姜成軍

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

化機(jī)制造

SB409 N08810厚鎳板的埋弧焊焊接工藝研究

姜成軍*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

分析了SB409 N08810鎳板的焊接工藝。為提高效率，將厚鎳板原采用的鎢極惰性氣體保護(hù)焊結(jié)合手工電弧焊焊接工藝改進(jìn)為埋弧焊焊接工藝，并對(duì)鎳板焊接接頭的力學(xué)性能、彎曲性能和耐腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的厚鎳板埋弧焊焊接工藝可獲得力學(xué)性能良好的對(duì)接接頭，且焊接接頭的耐腐蝕性能符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

鎳板 焊接 焊接工藝 埋弧焊 壓力容器 焊接檢驗(yàn)

1 鎳制容器的焊接工藝

某公司在多晶硅設(shè)備制造中廣泛應(yīng)用SB409 N08810鎳板。對(duì)于鎳制容器，該公司原采用的焊接方法為鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）結(jié)合手工電弧焊（SMAW），即先用氬弧焊在X坡口中間兩面打底焊，然后用手工焊背面填充，再在坡口正面以氬弧焊填充，最后在背面用手工焊蓋面，在正面用氬弧焊蓋面。焊接一大批壁厚較大（40~65 mm）的SB409 N08810冷氫化反應(yīng)器、汽化器等鎳制容器時(shí)，為了設(shè)備升級(jí)和提高制造效率，工廠擬對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程中的對(duì)接焊接工藝進(jìn)行修改，采用熔敷效率高的埋弧焊（SAW）焊接方法焊接厚鎳板。

SB409 N08810鎳板為ASME牌號(hào)材料（商品牌號(hào)為Incoloy 800H，對(duì)應(yīng)我國(guó)牌號(hào)為NS112），是屬于鎳合金Ni-Fe-Cr系鋼材。該材料線膨脹系數(shù)較大、熱導(dǎo)率小，焊接時(shí)焊縫中的一些雜質(zhì)元素和低熔點(diǎn)物質(zhì)容易在晶界偏析和集聚，并在熔池的凝固過(guò)程中與鎳形成低熔點(diǎn)共晶體，造成焊接熱裂紋。同時(shí)，由于鎳合金焊縫液態(tài)金屬的流動(dòng)性較差，熔池中的氣體無(wú)法全部逸出，氣體殘留造成氣孔。此外，氧氣、二氧化碳和氫氣等氣體在液態(tài)鎳中溶解度較大，冷卻時(shí)氣體溶解度又明顯減小，也易形成氣孔[1]。

采用埋弧焊焊接厚鎳板時(shí)，熔敷金屬接觸空氣較少，因而氣孔相對(duì)減少。但其熱輸入較大，鎳基耐蝕合金冷卻速度低，使得焊縫延展性降低，易產(chǎn)生焊接裂紋，且焊絲和焊劑對(duì)焊縫金屬的力學(xué)性能和耐蝕性能有較大的影響。因此，需驗(yàn)證新焊接工藝試驗(yàn)項(xiàng)目是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和設(shè)計(jì)要求。

2 SB409 N08810鎳板試驗(yàn)條件

為了能覆蓋厚度為40~65 mm的SB409 N08810鎳板焊接工藝，本試驗(yàn)用的母材厚度取為40 mm。現(xiàn)將2塊同一爐批號(hào)的試驗(yàn)鎳板（如圖1所示）采用SAW焊接工藝進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接試板的力學(xué)性能、彎曲性能和耐腐蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)比較。

圖1 焊接試驗(yàn)鎳板

2.1 坡口形式

鎳板焊接坡口形式主要根據(jù)接頭位置、板材厚度、焊接方法以及抗腐蝕要求來(lái)確定。厚度為20 mm以上的鎳板采用埋弧焊時(shí)，在設(shè)計(jì)接頭時(shí)盡可能選用雙U形坡口，以減少焊接材料的消耗，減少焊接變形和殘余應(yīng)力；同時(shí)，根部的開(kāi)角需足夠?qū)挘詽M足部分流動(dòng)性較差的熔化金屬順利流動(dòng)的要求[2]。本次焊接試驗(yàn)所采用的試樣組對(duì)雙面坡口如圖2所示。

圖2 焊接試樣坡口

2.2 鎳板化學(xué)成分與力學(xué)性能

試驗(yàn)采用的SB409 N08810鎳板的化學(xué)成分詳見(jiàn)表1，鎳板的力學(xué)性能詳見(jiàn)表2。

表1 SB409 N08810鎳板化學(xué)成分（%）

表2 SB409 N08810鎳板力學(xué)性能

鎳板具有能溶解較高耐蝕元素的高Ni基體（Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.4%），使該合金在焊接時(shí)熔池金屬的流動(dòng)性差，且表面易形成難熔的氧化膜（NiO），從而導(dǎo)致其熔透性差，焊縫易形成雜質(zhì)。因此，焊接選材及焊接過(guò)程中要嚴(yán)格控制碳（C）、硫（S）、磷（P）等雜質(zhì)的含量，并確保焊材及焊縫坡口表面的清潔[3]。

另外，由于采用SAW這種高熱輸入方法焊接，晶粒粗大的母材晶界上易存在較多的碳化物和促進(jìn)液化裂紋的金屬間化合物，增大熱裂紋傾向，因此試驗(yàn)鎳板需考慮母材的晶粒尺寸，采用晶粒尺寸小于等于ASTM 5級(jí)的細(xì)晶粒。本試驗(yàn)選用的鎳板晶粒尺寸為2級(jí)。

2.3 焊接材料選用

由于SB409 N08810鎳板埋弧焊的特殊性（熱輸入大，速度快），因此焊接后容易產(chǎn)生焊接裂紋。鑒于此，并從焊接工藝性和焊接效率方面考慮，采用2種直徑?2.4 mm、?3.2 mm焊絲分別施焊，焊劑采用符合EN 10204-3.1《金屬產(chǎn)品材料標(biāo)準(zhǔn)》的OK FLUX 10.16焊劑。焊絲成分和性能具體見(jiàn)表3。

表3 焊接試驗(yàn)所用焊絲的化學(xué)成分和機(jī)械性能

2.4 焊接工藝參數(shù)

鎳板SAW焊接順序是：打底，然后填充焊，最后蓋面。這種焊接工藝的對(duì)照工藝參數(shù)如表4所示。厚鎳板SAW焊接常采用小直徑、小電流、多層多道焊、快速焊的工藝，對(duì)于坡口接頭優(yōu)先選用直流焊絲接正極，焊道以稍凸的為好。

鎳板焊接時(shí)需嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，防止過(guò)熱；同時(shí)需對(duì)層間溫度進(jìn)行控制，盡可能縮短焊接接頭的高溫停留時(shí)間，保證焊縫抗蝕能力。

2.5 焊后熱處理

為防止鎳板在使用中發(fā)生晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕失效，按設(shè)計(jì)要求對(duì)2塊鎳板焊接試樣進(jìn)行焊后熱處理。焊后即進(jìn)行1次穩(wěn)定化熱處理，保溫溫度為900℃，保溫時(shí)間為4.17 h；之后再進(jìn)行3次穩(wěn)定化熱處理，保溫溫度為905℃，保溫時(shí)間為12.5 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)2塊鎳板分別采用表4中的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，其中1#鎳板焊接試樣采用SAW（焊絲規(guī)格為?3.2 mm）焊接工藝焊接，2#鎳板焊接試樣采用SAW（焊絲規(guī)格為?2.4 mm）焊接工藝焊接。對(duì)這2塊鎳板焊接試樣進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理后，按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 焊接接頭性能試驗(yàn)

在該試驗(yàn)條件下，焊接接頭的性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 SAW焊接工藝參數(shù)

表5 焊接接頭的性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，1#試樣和2#試樣的力學(xué)性能和彎曲性能都符合NB/T 47014—2011中的規(guī)定，但是相對(duì)而言，1#試樣冷彎裂紋比較多。經(jīng)分析比較可知，1#試樣焊絲較粗，焊接時(shí)電流較大，熱輸入大，而鎳基耐蝕合金冷卻速度低，使得焊縫延性降低，故易產(chǎn)生焊接裂紋。硬度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，1#和2#試樣相同取點(diǎn)部位硬度值相差不大，總體硬度值為母材＜熱影響區(qū)＜焊縫，但未發(fā)生較大的波動(dòng)。分析認(rèn)為，焊接接頭的硬度變化一定程度上反映了接頭各部分顯微組織的變化，顯然2個(gè)試樣熱影響區(qū)未發(fā)生明顯的組織脆化現(xiàn)象，這對(duì)整個(gè)焊縫組織和其力學(xué)性能是有利的。

表6 焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 金相檢驗(yàn)

焊接過(guò)程直接影響到焊縫金屬和熱影響區(qū)的宏觀組織和顯微組織結(jié)構(gòu)、焊接缺陷以及焊接接頭性能，對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)?zāi)軌蚍治龀龊缚p各區(qū)域組織和焊接缺陷。取焊縫截面試樣打磨拋光，并放大10倍后觀察，試樣無(wú)裂紋、未焊透、未熔合等明顯缺陷，見(jiàn)圖3（a）、圖3（b）；試樣經(jīng)王水溶液侵蝕，放大200倍后觀察，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)均未見(jiàn)顯微裂紋及其他缺陷， 見(jiàn)圖 3（c）~圖 3（f）。

圖3 1#與2#焊接試樣的宏觀組織和金相組織

3.3 晶間腐蝕試驗(yàn)

由于該設(shè)備鎳板焊縫會(huì)接觸到腐蝕性介質(zhì)，為了評(píng)定焊縫的耐蝕性能，需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。將1#與2#焊接接頭試樣打磨拋光后，浸入沸騰的硫酸鐵溶液腐蝕120 h，采用GB/T 15260—2016《金屬和合金的腐蝕——鎳合金晶間腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的方法A（硫酸鐵-50%硫酸法）對(duì)鎳板焊縫進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣分別為焊后穩(wěn)定化和敏化兩種狀態(tài)。其中敏化狀態(tài)溫度為650℃，敏化1 h。按JB/T 4756—2006《鎳及鎳合金制壓力容器》附錄D對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收。試驗(yàn)表明，1#、2#試樣彎曲后試樣外側(cè)表面沒(méi)有晶間腐蝕裂紋，均能通過(guò)晶間腐蝕檢驗(yàn)。試樣晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 試樣晶間腐蝕試驗(yàn)

4 結(jié)論

為提高焊接效率，制造廠改進(jìn)了SB409 N08810厚鎳板制造過(guò)程中的對(duì)接焊接工藝，原采用GTAW結(jié)合SMAW工藝，現(xiàn)改進(jìn)為新的SAW焊接工藝。分別采用SAW 2種焊接工藝對(duì)厚鎳板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，研究分析了其力學(xué)性能、金相組織以及晶間腐蝕性能。結(jié)果表明，采用SAW焊接工藝（焊絲規(guī)格為?3.2 mm）的1#試樣雖然拉伸性能良好，金相組織正常，但彎曲試驗(yàn)產(chǎn)生裂紋較多，故不太適用于厚鎳板容器生產(chǎn)制造；而采用SAW焊接工藝（焊絲規(guī)格為?2.4 mm）的2#試樣，焊接接頭拉伸、彎曲性能都比較好，金相組織正常，晶間腐蝕性能合格。因此在SB409 N08810鎳板焊接過(guò)程中，可以采用表4中SAW（焊絲規(guī)格為?2.4 mm）這種焊接工藝。經(jīng)過(guò)板厚65 mm的SB409 N08810鎳板容器的制造實(shí)踐，表明采用焊絲規(guī)格為?2.4 mm的SAW焊接工藝，容器檢驗(yàn)和試板性能等均能符合設(shè)計(jì)要求。

[1]黃艷．鐵－鉻－鎳系耐熱合金的焊接工藝分析 [J]．菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)， 2014，36（2）： 39-42.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[3]陳亮．厚板UNS N08810材料壓力容器監(jiān)造檢驗(yàn)控制[J]．制造與安裝，2012，29（1）：75-78，62.

Study on Submerged Arc Welding Process of SB409 N08810 Thick Nickel Plate

Jiang Chengjun

In order to improve the efficiency,the GTAW welding technology combined with SMAW welding technology used in the nickel plate was improved to SAW welding process.The mechanical properties,bending properties and corrosion resistance of the nickel plate welded joint were also tested.The experimental results showed that the butt joint with good performance could be obtained by a series of adjustments and improvements of SAW welding process.The corrosion resistance of the welded joint conforms to the requirements of the design standards.

Nickel plate;Welding;Welding process;Submerged arc welding;Pressure vessel;Welding inspection

TG 445

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.017

*姜成軍，男，1984年生，碩士，工程師。上海市，200062。

2017-01-16）