陳 燕 張學剛 陳佩寅 徐 鍇 王慶江 胡鵬亮

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司,哈爾濱 150028;2.機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

鎳基合金ENiCrMo-3型全位置焊條的研制

陳 燕1,2張學剛1,2陳佩寅1,2徐 鍇1,2王慶江1,2胡鵬亮1,2

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司,哈爾濱 150028;2.機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028)

通過合理調(diào)整藥皮中碳酸鹽、氟化物及氧化物的比例，控制熔敷金屬合金元素的含量，研制的鎳基合金ENiCrMo-3型Ni625焊條具有優(yōu)良的全位置焊工藝性，與國外ENiCrMo-3焊條工藝性能相當。各項性能均滿足技術(shù)要求，具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕及抗熱裂紋性能。

鎳基合金焊條 全位置焊接 抗晶間腐蝕性能 抗熱裂紋性能

0 序 言

ENiCrMo-3焊條被廣泛應用于石油化工、海洋工程以及液化天然氣(LNG)儲罐產(chǎn)品的焊接。目前大型LNG儲罐內(nèi)罐壁板的焊接施工通常采用焊條電弧焊進行立焊縫的焊接和橫焊縫的打底焊，對焊條的全位置工藝性提出了較高要求，并對熔敷金屬-196 ℃沖擊性能也進行了嚴格要求。

目前工程上大多采用國外進口焊條[1-3]，對此研制出具有良好全位置焊接工藝性，具有優(yōu)異的抗熱裂紋性能、抗晶間腐蝕性能以及低溫沖擊韌性的ENiCrMo-3型Ni625焊條，實現(xiàn)焊材的國產(chǎn)化。

1 試驗要求與方法

1.1技術(shù)要求

熔敷金屬力學性能的要求見表1。同時焊條也用于石油化工裝備的制造，對抗晶間腐蝕性能有很高的要求，按照ASTM A262標準中C 法進行試驗，5個周期平均腐蝕速率<0.075毫米/月。

表1 熔敷金屬力學性能要求

1.2試驗方法

按照AWS B4.0M《焊絲金屬的測試標準》的要求進行拉伸、沖擊以及彎曲試驗，按照ASTM A262《奧氏體不銹鋼晶間腐蝕方法》標準中C法進行晶間腐蝕試驗，按照NACE TM0284—2011《管道、壓力容器抗氫致開裂鋼性能評價的試驗方法》進行氫致開裂試驗(HIC)，按照NACE TM0177—2005《金屬抗硫化氫腐蝕開裂試驗方法》進行硫化物應力開裂試驗(SSC)。按照NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行焊接工藝評定，母材為9%Ni鋼，其成分見表2，厚度為28 mm，焊接方式為交流立焊。焊接工藝參數(shù)見表3。

表2 母材成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1焊條工藝性能

在藥皮中添加多種碳酸鹽，以改善全位置焊時熔渣特性；添加少量氧化物TiO2，提高電弧穩(wěn)定性；添加適量的氟化物，調(diào)整熔渣的黏度和表面張力，改善立焊工藝性。

研制的Ni625焊條適合交直流下的全位置焊。平焊、立焊工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，飛濺較小，脫渣容易，焊縫成形較好，圖1a、圖2a為焊后宏觀形貌，與圖1b、圖2b國外ENiCrMo-3焊條工藝性相當。

圖1 不同焊條的平焊宏觀形貌

圖2 不同焊條的立焊宏觀形貌

2.2熔敷金屬力學性能

直流及交流情況下Ni625焊條熔敷金屬力學性能試驗結(jié)果見表4，其中-196 ℃沖擊吸收能量平均值≥70 J，直流及交流下熔敷金屬力學性能相當，均滿足要求。側(cè)彎試樣完好，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖3所示。

圖3 熔敷金屬側(cè)彎試驗結(jié)果

2.3顯微組織分析

圖4為熔敷金屬顯微組織，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣及氣孔等缺陷。對拉伸斷口進行掃描電鏡分析，典型形貌如圖5所示，為韌窩形貌，整個斷口未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。

表4 熔敷金屬力學性能

圖4 熔敷金屬顯微組織

2.4晶間腐蝕試驗

試驗進行5個周期，每個周期48 h。試樣狀態(tài)為590 ℃×26 h 熱處理675 ℃×1 h 敏化，結(jié)果見表5。其中5個周期平均腐蝕速率為0.060毫米/月，滿足工程設(shè)計要求<0.075毫米/月。

圖5 拉伸斷口形貌

表5 腐蝕試驗結(jié)果 毫米/月

2.5HIC及SSC試驗

按照NACE TM0284—2011進行HIC試驗，試驗周期96 h，試樣狀態(tài)為620 ℃×12 h熱處理態(tài)。結(jié)果表明，試樣無HIC裂紋(裂紋長度百分比CLR=0%，裂紋厚度百分比CTR=0%，裂紋敏感百分比CSR=0%)，表面無氫鼓泡。

按照NACE TM0177—2005進行SSC試驗，試驗周期720 h，試樣狀態(tài)為620 ℃×12 h熱處理態(tài)。結(jié)果表明，試樣受拉面無裂紋和斷裂。

2.6堆焊層鐵含量的變化

Fe是耐腐蝕性能的表征元素，含量過高會引起625合金耐腐蝕性嚴重退化[4]。分別采用直徑為3.2 mm和4.0 mm的焊條在母材Q345R鋼上進行堆焊，焊接工藝參數(shù)見表6。研究不同焊接熱輸入下堆焊層鐵含量的變化，試驗結(jié)果如圖6所示。表明焊接熱輸入越大，與母材平齊處鐵含量越高，合金元素的稀釋率相對越高；在距母材5 mm堆焊處不同焊接熱輸入下鐵含量≤3.0%。

表6 堆焊工藝參數(shù)

圖6 不同熱輸入下堆焊層鐵含量的變化

2.7工藝評定

焊接工藝參數(shù)見表3。接頭拉伸斷裂位置在焊縫上，焊縫中心、熔合線以及熱影響區(qū)的-196 ℃沖擊吸收能量結(jié)果見表7，試驗結(jié)果均>60 J。接頭側(cè)彎試樣完好，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖7所示。

表7 接頭沖擊試驗

圖7 9%Ni鋼接頭側(cè)彎試驗結(jié)果

3 討 論

Ni625焊條的研制重點除了全位置焊工藝性以外，還包括提高抗熱裂紋性能、抗晶間腐蝕性能以及-196 ℃沖擊吸收能量。

針對ENiCrMo-3型焊條會產(chǎn)生高溫失塑裂紋的問題[5]，可以從兩方面進行防止，一是控制焊接工藝，采用小電流大焊速焊接，減少熱輸入，控制晶粒的長大，從而減少高溫失塑裂紋的傾向[6-8]；二是合理控制合金元素的含量，當Cr,Mo,Nb等合金元素控制不合理時[9-11]，在拉伸斷口上發(fā)現(xiàn)了高溫失塑裂紋，形貌如圖8所示。

鎳基合金中高Mo、高N能夠提高合金耐局部腐蝕性能，高Ti,Nb可以改善合金耐晶間腐蝕性能，高Ni、高Cr能夠提高合金耐應力腐蝕性能[12-13]。同時，F(xiàn)e含量過高會引起625合金耐腐蝕性退化。因此，合理地控制熔敷金屬中各主要元素的含量，可以改善其抗晶間腐蝕性能。

圖8 斷口高溫失塑裂紋形貌

在焊條藥皮中添加適量的稀土，可以降低熔敷金屬中氧含量，抑制不規(guī)則夾雜物的產(chǎn)生，形成彌散分布的球形夾雜物，能夠顯著提高熔敷金屬沖擊韌性[14-15]。同時需要合理控制熔敷金屬中的Nb含量，當Nb含量過高時，低溫沖擊韌性下降明顯[16]。

4 結(jié) 論

(1)研制的Ni625焊條工藝性優(yōu)良，能實現(xiàn)交直流下的全位置焊接，與國外ENiCrMo-3焊條工藝性能相當。

(2)通過合理控制合金元素含量，研制焊條各項性能均滿足技術(shù)要求，具有優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能及抗熱裂紋性能。

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2016-08-21

黑龍江省科研機構(gòu)創(chuàng)新能力提升專項計劃項目(YC2015D009)

TG422

陳 燕，1980年出生，碩士研究生，高級工程師。主要從事焊接材料及工藝研究，已發(fā)表論文19篇。