利于保證工件接頭的綜合性能。在焊接時(shí)坡口間隙預(yù)留(2～3.5)mm，便于實(shí)現(xiàn)單面焊背面成形，焊接人員也可以根據(jù)操作習(xí)慣進(jìn)行適量調(diào)節(jié)。

圖1 TP347與N08825試管對(duì)接接頭坡口形式Figure 1 The groove type of butt joint for Tube TP347 and N08825

2 焊接性分析

N08825材料是Ni-Fe-Cr型合金，也常被稱為鐵鎳基合金，一般合金中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于30%，而鎳+鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于65%，其材料特性與NS142相近。單一的該類材料，由于Ni含量較高，使該類合金具有較好抗應(yīng)力腐蝕開裂性，其在氧化環(huán)境中和在還原環(huán)境下都具有抗酸堿腐蝕的特性，在一些特殊環(huán)境中應(yīng)用較多，但是成本較高。TP347不銹鋼管，與板材1Cr18Ni11Nb和0Cr18Ni11Nb的成分相當(dāng)，是工程中常用的奧氏體型不銹耐酸鋼，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空、核電等工業(yè)中，在酸、堿、鹽等各類溶液中具有良好的耐腐蝕性能。這兩類管材的化學(xué)成分范圍見(jiàn)表1。

對(duì)于同種材質(zhì)SB-163 N08825 Ni基管件的坡口對(duì)接焊，當(dāng)采用手工鎢極氬弧焊GTAW工藝進(jìn)行焊接時(shí)，通常可以選用ERNiFeCr-1、N08065類別的鎳基焊絲，該類焊絲的成分和性能與N08825母材相似。也可以選擇ERNiCr-3、N06082類別的鎳基焊絲進(jìn)行N08825類母材的焊接。通常在進(jìn)行該類材料的焊接時(shí)，焊接接頭容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋和多變化裂紋等熱裂紋缺陷。另外，在實(shí)際產(chǎn)品焊接過(guò)程中，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因，其接頭通常處于受拘束狀態(tài)，在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋的傾向更大。因此對(duì)于該類材料的焊接工藝試驗(yàn)或評(píng)定，應(yīng)考慮將試件處于剛性固定的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，這樣更能模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀況，使焊接工藝和措施更加合理。

表1 N08825與TP347管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of tube N08825 and TP347 (mass fraction, %)

對(duì)于鎳基合金管材N08825，合金元素較多，特別是Ni含量通常達(dá)到38%，母材組織為單相的奧氏體組織，該組織對(duì)合金元素的熔解有一定的限制。在實(shí)際產(chǎn)品的焊接過(guò)程中，部分母材熔化形成焊縫的一部分，而焊接材料中的Ni含量也比較高，這樣母材或者焊材中的S、P雜質(zhì)元素容易與熔池中的Ni元素或者Fe元素發(fā)生反應(yīng)，快速生成低熔點(diǎn)共晶體，如Ni-Ni3S2、Ni-Ni3P、Fe2S3等類別的低熔點(diǎn)共晶體[1]。這類低熔點(diǎn)共晶體容易偏析于晶界，另外該類合金的韌性又較好，容易產(chǎn)生變形，在生產(chǎn)過(guò)程中容易形成焊接應(yīng)力而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。另外，該類材質(zhì)的焊縫金屬在凝固時(shí)容易形成方向性很強(qiáng)的單奧氏體柱狀晶體，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)共晶體偏析于柱狀晶體之間時(shí)，也容易產(chǎn)生晶間開裂。因此在選用焊接材料時(shí)，需要控制S、P成分含量，過(guò)高的S、P元素將使焊縫產(chǎn)生熱裂紋的趨勢(shì)增加。

對(duì)于Ni基合金與不銹鋼的焊接，一般應(yīng)選擇與母材Ni基合金相似的Ni合金焊材作為填充材料。如果選用不銹鋼焊材，則不銹鋼材料在焊接Ni基母材時(shí)，形成焊縫的熔合線附近Ni含量差異較大，容易導(dǎo)致熔合線兩側(cè)合金特性差異較大，這時(shí)容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力而導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生。Ni基焊材在焊接熔池中的合金含量非常高，容易存在晶格缺陷密度較大的部位[2]。在位錯(cuò)移動(dòng)過(guò)程中晶格缺陷容易形成超顯微裂紋，在焊接應(yīng)力作用下發(fā)展為微裂紋并延伸到結(jié)晶前沿，有析集毛細(xì)現(xiàn)象的作用，從熔池液態(tài)金屬中吸收S、P等雜質(zhì)元素，這種表面活性物能夠逐漸滲入微裂紋表面，使裂紋擴(kuò)展的表面能降低，于是裂紋隨著晶體凝固生長(zhǎng)而不斷擴(kuò)展，最終擴(kuò)展為宏觀裂紋。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為多邊化所需要的激活能越高，裂紋形成的時(shí)間就越長(zhǎng)，在焊縫金屬中添加提供激活能的合金元素Mo、W、Ti、Ta等能有效阻止多邊化裂紋的產(chǎn)生，而合金中的雜質(zhì)則會(huì)起著相反作用。

焊接時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)也是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。焊接應(yīng)力增加了原子的活動(dòng)性，能加速多邊化裂紋形成，因此在焊接過(guò)程中應(yīng)該盡可能地減少焊接應(yīng)力。

對(duì)于不銹鋼材料347與鎳基合金N08825材料的焊接，主要從低熔點(diǎn)共晶體的形成、高合金熔池的晶格缺陷和焊接應(yīng)力三個(gè)方面來(lái)控制焊接質(zhì)量。為了較好實(shí)現(xiàn)該類材料的焊接，技術(shù)人員應(yīng)選擇雜質(zhì)元素較少的焊接材料，并較好地控制層間溫度，盡量降低熔池溫度，采用偏下限焊接線能量進(jìn)行工件的焊接。例如，焊接時(shí)最大層間溫度不超過(guò)100℃，采用GTAW的焊接線能量控制在18 kJ/cm范圍內(nèi)較合適，焊接過(guò)程中盡量對(duì)稱施焊，以減少焊接應(yīng)力。

3 焊接工藝評(píng)定

通過(guò)對(duì)該類材料焊接特性分析，選用了牌號(hào)為Alloy 625的鎳基焊絲，焊絲規(guī)格為?2.4 mm，同時(shí)需要采用純度較高的氬氣作為保護(hù)氣體，99.999%以上純度為佳。為了模擬產(chǎn)品的焊接形式，采用了45°固定向上的焊接位置，其具體的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。焊接過(guò)程中為了防止氧化，需要在試管內(nèi)進(jìn)行充氬保護(hù)。

依據(jù)表2的焊接參數(shù)，完成了兩組試管的對(duì)接焊。由于試管壁厚較薄，每對(duì)試管只需焊接4層。焊接過(guò)程中應(yīng)控制好層間溫度，焊接過(guò)程中層間溫度最高為100℃。兩組試件焊完后，按照J(rèn)B 4730—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RT無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果均為I級(jí)合格。對(duì)于同類試件，隨著規(guī)格和厚度發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整焊接參數(shù)。

表2 TP347與N08825試管的焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of tube TP347 and N08225

表3 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of tension test of butt joint

表4 焊接接頭側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of side bend test of butt joint

按照NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求實(shí)施了TP347與N08825管對(duì)接的力學(xué)性能試驗(yàn)。接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。兩件全截面接頭板材拉伸的斷裂部位均在TP347母材側(cè)，其強(qiáng)度指標(biāo)滿足母材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，接頭強(qiáng)度合格。接頭側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。彎曲試驗(yàn)進(jìn)行了兩件面彎和兩件背彎，四件彎曲的焊接接頭部位均未出現(xiàn)裂紋，彎曲一次合格。

圖2為TP347與N08825管對(duì)接的橫截面低倍形貌。通過(guò)對(duì)焊態(tài)接頭進(jìn)行低倍組織檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫與母材熔合良好，該接頭部位未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、未焊透、裂紋等焊接缺陷。

圖2 TP347 與N08825管對(duì)接的橫截面低倍形貌Figure 2 The macro appearance of the cross section of pipe butt with TP347 and N08825

4 焊接措施

通過(guò)對(duì)TP347與N08825管對(duì)接焊接工藝評(píng)定及試驗(yàn)，得出采用以下的焊接工藝措施可以獲得較好的焊接接頭。

(1)焊前要認(rèn)真清理和打磨試管坡口及坡口兩側(cè)，使其露出金屬光澤，對(duì)試件接管內(nèi)外表面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)坡口出現(xiàn)的凹坑應(yīng)打磨圓滑過(guò)渡，以免影響無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。

(2)注意清除焊材表面的油污，油污容易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔。

(3)在焊接第一層時(shí)需采用單面焊背面成形技術(shù)，Ni基材料和不銹鋼在焊接過(guò)程中容易氧化，試管的背面需要采用氬氣保護(hù)，先充氣5 min后再進(jìn)行焊接，同時(shí)注意坡口邊緣的密封，焊接時(shí)氬弧焊槍噴嘴應(yīng)緊貼坡口表面轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)焊槍自然移動(dòng)[3]。操作人員要注意控制好焊槍與焊縫的夾角，避免焊接過(guò)程中氬氣保護(hù)不良造成焊縫局部氧化，在焊接第一層收尾處，要考慮背面預(yù)先充的保護(hù)氣體的氣流對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。在實(shí)際產(chǎn)品中，該類接頭通常無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部打磨，為了防止打底焊縫內(nèi)凹，打底焊時(shí)在仰焊位置可以采用內(nèi)填絲，其它位置采用外填絲法進(jìn)行焊接。

5 結(jié)論

采用GTAW焊接方法，選用Alloy 625 Ni基焊絲可以較好實(shí)現(xiàn)TP347 與N08825材料的焊接。在實(shí)際工藝中應(yīng)采用雜質(zhì)元素含量較少的焊材，以免焊縫出現(xiàn)裂紋等缺陷。在焊接過(guò)程中，當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，焊前應(yīng)將焊材預(yù)熱到至少l0℃以上，同時(shí)控制層間溫度小于100℃，在較低的層間溫度進(jìn)行焊接有利于提高焊縫質(zhì)量，同時(shí)其焊接線能量控制在18 kJ/cm以下為宜。

[1] 劉中青,邸斌.異種材料的焊接[M].北京:科學(xué)出版社,1991.

[2] 顧鈺熹.特種過(guò)程材料的焊接.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[3] 劉應(yīng)虎.鎳基焊材焊接復(fù)合鋼接管的試驗(yàn)研究和應(yīng)用.焊接,2011(4).

編輯 杜 敏

Research on GTAW Welding Process of Pipe Butt of TP347 and N08825

Liu Yinghu, Ye Xiaosong, He Peng, Zheng Qiang

There is a great difference on the weldability between 347 series stainless steel material and N08825 nickel base alloy, and there is a certain difficulty for welding. The main points and the welding parameters of all-position GTAW welding process for TP347 and N08825 pipe butt have been discussed by means of welding procedure qualification, so as to provide a reference for other dissimilar material welding.

welding process; welding parameters; dissimilar material

2016—07—20

TG441.2

B