蒲貴明

（甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

鎳基合金通常在650～1000℃以上工作，它具有較高的高溫強度、持久強度和抗蠕變強度，基于上述特點，被廣泛應(yīng)用于化工成套設(shè)備及高參數(shù)電站鍋爐等惡劣環(huán)境[1]。在化工壓力容器制造過程中，經(jīng)常對存在高熱處理溫度差的異種鋼，焊接時會采用鎳基合金作為填充金屬。由于鎳基具有很高的硬度，在制作焊接工藝評定的彎曲試樣過程及實施彎曲試驗過程中，試樣的彎曲結(jié)果直接關(guān)系到焊接工藝的合理性，因此研究高硬度鎳基合金彎曲試樣的加工工藝對指導(dǎo)鎳基焊縫用壓力容器的制造具有非常重要的意義。

1 試驗準(zhǔn)備材料與方法

本次試驗準(zhǔn)備工作按照以下程序進行：

1.1 試驗?zāi)覆募胺桨?/h3>

本次試驗所用試板母材為12Cr2Mo1VR和13MnNiMoR鋼板，試板尺寸為 60mm×130mm×400mm，試板開10°V型坡口。其制備工藝方案為：先在兩塊試板的V型坡口面上電渣堆焊鎳基焊帶6mm，然后打磨堆焊層表面至平整，分別按各自母材的性能進行熱處理。裝配對接試板，根部裝配間隙預(yù)留15mm，焊接過程中需要添加墊板，墊板材料為Q345R，尺寸為 10mm×40mm×400mm。

1.2 焊接材料及焊接參數(shù)

試板堆焊所用焊帶為EQNiCrMo-3及配套焊劑，試板對接所用焊絲為ERNiCrMo-3及配套焊劑，其焊接工藝參數(shù)見表1，堆焊后的熱處理參數(shù)見表2：

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 堆焊后熱處理參數(shù)

2 試驗過程及結(jié)果分析

從試驗前的理論上分析，因鎳基合金硬度較高，在加工過程中很容易產(chǎn)生淬硬層，淬硬層的產(chǎn)生極易引起加工硬化，對彎曲試驗結(jié)果將產(chǎn)生一定的影響。將上述準(zhǔn)備好的試板，沿試板厚度方向進行橫向加工，具體加工工藝如下：

2.1 常規(guī)加工及彎曲試驗

彎曲試樣加工，可先用鋸床在試板厚度方向切割成12mm厚試樣，然后用銑床加工試樣內(nèi)外表面溝痕、毛刺至10mm厚，將加工完成的彎曲試樣（試樣形式如圖1所示），在壓力機上按照表3參數(shù)進行彎曲試驗。

表3 彎曲試驗參數(shù)

圖1 試樣形式

試樣彎曲后的結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)全部開裂或斷裂。其中，圖2（a）中斷裂位置發(fā)生在堆焊層，圖2（b）中開裂位置在填充焊縫，開裂方向沿著銑刀加工痕跡開裂，圖2（c）中斷裂位置發(fā)生在焊縫中間位置。

圖2 試樣彎曲后的結(jié)果

文獻[2]在研究航空發(fā)動機的鎳基合金磨削技術(shù)時曾提到：鎳基合金加工過程中未完全去除的殘留在工件表面的毛刺及磨粒等，對材料受到剪切應(yīng)力時所承受的強度有影響，同時，磨削時產(chǎn)生的瞬時高溫對工件材料表面會有燒傷。通過上述試驗結(jié)果推斷分析，鎳基合金彎曲試樣加工過程中，瞬時高磨削溫度易在試樣表面產(chǎn)生加工硬化層，同時在試樣彎曲時，銑刀刀痕處易引起應(yīng)力集中。應(yīng)力集中和加工硬化層是導(dǎo)致試樣彎曲開裂的主要原因。

2.2 常規(guī)加工后拋光處理及結(jié)果分析

按照上述2.1內(nèi)容加工后，對試樣彎曲受拉表面先用砂紙將銑刀刀痕打磨消除，然后對表面進行拋光處理，以消除在彎曲時易引起應(yīng)力集中的刀痕、毛刺、磨粒、尖銳、溝槽和部分表面加工硬化層，按照NB/T47013.5-2015《承壓設(shè)備無損檢測—滲透檢測》標(biāo)準(zhǔn)進行100%PT探傷，確保無影響彎曲試樣開裂的表面微裂紋后，按照表3參數(shù)進行彎曲試驗。

試樣的彎曲結(jié)果如圖3所示，發(fā)現(xiàn)試樣未發(fā)生斷裂和大面積開裂，但是在焊縫中心仍有肉眼可見的微小裂紋。將圖2和圖3試驗結(jié)果進行對比觀察可發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中和加工硬化均可導(dǎo)致鎳基試樣彎曲開裂和斷裂，而在消除刀痕、毛刺、磨粒、尖銳、溝槽和部分表面加工硬化層后，彎曲時仍有裂紋存在，但是裂紋數(shù)量及長度相比打磨拋光前大幅減少。同時由此看出，少量的加工硬化層即可導(dǎo)致鎳基試樣彎曲開裂。

圖3 拋光處理后彎曲結(jié)果圖

2.3 線切割加工及結(jié)果分析

利用線切割技術(shù)，將試板沿厚度方向切割成厚度為10mm的彎曲試樣，試樣形式如圖1所示，并在壓力機上按照表3參數(shù)進行彎曲試驗。

圖4 線切割后彎曲結(jié)果圖

彎曲結(jié)果如圖 4（a）、（b）所示，經(jīng)過線切割取樣后，所有的鎳基試樣彎曲試驗全部合格。由于線切割取樣過程中，切割速度較慢，在用水冷卻時，冷卻液能提升穩(wěn)定換熱的能力，并可有效降低磨削溫度[2]，使得高硬度鎳基合金不易在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量而形成加工硬化層，同時，加工過程中不易產(chǎn)生引起應(yīng)力集中的毛刺、磨粒等加工質(zhì)量缺陷。

3 結(jié)論

1）高硬度鎳基合金彎曲試樣加工過程中，高磨削溫度易在試樣表面產(chǎn)生加工硬化層，同時在試樣彎曲時，銑刀刀痕處易引起應(yīng)力集中；

2）應(yīng)力集中和加工硬化均可導(dǎo)致鎳基試樣彎曲開裂和斷裂；

3）高硬度鎳基合金在取樣加工過程中，采用線切割技術(shù)可避免產(chǎn)生加工硬化層和應(yīng)力集中。