毛琪欽，王龍

上海寶冶工程技術(shù)有限公司，上海 200942

0 引言

工業(yè)純鎳具有優(yōu)良的耐熱性及抗腐蝕性，在高溫下仍具有較好的熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，同時(shí)具有較好的延展性。由于鎳固態(tài)具有面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，化學(xué)活潑性低，是大氣中耐蝕性最強(qiáng)的金屬之一，其能夠抵抗苛性酸的腐蝕，對(duì)水溶液、熔鹽或熱沸的苛性鈉的耐蝕性也很強(qiáng)，因此特別適用于化學(xué)裝置及高溫設(shè)備，在石油化工、鋼鐵冶金、航空航天、核電核能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1-2］。N10003哈氏合金是20世紀(jì)60年代美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室專門為熔鹽堆研發(fā)的一種固溶強(qiáng)化的鎳基高溫合金，其在705～870 ℃下具有良好的抗熱氟化鹽氧化的能力，對(duì)時(shí)效和脆化具有很好的抵抗能力［3］。而熔鹽堆主要構(gòu)件需要在高溫、氟化物熔鹽腐蝕及中子輻照等極端條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全有效地工作，所以該Ni-Mo-Cr高溫合金是能滿足熔鹽堆在抗熔鹽腐蝕和力學(xué)性能要求的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。

由于在釷基熔鹽堆容器制造過(guò)程中存在純鎳與哈氏合金的焊接接頭，且與之對(duì)應(yīng)的焊接經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，為此，本試驗(yàn)選用純鎳與N10003哈氏合金材料進(jìn)行鎢極氬弧焊工藝試驗(yàn)，主要探究其焊接工藝以及控制焊縫質(zhì)量的有效措施，為釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)主容器的順利制造奠定基礎(chǔ)，在核能設(shè)備焊接領(lǐng)域具有重要的理論研究意義與工程實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及其焊接性

1.1 選用材料化學(xué)成分以及力學(xué)性能

本試驗(yàn)選用純鎳N02201以及N10003哈氏合金作為焊接工藝實(shí)驗(yàn)用材料，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示?；谀覆淖陨淼奶匦约翱沽研缘确矫娴目紤]，試驗(yàn)選用ERNiMo-2作為焊接材料，其化學(xué)成分如表3所示。

表1 純鎳N02201主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）及力學(xué)性能Table 1 Main chemical composition （wt.%） and mechanical properties of pure nickel N02201

表2 N10003哈氏合金主要化學(xué)成分（%）及力學(xué)性能Table 2 Main chemical composition and mechanical properties of N10003 Hastelloy alloy

表3 焊絲ERNiMo-2主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Main chemical components of ERNiMo-2 welding wire（wt.%）

1.2 母材焊接性分析

（1）熱裂紋敏感性。由于鎳基合金中存在一定含量的S、P等雜質(zhì)元素，其在焊接過(guò)程中易發(fā)生雜質(zhì)的區(qū)域偏析，其與Ni易形成低熔點(diǎn)共晶物［3-5］。這些低熔點(diǎn)共晶物在焊縫金屬冷卻凝固的過(guò)程中易在晶界處形成液態(tài)薄膜，在焊接殘余應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

（2）氣孔。鎳基合金的熱膨脹系數(shù)以及導(dǎo)熱率較低，焊接過(guò)程中熱量擴(kuò)散較慢，焊接熔池的流動(dòng)性較差，且凝固溫度區(qū)間較窄，焊接過(guò)程中熔池氣體來(lái)不及逸出，容易殘留在焊縫中形成氣孔造成焊接缺陷。

（3）熔深淺、熔合不良。由于鎳及鎳基合金焊接時(shí)與鋼相比其導(dǎo)熱性差，粘性強(qiáng)，熔深較淺，焊縫較高，易形成道間和層間的熔合不良，而且在焊接時(shí)不宜通過(guò)采用較大電流的方式提高熱輸入進(jìn)而增加熔深，所以為了保證熔透，可選用較大的坡口角度和較小的鈍邊。同時(shí)，焊接時(shí)宜采用擺動(dòng)焊，擺動(dòng)至兩邊稍作停頓使之熔合良好。降低未熔合以及未焊透等焊接缺陷的產(chǎn)生。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試件準(zhǔn)備

由于自身材料受限，試驗(yàn)選用尺寸為25 mm×4 mm的N02201試管以及尺寸26.7 mm×3.91 mm的N10003試管進(jìn)行對(duì)接焊接試驗(yàn)。焊前用丙酮去除管子表面油污銹漬等其他雜質(zhì)，并將坡口兩側(cè)打磨干凈備用。再根據(jù)母材焊接性分析可以知道，鎳及鎳基合金焊接時(shí)的熔深較淺，易形成窄而高的焊縫，故擬定采用如圖1所示的裝配形式以及坡口尺寸。

圖1 焊接坡口及裝配示意Fig.1 Schematic diagram of welding groove and assembly

為了控制焊接過(guò)程中的變形，減少焊接缺陷的產(chǎn)生，試驗(yàn)選用對(duì)熱輸入能有效控制的鎢極氬弧焊的方法進(jìn)行施焊。焊絲選用規(guī)格尺寸為2.4 mm的ERNiMo-2，其化學(xué)成分如表3所示。鎢極采用規(guī)格尺寸為2.4 mm的鈰鎢極，保護(hù)氣體選用99.99%的Ar進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為10～15 L/min；管內(nèi)側(cè)同樣采用99.99%的Ar進(jìn)行保護(hù)防止管子根部氧化，氣體流量為8～10 L/min。

2.2 焊接工藝

焊接時(shí)采用小電流、多層多道焊的工藝方法來(lái)有效的控制焊接熱輸入和焊接變形，試驗(yàn)選用的焊接工藝參數(shù)如表4所示。同時(shí)，需嚴(yán)格控制層間溫度，由于材料自身導(dǎo)熱率較低，因此焊接過(guò)程中冷卻時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)，控制層間溫度不高于90 ℃，以保證焊接接頭有較短的高溫停留時(shí)間，進(jìn)而避免由于焊縫過(guò)熱而引起的熱裂紋等焊接缺陷。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters

焊后進(jìn)行外觀檢查，焊縫表面無(wú)咬邊、氣孔、焊瘤等缺陷，焊縫整體成形良好，管子背面無(wú)凹陷，表面呈銀白色，表明氣體保護(hù)效果良好，如圖2所示。

圖2 N02201與N10003焊接焊縫成形效果Fig.2 Weld forming effect of N02201 and N10003

3 焊接質(zhì)量控制

由于試驗(yàn)材料自身的特殊性，在焊接前、中、后期均需要采取嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施以保證焊縫質(zhì)量，避免焊接缺陷的產(chǎn)生：

（1）焊前試管表面的清潔度是成功焊接純鎳與哈氏合金的一個(gè)重要因素。對(duì)于鎳基合金，其表面的氧化皮的熔點(diǎn)比母材高得多，常常易形成夾雜或者是細(xì)小的不連續(xù)氧化物。而對(duì)于S、P、Pb、Sn、Zn等易與Ni形成低熔點(diǎn)共晶物的元素均會(huì)增加純鎳與哈氏合金焊接時(shí)的熱裂紋傾向［6-10］。而這些元素經(jīng)常存在于制造過(guò)程中所用的一些材料中，例如油漆、標(biāo)記蠟筆、墨水、切削冷卻液、測(cè)溫筆跡等。因此，在焊前必須完全清除這些雜質(zhì)。焊接前需要采用專用的打磨機(jī)將坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的油污、水漬、鐵銹、毛刺等清理干凈，并重點(diǎn)關(guān)注不可使用普通低碳鋼的砂輪片進(jìn)行混用打磨，以避免將不必要的有害雜質(zhì)金屬帶入，打磨后需利用丙酮溶液將坡口兩側(cè)以及焊絲清理干凈待用。

（2）焊接時(shí)為了保證管子內(nèi)側(cè)不被氧化，需要使用純度為99.99%的氬氣進(jìn)行背面保護(hù)。背面充氬在對(duì)背面焊縫進(jìn)行保護(hù)隔絕外部空氣的同時(shí)也起到了冷卻熔池的作用。在對(duì)內(nèi)側(cè)進(jìn)行充氣時(shí)，要確保內(nèi)壁空間氬氣充足后方可施焊。同時(shí)，要控制采用合理的背面氣體流量，流量過(guò)小時(shí)，背面焊縫根部難以得到充分的氣體保護(hù)，焊接時(shí)極易出現(xiàn)根部焊縫氧化的問題，且熔池得不到有效的冷卻，易形成焊縫根部液態(tài)金屬塌陷。同樣的，背面氣流量過(guò)大時(shí)，過(guò)大的氣流易在管子內(nèi)部空間形成紊流，導(dǎo)致內(nèi)部氣體壓強(qiáng)過(guò)大，使得焊縫根部的熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性變差，在冷卻過(guò)程中極易形成根部凹陷的焊接缺陷。因此，調(diào)整控制好背面保護(hù)氣體的流量是保證管子內(nèi)側(cè)成形良好不出現(xiàn)焊縫缺陷的關(guān)鍵因素。

（3）焊接過(guò)程中需嚴(yán)格控制層間溫度，當(dāng)層間溫度低于93 ℃后，可繼續(xù)焊接完成下一層。同時(shí)，要對(duì)焊接熱輸入進(jìn)行嚴(yán)格控制，因?yàn)楦叩臒彷斎肟赡墚a(chǎn)生過(guò)度的偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金現(xiàn)象，這在純鎳與哈氏合金焊接過(guò)程中會(huì)引起焊接熱裂紋或降低焊接接頭的性能。鎳基合金焊縫金屬不像鋼焊縫金屬那樣熔池易于潤(rùn)濕展開，即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而起著有害作用，這是鎳基合金的固有特性所決定的。焊接電流一旦過(guò)大不僅會(huì)引起焊接熱輸入的陡增，同時(shí)易引起熔池過(guò)熱，增大焊接熱裂紋的敏感性，而且會(huì)使焊縫金屬中的脫氧元素蒸發(fā)，形成氣孔。所以，嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱輸入，有利于形成良好優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量。

（4）由于需要控制接頭處的焊縫金屬，鎳基合金的接頭形式與鋼存在不同之處。因?yàn)殒嚮辖鸬膶?dǎo)熱性差，焊接過(guò)程中液態(tài)熔池的流動(dòng)性較差，熔深較淺，不易流到焊縫的兩邊，因此，在坡口加工時(shí)宜采用相對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)更大的坡口角度。同時(shí)，為獲得較好的焊縫成形，焊接時(shí)宜采用擺動(dòng)焊接，但擺動(dòng)距離宜控制在3倍焊絲直徑范圍內(nèi)做小幅擺動(dòng)，在擺動(dòng)到每一側(cè)極限位置時(shí)，稍作停頓，以便有足夠的時(shí)間使熔化的液態(tài)金屬填滿兩側(cè)，進(jìn)一步防止咬邊缺陷的產(chǎn)生。

（5）對(duì)于鎳基合金的焊接來(lái)說(shuō)，區(qū)別于普通結(jié)構(gòu)鋼，在焊縫根部位置收弧時(shí)，由于在很小的焊縫垂直方向上加上過(guò)大的拉力而極易出現(xiàn)弧坑裂紋，為此，收弧時(shí)需采用衰減電流，并利用焊絲填滿弧坑，在降低弧坑熔池冷卻速度的同時(shí)，增加弧坑處的金屬量，避免焊縫根部出現(xiàn)凹形弧坑，以此來(lái)降低弧坑出現(xiàn)裂紋的可能性。同時(shí)，焊接時(shí)避免強(qiáng)制裝配，降低由于焊縫內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致的焊縫開裂問題出現(xiàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)

施焊完成后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試件進(jìn)行VT、PT、RT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，未出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合以及未焊透等焊接缺陷，檢測(cè)結(jié)果均合格。

4.2 力學(xué)性能檢測(cè)

根據(jù)ASME Ⅸ—2021以及ASTM E21標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)焊縫進(jìn)行室溫下的拉伸以及600 ℃的高溫拉伸試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)分別如表5、表6所示?？梢钥闯觯附咏宇^的拉伸性能較好，抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)值完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 N02201+N1003室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Tensile test data of N02201+N1003 at room temperature

表6 N02201+N1003高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Tensile test data of N02201+N1003 at high temperature

對(duì)焊縫進(jìn)行室溫下的彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。通過(guò)表7可以看出，采用彎心直徑D=4a（a為試樣厚度）的彎軸做兩個(gè)面彎、兩個(gè)背彎的180°彎曲試驗(yàn)，彎曲后試樣無(wú)裂紋出現(xiàn)，表明焊接接頭的彎曲性能完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 N02201+N1003室溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 Bending test data of N02201+N1003 at room temperature

4.3 微觀組織檢測(cè)

焊接接頭各個(gè)區(qū)域的微觀組織如圖3所示?？梢钥闯觯缚p區(qū)組織由奧氏體+少量鐵素體組成，晶粒呈樹枝狀由熔合區(qū)向焊縫中心生長(zhǎng)［11-14］。N02201側(cè)熔合區(qū)附近有少量的碳化物析出，在N10003一側(cè)熔合線分界較為明顯，焊縫、兩側(cè)熔合區(qū)以及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋以及其他異常顯微組織，結(jié)果合格。

圖3 焊接接頭微觀組織Fig.3 Microstructure of welded joint

5 結(jié)論

本研究通過(guò)鎢極氬弧焊的焊接方法對(duì)純鎳N02201以及N10003哈氏合金進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)研究，同時(shí)探究了純鎳N10003與哈氏合金N10003焊接時(shí)的質(zhì)量控制措施，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)與微觀組織檢測(cè)，驗(yàn)證焊接接頭的性能并得出以下結(jié)論：

（1）焊接時(shí)需嚴(yán)格控制焊接熱輸入及層間溫度，增加焊接電流不能有效的改善液態(tài)金屬的流動(dòng)性，相反的，會(huì)增大焊縫出現(xiàn)熱裂紋的幾率。

（2）不同于鋼的焊接，純鎳N10003與哈氏合金N10003焊接時(shí)宜采用更大的坡口角度，并配合擺動(dòng)施焊，有利于改善鎳基合金焊接時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng)性較差的問題。

（3）對(duì)于鎳基合金焊接，收弧時(shí)需采用衰減電流，焊絲填滿弧坑的技術(shù)方法以避免出現(xiàn)弧坑開裂的焊接缺陷。

（3）焊接接頭微觀組織為奧氏體+少量鐵素體組成，焊縫中心晶粒呈樹枝狀由熔合區(qū)向焊縫中心生長(zhǎng)，N02201側(cè)熔合區(qū)有少量碳化物析出，N10003一側(cè)熔合線分界較為明顯。