王寶森 朱雙春

(1.寶鋼集團中央研究院,上海 201900；2.同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201804)

NiCrFe耐蝕合金焊接性研究

王寶森1朱雙春2

(1.寶鋼集團中央研究院,上海 201900；2.同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201804)

NiCrFe耐蝕合金是未來高溫、耐蝕設(shè)備制造首選材料之一。對UNS N08800耐蝕合金材料特點、焊接性進行分析，并采用焊條電弧焊的方法進行對接焊，通過組織觀察、性能檢測等方法得到相應(yīng)工藝條件下的焊接接頭性能，研究表明國產(chǎn)N08800鋼種具有很好的焊接性，一定工藝條件下得到焊接接頭性能指標(biāo)等同于國外同類產(chǎn)品，焊接熱影響區(qū)晶粒組織沒有顯著粗化，均為單一奧氏體組織，且焊接熱影響區(qū)的寬度很窄，為此類鋼種的焊接應(yīng)用提供借鑒。

耐蝕合金 N08800 焊接性

0 序 言

在20世紀(jì)50年代，為了減少戰(zhàn)略元素Ni 的使用，同時使得材料具有一定的耐熱和抗腐蝕性，Ni-Fe-Cr合金體系的耐蝕合金系列鋼種應(yīng)運而生，UNS N08800系列鋼種在工業(yè)加熱爐設(shè)備、石油裂化、煤氣化等行業(yè)設(shè)備制造中得到廣泛的應(yīng)用，替代傳統(tǒng)不銹鋼鋼種，并顯著提高制造裝置在耐高溫與耐氯離子腐蝕等的能力。寶鋼在2010年開始生產(chǎn)耐蝕合金系列厚板產(chǎn)品，有效扭轉(zhuǎn)了國內(nèi)耐蝕合金系列板材產(chǎn)品大部分依靠進口的局面。文中針對寶鋼N08800系列耐蝕合金的焊接性進行分析，以便其未來更好的應(yīng)用。

1 N08800的材料特征

N08800耐蝕合金常溫為一種固溶狀的單相奧氏體組織，以Ni,Fe二元固溶體為基，再加入其他合金元素(Cr，Cu，Al，Ti) 形成鐵鎳基耐蝕合金，其成分介于不銹鋼和鎳基耐蝕合金之間。通常有TiN,TiC以及Cr23C6等化合物分布在基體組織上。在熔點以下的溫度，氮化物能夠穩(wěn)定的存在，不受熱處理溫度的影響。在540～1 095 ℃區(qū)間合金中，會有鉻的碳化物析出，形成析出相，因此，此類合金也會發(fā)生與奧氏體合金類似的晶間腐蝕，敏感的溫度區(qū)間為540～760 ℃。該類鋼與不銹鋼及碳素鋼相比，具有以下特點：一是熔點低； 二是線膨脹系數(shù)介于奧氏體不銹鋼與碳素鋼之間； 三是熱導(dǎo)率比碳素鋼低得多，比電阻比碳素鋼高。其耐腐蝕性能、力學(xué)性能及工藝性能比一般不銹鋼更優(yōu)良，同時，該類合金通常用于溫度高于539 ℃、需抵抗蠕變斷裂的場合，在高溫狀態(tài)下也具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐氧化和耐熱腐蝕性能。

N08800合金的化學(xué)成分與性能分別見表1和表2，隨著N08800鋼種的廣泛應(yīng)用，在成分體系優(yōu)化上陸續(xù)演變形成N08810,N08811等鋼種，3個鋼種主要表現(xiàn)在C,Ti,Al等元素含量控制范圍以及固溶處理后板材的晶粒度要求。

表1 N08800合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 N08800合金母材性能

2 N08800的焊接性分析

N08800系列鋼的焊接與奧氏體不銹鋼類似，焊接性良好，但也存在焊接熱裂紋、焊接氣孔、熔合不良、夾渣以及析出強化合金時的應(yīng)變時效裂紋等缺陷[1]。要防止此類焊接缺陷產(chǎn)生，保證焊接接頭在焊后具有等同于母材的良好高溫力學(xué)性能和耐腐蝕能力，同時保證產(chǎn)品在高溫、腐蝕性強的介質(zhì)條件下長期安全地運行，必須采用合理的焊接工藝。

2.1熱裂紋

由于此類鋼的熱導(dǎo)率比碳素鋼低得多，而比電阻卻比碳素鋼高得多，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接產(chǎn)生的熱量不易散出，容易過熱，加之焊縫金屬凝固的時間很短，焊縫金屬收縮產(chǎn)生的焊接應(yīng)力會促使焊接熱裂紋的產(chǎn)生。另外，焊縫金屬中的S,Si,P等雜質(zhì)也是產(chǎn)生熱裂紋的原因之一。過量的S,Si,P等雜質(zhì)元素與鎳形成低熔共晶體，并在焊縫金屬晶界處形成偏析，在焊接應(yīng)力作用下導(dǎo)致焊縫開裂。

在焊絲中應(yīng)加入促進固溶強化的錳、鈮等大原子半徑的元素以抑制不理想晶格的定向成長，而且這些元素在焊縫組織中能形成一定數(shù)量的碳化物，阻擋晶格缺陷的聚集，從而提高單相奧氏體的抗熱裂能力。硫、硅、磷及一些雜質(zhì)元素的有害作用具有疊加性，所以應(yīng)將這些元素的總含量控制在低水平。一般要求母材的含硫量應(yīng)小于0.015%，焊絲的含硫量應(yīng)控制在0.005%左右。因為錳與硫能形成高熔點的硫化錳，有利于防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生；鈦可起到細(xì)化晶粒、提高焊縫抗裂性的作用，所以在焊絲中要加入微量的錳和鈦。

2.2氣孔

和低碳鋼、低合金鋼相比，鐵鎳基耐蝕合金在氧化性焊接氣氛中，易形成氣孔。因此，焊接時要嚴(yán)格控制焊縫金屬中氧的含量，焊前必須清除坡口及其附近的氧化皮、各種油漆涂料等[2]。對焊條電弧焊，盡可能選用具有脫氧作用的鈦鈣型藥皮焊條，并嚴(yán)格控制焊接氛圍中還原性物質(zhì)的含量。

3 試驗材料和方法

試驗材料選用寶鋼特鋼有限公司生產(chǎn)的20 mm厚板，采用焊條電弧焊進行連接，焊接材料采用美國SMC公司生產(chǎn)的直徑為2.4 mm的Inconel filler metal 82焊絲與直徑為3.2 mm的Inco-weld A 電焊條，鎢極氬弧焊打底，確保焊縫根部熔透，焊條電弧焊填充和蓋面。電源采用Fronius的TT4000，相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)見表3，控制層間溫度在150 ℃以下。焊條需要進行300 ℃,1 h的烘干，放在保溫箱中隨用隨取。

表3 焊接工藝參數(shù)

4 焊接接頭的性能和組織

20 mm厚的N08800焊接接頭的平均抗拉強度為565 MPa，等同于母材實物抗拉性能。

常溫下焊接接頭的沖擊性能如圖1所示，可見,焊條電弧焊焊縫金屬的沖擊吸收能量最低，隨著缺口位置遠(yuǎn)離焊縫金屬，沖擊吸收能量逐漸提高，直至達到最大平均沖擊吸收能量,即母材的328 J。

圖1 焊接接頭的沖擊性能(常溫)

焊條電弧焊焊接接頭的照片如圖2所示，通過控制焊接熱輸入，保證層間溫度150 ℃，能夠獲得理想的熱影響區(qū)寬度，熱影響區(qū)寬度僅為0.74 mm。熱影響區(qū)晶粒長大不明顯。宏觀金相分析顯示，通過控制焊接熱輸入，焊縫區(qū)域焊接質(zhì)量良好，未出現(xiàn)熱裂紋等鎳基合金焊接中容易產(chǎn)生的缺陷。

圖2 焊接接頭宏觀體視形貌

焊接接頭的顯微組織如圖3所示。可見，焊接熱影響區(qū)的組織并沒有顯著的粗化現(xiàn)象，這是由于在焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入以及層間溫度，避免由于熔池的流動性不良以及過高的熱輸入造成焊接熱裂紋(結(jié)晶裂紋和液化裂紋)的出現(xiàn)。熱影響區(qū)也呈現(xiàn)典型的單相組織，在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)晶粒沒有顯著的長大。焊接接頭的熔合區(qū)呈現(xiàn)聯(lián)生組織狀態(tài)，焊縫為典型的樹枝晶形態(tài)。

采用焊條電弧焊焊接方法進行焊接得到的接頭在540 ℃和760 ℃兩個溫度下焊接接頭的抗拉強度分別為495 MPa和305 MPa，等同于國外產(chǎn)品性能水平。

圖3 焊接接頭以及熱影響區(qū)的顯微組織

5 結(jié) 論

(1)寶鋼N08800鋼種具有很好的焊接性，在一定的工藝條件下，焊接接頭的性能達到國外同類產(chǎn)品的性能水平。

(2)N08800耐蝕合金母材為單一奧氏體組織，在一定的焊接熱輸入條件下，焊接熱影響區(qū)晶粒組織沒有顯著粗化，且焊接熱影響區(qū)的寬度非常窄。

[1] 肖 越.UNS N08811鐵鎳基合金焊接[J].壓力容器，2010(4):36-38.

[2] 梁旭琴，陳其驥.UNSN08811鋼板的焊接[J].焊接技術(shù)，2005(5):23-26.

2016-02-18

TG457.11

王寶森，1972年出生，博士，高級工程師。主要從事不銹鋼、鎳基合金、鈦合金等鋼種的焊接工藝和匹配焊接材料研究與開發(fā)，已發(fā)表論文20余篇。