劉玉祥

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

等離子焊接方法相對于傳統(tǒng)的GTAW、SMAW焊接方法具有更高的焊接效率，對于厚度≤8 mm 的對接焊縫，可以不開坡口直接焊接，可以節(jié)約焊接材料成本以及人工成本。對于貴金屬材料的焊接，采用等離子+機械氬弧組合焊接工藝，能節(jié)約更多的成本并保證焊接質量。

1 N08825 鎳基合金

N08825 鎳基合金滿足ASME II 卷B 篇SB-424標準，N08825 合金具有良好的耐氧化物應力腐蝕及氧化-還原性復合介質的腐蝕，多用于熱交換器及冷凝器、含多種離子的硫酸環(huán)境、油氣集輸管道用復合管內襯[1]。

1.1 化學成分及力學性能

SB-424 N08825 鎳基合金化學成分及力學性能如表1、表2 所示。

表2 力學性能Tab.2 Mechanical property

1.2 焊接性分析

N08825 鎳基合金其基體組織為奧氏體組織，因此不具有冷裂紋傾向，但N08825 鎳基合金具有一定的熱裂紋傾向。N08825 鎳基合金焊接時，雜質元素S 在焊縫金屬中偏析，并且S 元素與Ni、Fe 形成低熔點共晶體，在奧氏體組織完全凝固結晶時，低熔點共晶體處于液態(tài)薄膜狀態(tài)，在焊接拉應力的作用下開裂[2]。N08825 鎳基合金中含有少量的Si 元素，Si 元素的存在也增加了熱裂紋的敏感性。針對N08825 鎳基合金焊接熱裂紋問題，焊接時應采用合適的焊接線能量焊接，焊接過程中需要嚴格控制道間溫度。

1.3 焊接材料的選擇

根據N08825 鎳基合金主要化學成分Ni、Fe、Cr、Mo、Cu 的含量，選擇ERNiFeCr-1 焊絲焊接，ERNiFeCr-1 焊絲化學成分與N08825 鎳基合金相匹配。ERNiFeCr-1 焊絲滿足ASME II.C SFA-5.14標準要求，ERNiFeCr-1 焊絲抗拉強度的下限值為550 MPa，而N08825 鎳基合金抗拉強度的下限值為586 MPa，因此使用ERNiFeCr-1 焊絲焊接N08825鎳基合金時，ERNiFeCr-1 焊絲抗拉強度須不低于586 MPa。

2 等離子+機械氬弧組合焊設備

等離子+機械氬弧組合焊采用伸縮臂操作機、滾輪架工作站的形式，如圖1 所示，可以實現設備筒體縱縫及環(huán)縫的焊接。該工作站由兩臺伸縮臂操作機、1 副滾輪架、1 部等離子焊接電源、1 部機械氬弧焊接電源、焊槍水冷系統(tǒng)、等離子+機械氬弧電源控制系統(tǒng)組成，等離子焊槍與機械氬弧焊槍縱向布置，等離子焊焊接后，再進行機械氬弧焊焊接。

圖1 焊接設備Fig.1 Welding equipemnt

3 影響等離子焊接因素

3.1 等離子焊電弧類型

等離子焊電弧分三種形式：非轉移型等離子電弧、聯合型等離子電弧、轉移型等離子電弧。非轉移型等離子電弧主要用于非金屬材料的焊接，聯合型等離子電弧主要用于電流低于30A 以下的微束等離子焊接，轉移型等離子電弧主要用于金屬材料的焊接[3]，因此N08825 鎳基合金焊接采用轉移型等離子電弧焊接。

3.2 等離子氣

等離子焊接的等離子氣通常有純氬氣、95%氬氣+5%氫氣等選擇。純氬氣是最常用的等離子氣，氬氣為惰性氣體，在任何溫度下都不與母材產生化合物，氬氣的低電離電壓能確?？煽康钠鸹。峁┝己玫碾娀》€(wěn)定性。95%氬氣+5%氫氣等離子氣中的氫氣可提高對熔池的熱輸入量，改善電弧的滲透力及熔池的流動性，但與純氬等離子氣相比，采用95%氬氣+5%氫氣的等離子氣時，焊槍噴嘴零件消耗較多，并且起弧相對困難?？紤]到N08825 鎳基合金焊縫液態(tài)金屬流動性差的原因，采用95%氬氣+5%氫氣作為等離子氣焊接N08825 鎳基合金更為合適。

3.3 焊接保護氣體

等離子焊接保護氣體通常有純氬氣、95%氬氣+5%氫氣、純氦氣、75%氦氣+25%氬氣等選擇。純氬氣作為保護氣，其熔池的流動性可能稍微差點，容易引起焊縫邊緣凹陷。當采用95%氬氣+5%氫氣作為保護氣時，其中的氫氣增加了熔池的熱量，液態(tài)金屬流動性好，避免焊縫邊緣凹陷，可獲得平整的焊道，氫氣也能降低熔池的表面張力，有益于熔池中的氣體逸出。純氦氣、75%氦氣+25%氬氣多用于鋁合金、銅合金的焊接，由于其氣體具有更高的熱量，能保證導熱系數較高的鋁合金、銅合金焊透。以上四種保護氣價格從低到高依次為純氬氣、95%氬氣+5%氫氣、純氦氣、75%氦氣+25%氬氣，對于N08825材料的等離子焊接保護氣體，選擇氬氣的方案從成本上考慮是可以接受的。

3.4 等離子噴嘴

等離子噴嘴是等離子焊槍產生等離子弧的關鍵零件之一，對電弧直徑起機械壓縮的作用，是一個水冷噴嘴。噴嘴孔徑dn與孔道長度L是噴嘴的兩個重要尺寸，常以L/dn來表示等離子弧的壓縮特征。噴嘴孔徑越小，孔道越長，對等離子弧的壓縮能力越好，穿透能力越強。當采用大電流焊接時，一般使用φ3.2 mm、φ3.5 mm、φ4.0 mm 規(guī)格的噴嘴，孔道比約1.0～ 1.2。

3.5 噴嘴距離

噴嘴到工件表面的距離是等離子焊接的重要參數之一，等離子電弧挺度高，電弧擴散角小，電弧基本呈圓柱形輪廓，噴嘴距工件表面的距離過大，電弧穿透能力下降；距離過小，則易造成液態(tài)熔池飛濺，影響焊接質量，并造成噴嘴孔道堵塞，噴嘴距工件表面的距離一般3～ 8 mm 為宜。

3.6 等離子焊接電流

在等離子焊接過程中，和其他電弧焊焊接方法一樣，焊接電流增加，熔透能力則加強。等離子焊接電流過小，不能形成有效的熔透小孔，電流過大，又將因為等離子熔池小孔直徑過大而使熔池金屬墜落。等離子焊接電流通常是根據板厚來選定的，板的厚度增加，相應地增加焊接電流，并匹配好相應的焊接速度以及等離子氣流量，方可保證焊接質量。

4 等離子焊接坡口

對于3～ 8 mm 的板厚，等離子焊接不需要開坡口，對于厚度10～ 16 mm 的板需要開坡口焊接，等離子焊接坡口精度要求高，坡口應采用機械加工的方法加工。坡口組對時，要盡可能地降低錯邊及坡口間隙，過大的錯邊及間隙影響焊接電弧的穩(wěn)定性，容易形成燒穿或起泡的缺陷，坡口縱向、厚度方向的錯邊及坡口間隙均應不超過0.5 mm，等離子焊常用的坡口形式如圖2 所示。

圖2 坡口形式 Fig.2 Groove type

5 焊接工藝評定試驗

本次試驗采用16 mm 的N08825 板材，坡口形式如圖3 所示，焊接順序為先外側等離子焊接1 區(qū)，機械氬弧蓋面焊2 區(qū)，試板翻轉，機械氬弧焊接3 區(qū)，如圖4 所示。焊接試板在正式焊接之前，先在焊接參數調試試板上進行參數調試試驗，調試出焊接電流、焊接速度、等離子氣流量匹配的參數后，對評定試板正式焊接，焊接時試板兩側板端需加引弧板、熄弧板，等離子焊接與機械氬弧焊均采用加絲焊接，焊材ERNiFeCr-1/φ1.2 mm，具體的焊接參數如表3 所示。

圖3 焊接坡口Fig.3 Welding groove

圖4 焊接順序Fig.4 Welding sequence

表3 焊接參數Tab.3 Welding parameters

6 無損檢測

試 板 焊 接 后，按 照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準進行100% RT-II 級檢測和100% PT-I 級檢測，檢測結果合格。

7 理化試驗

7.1 試驗項目

評定試板按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準進行橫向板狀拉伸、側向彎曲試驗，并按相關標準補充了宏觀金相、微觀金相、ASTM G28 A 法及ASTM A262C 法晶間腐蝕試驗、硬度試驗及化學成分檢測試驗。

7.2 力學性能試驗結果

力學性能試驗結果見表4～5，試驗結果滿足NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準的要求，拉伸、彎曲試樣如圖5～6 所示。

圖5 拉伸試樣Fig.5 Tensile specimen

圖6 側彎試樣Fig.6 Side bend specimen

表4 板狀拉伸試驗Tab.4 Tensile test

表5 側向彎曲試驗 Tab.5 Side bend test

7.3 金相試驗

按照GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗—焊縫宏觀和微觀檢驗》標準進行了宏觀及微觀金相試驗。試樣經打磨拋光后，用王水溶液浸蝕，在顯微鏡下，對宏觀金相試樣放大10 倍觀察，焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，宏觀金相照片如圖7 所示。在顯微鏡下，對微觀試樣放大200 倍觀察，焊縫、熱影響區(qū)均未見顯微裂紋及其他缺陷，微觀照片如圖8～11 所示。

圖7 宏觀金相Fig.7 Macro-metallography

圖8 GTAW 焊縫微觀金相 Fig.8 GTAW weld seam micro-metallography

圖9 PAW 焊縫微觀金相Fig.9 PAW weld seam micro-metallography

圖10 GTAW 熱影響區(qū)微觀金相 Fig.10 GTAW HAZ micro-metallography

圖11 PAW 熱影響區(qū)微觀金相 Fig.11 PAW HAZ micro-metallography

7.4 腐蝕試驗

按照ASTM G28《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性檢測的標準試驗方法》中的A 法，試樣在經沸點硫酸-硫酸鐵溶液中腐蝕120 小時后，等離子與機械氬弧焊接接頭的腐蝕率分別為0.120 mm/ a和0.121 mm/a。按照ASTM A262《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感程度的標準規(guī)程》中的C 法，試樣在65%硝酸沸騰溶液中腐蝕48 小時5 個周期后，等離子與機械氬弧焊接接頭的平均腐蝕率分別為0.074 mm/ a 和0.077 mm/a。以上兩種腐蝕方法的腐蝕率均能滿足設計通常要求為0.6 mm/a 的合格指標。

7.5 硬度試驗

硬度檢測按照ISO 9015-1《金屬材料焊接的破壞性試驗.硬度試驗》標準進行，硬度試驗結果如表6 所示，測量位置上表面為等離子焊接方法，根部位置為等離子與機械氬弧焊交界處，下表面位置為機械氬弧焊接方法。從表6 的數據中可以看出，焊縫金屬及熱影響區(qū)的硬度與母材相比均未有較大的變化，證明焊縫及熱影響區(qū)沒有高硬度脆性相析出。

7.6 焊縫金屬化學成分

焊縫金屬的化學成分如表7 所示，表7 化學成分與表1 中SB-424 N08825 母材標準化學成分對比，各化學元素的含量均能滿足表1 的要求，證明N08825鎳基合金焊接選用ERNiFeCr-1 焊材的合理性。

表7 焊縫金屬化學成分Tab.7 Weld seam chemical composition %

8 結論

（1）通過對等離子焊接影響因素的分析，選擇合理的焊接工藝參數，采用與母材化學成分相匹配的焊材，焊接工藝評定試板經力學性能試驗、宏觀、微觀、腐蝕試驗、硬度試驗的驗證，N08825 鎳基合金采用等離子+機械氬弧組合焊接工藝能滿足標準的力學性能要求及設計要求。

（2）N08825 鎳基合金采用ERNiFeCr-1 焊材焊接，等離子與機械氬弧焊焊接接頭均具有良好的耐腐蝕 性。

（3）N08825 鎳基合金等離子+機械氬弧組合焊接試驗的成功提高了N08825 鎳基合金產品的焊接效率，節(jié)約了人工成本以及焊材成本。