NiCrFe耐蝕合金焊接性研究

王寶森1 朱雙春2

(1.寶鋼集團中央研究院,上海 201900,；2.同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201804)

摘要：NiCrFe耐蝕合金是未來高溫,、耐蝕設(shè)備制造首選材料之一。對UNS N08800耐蝕合金材料特點,、焊接性進行分析,，并采用焊條電弧焊的方法進行對接焊，通過組織觀察,、性能檢測等方法得到相應(yīng)工藝條件下的焊接接頭性能,，研究表明國產(chǎn)N08800鋼種具有很好的焊接性，一定工藝條件下得到焊接接頭性能指標(biāo)等同于國外同類產(chǎn)品,，焊接熱影響區(qū)晶粒組織沒有顯著粗化,，均為單一奧氏體組織，且焊接熱影響區(qū)的寬度很窄,，為此類鋼種的焊接應(yīng)用提供借鑒,。

關(guān)鍵詞： 耐蝕合金 N08800 焊接性

0 序 言

在20世紀(jì)50年代，為了減少戰(zhàn)略元素Ni 的使用,，同時使得材料具有一定的耐熱和抗腐蝕性,，Ni-Fe-Cr合金體系的耐蝕合金系列鋼種應(yīng)運而生，UNS N08800系列鋼種在工業(yè)加熱爐設(shè)備,、石油裂化,、煤氣化等行業(yè)設(shè)備制造中得到廣泛的應(yīng)用,，替代傳統(tǒng)不銹鋼鋼種，并顯著提高制造裝置在耐高溫與耐氯離子腐蝕等的能力,。寶鋼在2010年開始生產(chǎn)耐蝕合金系列厚板產(chǎn)品,，有效扭轉(zhuǎn)了國內(nèi)耐蝕合金系列板材產(chǎn)品大部分依靠進口的局面。文中針對寶鋼N08800系列耐蝕合金的焊接性進行分析,，以便其未來更好的應(yīng)用,。

1 N08800的材料特征

N08800耐蝕合金常溫為一種固溶狀的單相奧氏體組織，以Ni,Fe二元固溶體為基,，再加入其他合金元素(Cr,，Cu，Al,，Ti) 形成鐵鎳基耐蝕合金,，其成分介于不銹鋼和鎳基耐蝕合金之間。通常有TiN,TiC以及Cr23C6等化合物分布在基體組織上,。在熔點以下的溫度,，氮化物能夠穩(wěn)定的存在，不受熱處理溫度的影響,。在540～1 095 ℃區(qū)間合金中,，會有鉻的碳化物析出，形成析出相,，因此,，此類合金也會發(fā)生與奧氏體合金類似的晶間腐蝕，敏感的溫度區(qū)間為540～760 ℃,。該類鋼與不銹鋼及碳素鋼相比,，具有以下特點：一是熔點低； 二是線膨脹系數(shù)介于奧氏體不銹鋼與碳素鋼之間,； 三是熱導(dǎo)率比碳素鋼低得多,，比電阻比碳素鋼高。其耐腐蝕性能,、力學(xué)性能及工藝性能比一般不銹鋼更優(yōu)良,，同時，該類合金通常用于溫度高于539 ℃,、需抵抗蠕變斷裂的場合,，在高溫狀態(tài)下也具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐氧化和耐熱腐蝕性能,。

N08800合金的化學(xué)成分與性能分別見表1和表2,，隨著N08800鋼種的廣泛應(yīng)用，在成分體系優(yōu)化上陸續(xù)演變形成N08810,N08811等鋼種,，3個鋼種主要表現(xiàn)在C,Ti,Al等元素含量控制范圍以及固溶處理后板材的晶粒度要求,。

表1 N08800合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

NiCrCAlTiSiSPMnCuFe30～3519～230.1～0.15≤0.60≤0.60≤1.0≤0.015≤0.030.15～1.50≤0.75余量

表2 N08800合金母材性能

抗拉強度Rm/MPa屈服強度ReL/MPa斷后伸長率A(%)56526049

2 N08800的焊接性分析

N08800系列鋼的焊接與奧氏體不銹鋼類似,，焊接性良好，但也存在焊接熱裂紋,、焊接氣孔,、熔合不良、夾渣以及析出強化合金時的應(yīng)變時效裂紋等缺陷[1],。要防止此類焊接缺陷產(chǎn)生,，保證焊接接頭在焊后具有等同于母材的良好高溫力學(xué)性能和耐腐蝕能力，同時保證產(chǎn)品在高溫,、腐蝕性強的介質(zhì)條件下長期安全地運行,，必須采用合理的焊接工藝。

2.1 熱裂紋

由于此類鋼的熱導(dǎo)率比碳素鋼低得多,，而比電阻卻比碳素鋼高得多,，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接產(chǎn)生的熱量不易散出,，容易過熱,，加之焊縫金屬凝固的時間很短，焊縫金屬收縮產(chǎn)生的焊接應(yīng)力會促使焊接熱裂紋的產(chǎn)生,。另外,，焊縫金屬中的S,Si,P等雜質(zhì)也是產(chǎn)生熱裂紋的原因之一。過量的S,Si,P等雜質(zhì)元素與鎳形成低熔共晶體,，并在焊縫金屬晶界處形成偏析,，在焊接應(yīng)力作用下導(dǎo)致焊縫開裂。

在焊絲中應(yīng)加入促進固溶強化的錳,、鈮等大原子半徑的元素以抑制不理想晶格的定向成長,，而且這些元素在焊縫組織中能形成一定數(shù)量的碳化物,，阻擋晶格缺陷的聚集,，從而提高單相奧氏體的抗熱裂能力。硫,、硅,、磷及一些雜質(zhì)元素的有害作用具有疊加性，所以應(yīng)將這些元素的總含量控制在低水平,。一般要求母材的含硫量應(yīng)小于0.015%,，焊絲的含硫量應(yīng)控制在0.005%左右。因為錳與硫能形成高熔點的硫化錳,，有利于防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生,；鈦可起到細(xì)化晶粒、提高焊縫抗裂性的作用,，所以在焊絲中要加入微量的錳和鈦,。

2.2 氣孔

和低碳鋼,、低合金鋼相比，鐵鎳基耐蝕合金在氧化性焊接氣氛中,，易形成氣孔,。因此，焊接時要嚴(yán)格控制焊縫金屬中氧的含量,，焊前必須清除坡口及其附近的氧化皮,、各種油漆涂料等[2]。對焊條電弧焊,，盡可能選用具有脫氧作用的鈦鈣型藥皮焊條,，并嚴(yán)格控制焊接氛圍中還原性物質(zhì)的含量。

3 試驗材料和方法

試驗材料選用寶鋼特鋼有限公司生產(chǎn)的20 mm厚板,，采用焊條電弧焊進行連接,，焊接材料采用美國SMC公司生產(chǎn)的直徑為2.4 mm的Inconel filler metal 82焊絲與直徑為3.2 mm的Inco-weld A 電焊條，鎢極氬弧焊打底,，確保焊縫根部熔透,，焊條電弧焊填充和蓋面。電源采用Fronius的TT4000,，相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)見表3,，控制層間溫度在150 ℃以下。焊條需要進行300 ℃,1 h的烘干,，放在保溫箱中隨用隨取,。

表3 焊接工藝參數(shù)

焊道焊接方法焊材規(guī)格d/mm焊接電流I/A電弧電壓U/V焊接速度v/(mm·min-1)1TIG焊2.412010～121702SMAW3.290～9523～25200～300

4 焊接接頭的性能和組織

20 mm厚的N08800焊接接頭的平均抗拉強度為565 MPa，等同于母材實物抗拉性能,。

常溫下焊接接頭的沖擊性能如圖1所示,，可見,焊條電弧焊焊縫金屬的沖擊吸收能量最低，隨著缺口位置遠(yuǎn)離焊縫金屬,，沖擊吸收能量逐漸提高,，直至達到最大平均沖擊吸收能量,即母材的328 J。

圖1 焊接接頭的沖擊性能(常溫)

焊條電弧焊焊接接頭的照片如圖2所示,，通過控制焊接熱輸入,，保證層間溫度150 ℃，能夠獲得理想的熱影響區(qū)寬度,，熱影響區(qū)寬度僅為0.74 mm,。熱影響區(qū)晶粒長大不明顯。宏觀金相分析顯示,，通過控制焊接熱輸入,，焊縫區(qū)域焊接質(zhì)量良好，未出現(xiàn)熱裂紋等鎳基合金焊接中容易產(chǎn)生的缺陷。

圖2 焊接接頭宏觀體視形貌

焊接接頭的顯微組織如圖3所示,?？梢姡附訜嵊绊憛^(qū)的組織并沒有顯著的粗化現(xiàn)象,，這是由于在焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入以及層間溫度,，避免由于熔池的流動性不良以及過高的熱輸入造成焊接熱裂紋(結(jié)晶裂紋和液化裂紋)的出現(xiàn)。熱影響區(qū)也呈現(xiàn)典型的單相組織,，在焊接熱循環(huán)作用下,，熱影響區(qū)晶粒沒有顯著的長大。焊接接頭的熔合區(qū)呈現(xiàn)聯(lián)生組織狀態(tài),，焊縫為典型的樹枝晶形態(tài),。

采用焊條電弧焊焊接方法進行焊接得到的接頭在540 ℃和760 ℃兩個溫度下焊接接頭的抗拉強度分別為495 MPa和305 MPa，等同于國外產(chǎn)品性能水平,。

圖3 焊接接頭以及熱影響區(qū)的顯微組織

5 結(jié) 論

(1)寶鋼N08800鋼種具有很好的焊接性,，在一定的工藝條件下，焊接接頭的性能達到國外同類產(chǎn)品的性能水平,。

(2)N08800耐蝕合金母材為單一奧氏體組織,，在一定的焊接熱輸入條件下，焊接熱影響區(qū)晶粒組織沒有顯著粗化,，且焊接熱影響區(qū)的寬度非常窄,。

參考文獻：

[1] 肖 越.UNS N08811鐵鎳基合金焊接[J].壓力容器，2010(4):36-38.

[2] 梁旭琴,，陳其驥.UNSN08811鋼板的焊接[J].焊接技術(shù),，2005(5):23-26.

收稿日期： 2016-02-18

中圖分類號： TG457.11

作者簡介： 王寶森，1972年出生,，博士,，高級工程師。主要從事不銹鋼,、鎳基合金,、鈦合金等鋼種的焊接工藝和匹配焊接材料研究與開發(fā)，已發(fā)表論文20余篇,。