hastelloy C4哈氏合金焊接工藝

1、化學(xué)成分及力學(xué)性能

hastelloy C4對(duì)應(yīng)ASME中UNS編號(hào)為N06455，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，2［1］。hastelloy C4屬于Ni－Cr－Mo類型鎳基耐蝕合金，單相奧氏體組織，由于含有較高Cr和Mo，所以既耐還原性介質(zhì)腐蝕又耐氧化性介質(zhì)腐蝕，同時(shí)在氧化－還原復(fù)合介質(zhì)中也耐蝕。通過降低C，Si，F(xiàn)e的含量，加入穩(wěn)定化元素Ti，增加了抗晶間腐蝕能力。其抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力也較好［2－3］。

表1、C4材料化學(xué)成分%

表2、C4材料力學(xué)性能

2、hastelloy C4哈氏合金焊接性分析

(1)鎳基耐蝕合金具有較高的熱裂紋敏感性，焊接過程中容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋。裂紋產(chǎn)生的原因［2］:在高溫下鎳與硫、磷極易形成低熔點(diǎn)共晶體;當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭晶粒粗大，晶粒間會(huì)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。因此焊接時(shí)應(yīng)采取控制焊接熱輸入，限制焊縫中的S，P，Si含量等措施。（墨?鉅）

(2)鎳基焊縫金屬對(duì)氣孔比較敏感。

氣孔產(chǎn)生的原因:鎳基合金液態(tài)金屬的流動(dòng)

性比較差，在焊態(tài)下氣體來不及逸出;鎳基合金固液相的溫度間距小，氧氣、二氧化碳和氫氣等氣體在液態(tài)鎳中的溶解度比較大，但當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，溶解度明顯減小，熔池中的氣體來不及逸出形成氣孔。因此焊接前應(yīng)將施焊區(qū)域的油、水等會(huì)引起氣孔的雜質(zhì)去除干凈，焊接材料可以加入錳、鈦和鈮等脫氧元素，焊接過程中應(yīng)加強(qiáng)焊接熔池的氣體保護(hù)。

焊接工藝制定

2．1、焊接方法及焊接材料

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用氬弧焊焊接的方法［4－5］，焊接材料選用EＲNiCrMo－7焊絲，直徑2．4mm，化學(xué)成分見表3［6］。焊接時(shí)背面采用氬氣保護(hù)，Ar純度為99．99%，流量為8～10L/min。

表3、EＲNiCrMo－7材料化學(xué)成分%

2．2、坡口設(shè)計(jì)

由于鎳基合金液態(tài)焊縫金屬具有流動(dòng)性較差和熔深較淺的工藝特性，不容易潤(rùn)濕展開，接頭需提供足夠的空間便于金屬填充，坡口應(yīng)采用較大的根部間隙和坡口角度，較小的鈍邊高度，以防止焊接時(shí)出現(xiàn)未熔合和未焊透缺陷，保證液態(tài)焊縫金屬布滿坡口。（墨?鉅）工藝評(píng)定試驗(yàn)采用對(duì)接接頭的坡口形式，如圖2所示。

圖2坡口形式

2．3、焊前清理

焊前清理工作對(duì)焊接鎳基耐蝕合金非常重要，在焊接前，焊絲及hastelloy C4和不銹鋼S31603的施焊區(qū)域必須使用丙酮或無水乙醇等溶劑清洗去除油、水分及其他污物，以避免氣孔和裂紋的產(chǎn)生。

2．4、預(yù)熱及道間溫度控制

鎳基耐蝕合金焊前一般不需進(jìn)行預(yù)熱，室溫環(huán)境下即可焊接。當(dāng)焊件溫度低于2℃或更低時(shí)，焊接坡口及兩側(cè)大于300mm的（墨?鉅）范圍內(nèi)應(yīng)加熱到15～20℃，以防止?jié)駳饫淠龑?dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。焊接時(shí)過大的焊接熱輸入和道間溫度會(huì)導(dǎo)致晶粒過大，增大熱裂紋傾向和降低耐腐蝕性能，應(yīng)控制道間溫度在100℃以下。

2．5、焊接工藝參數(shù)

根據(jù)鎳基合金焊接特性，為防止其產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入，多層多道焊，焊接時(shí)不宜橫向擺動(dòng)，盡量直線運(yùn)動(dòng)，制定的焊接工藝參數(shù)見表4。

表4、焊接工藝參數(shù)、

3、hastelloy C4哈氏合金焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

按照NB/T47014—2011［7］和技術(shù)要求，根據(jù)以上擬定的焊接工藝，選用厚度為8mm的S31603和C4(N06455)板材分別進(jìn)行了兩組焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。一組為S31603與C4之間焊接，試樣編號(hào)為863#;一組為C4與C4之間相焊，試樣編號(hào)為864#。

試件焊后經(jīng)100%ＲT和100%PT檢測(cè)無缺陷后進(jìn)行拉伸、彎曲、晶間腐蝕、焊縫部位化學(xué)成分分析等試驗(yàn)項(xiàng)目。其中，晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果為:863#:晶間腐蝕試驗(yàn)(2件)，按GB/T15260—1994［7］標(biāo)準(zhǔn)B法驗(yàn)收合格;864#:晶間腐蝕試驗(yàn)(2件)，按GB/T15260—1994［7］標(biāo)準(zhǔn)B法驗(yàn)收合格。其他項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果見表5～7。

表5拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7焊縫化學(xué)成分%

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試樣編號(hào)為863#的抗拉強(qiáng)度值均大于不銹鋼S31603標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最低值490N/mm2;試樣編號(hào)為864#的抗拉強(qiáng)度值均大于固熔狀態(tài)hastelloy C4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最低690N/mm2，且均為塑性斷裂于焊接接頭熱影響區(qū)。兩組評(píng)定面彎、背彎試樣彎曲到180°后，拉伸面上的焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)沒有開口缺陷，符合NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求［7］。

晶間腐蝕試驗(yàn)試樣在銅－硫酸銅－16%硫酸溶液中連續(xù)加熱24h后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，拉伸面無裂紋等缺陷，滿足標(biāo)準(zhǔn)［8－9］要求，說明焊接接頭耐腐蝕性能良好［10］。

由此可見，試件經(jīng)無損檢測(cè)合格后取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能結(jié)果均滿足NB/T47014—2011要求，焊縫化學(xué)成分和晶間腐蝕試驗(yàn)合格，證明制定的焊接工藝良好，可以保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能。

4、hastelloy C4哈氏合金焊接接頭金相檢測(cè)

為進(jìn)一步了解所制定焊接工藝對(duì)焊接接頭的影響，取樣進(jìn)行了宏觀金相檢測(cè)和微觀金相檢測(cè)［11］。兩組評(píng)定各取一件試樣，試樣編號(hào)分別為863#，864#。

用10倍放大鏡進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)，兩件試樣焊接接頭截面均無氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷。

微觀金相檢測(cè)如圖3，4所示。863#試樣檢測(cè)結(jié)果為:S31603母材和熱影響區(qū)為奧氏體加少量δ鐵素體組織，焊縫為奧氏體加微量δ鐵素體組織，C4側(cè)熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織。864#試樣檢測(cè)結(jié)果為:C4側(cè)母材及熱影響區(qū)為奧氏體組織，焊縫為奧氏體加微量δ鐵素體組織［12－13］。通過微觀組織圖可以看出，兩件試樣焊接接頭組織細(xì)密，沒有出現(xiàn)晶粒組大，無有害相的析出，表明焊接工藝性能良好。

(a)S31603母材500×

(b)S31603側(cè)熱影響區(qū)500×

(c)焊縫100×

(d)C4側(cè)熱影響區(qū)100×

(e)C4母材100×

圖3863#試樣微觀組織

(a)C4母材100×

(b)C4側(cè)熱影響區(qū)100×

(c)焊縫100×

圖4864#試樣微觀組織 

5、hastelloy C4哈氏合金焊接結(jié)論

(1)hastelloy C4屬于Ni－Cr－Mo類型鎳基耐蝕合金，單相奧氏體組織，焊接時(shí)具有熱裂紋和氣孔敏感性，采用本焊接工藝進(jìn)行施焊，可以獲得合格的焊接接頭。

(2)采用氬弧焊方法，使用EＲNiCrMo－7焊絲，背面采用純氬氣保護(hù)，焊前嚴(yán)格清理焊絲及坡口表面，坡口角度適當(dāng)加大，采用較小熱輸入，道間溫度控制在100℃以下，多層多道焊。經(jīng)工藝評(píng)定試驗(yàn)，C4與C4焊接接頭抗拉強(qiáng)度為735N/mm2，C4與S31603焊接接頭抗拉強(qiáng)度為620N/mm2，面彎、背彎均合格;晶間腐蝕按GB/T15260—1994標(biāo)準(zhǔn)B法驗(yàn)收合格，表明焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)焊接接頭中焊縫為奧氏體加微量δ鐵素體組織，C4側(cè)熱影響區(qū)及母材為奧氏體組織，S31603側(cè)熱影響區(qū)及母材為奧氏體加少量δ鐵素體組織，焊接接頭組織細(xì)密，無晶粒粗大現(xiàn)象，無有害相的析出，焊接工藝性能良好。

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