镍基材料焊接技术研究及应用

张勇

【摘 要】镍基材料的焊接裂纹,尤其是结晶裂纹是该类材料焊接技术的关键问题,文中阐述了镍基材料焊接结晶裂纹形成机理、影响因素和工艺试验方法,分析了该材料焊接工艺技术特点以及实际应用情况.%Nickel base material of welding cracks,especially the crystallization crack is the key problem in the study of the welding technology of this materials. This paper expounded the nickel base material welding process test method of crystallization crack, crack formation mechanism, influencing factors, etc., and analyzed the welding technology characteristic and application of materials. 【期刊名称】《炼油与化工》 【年(卷),期】2015(026)005 【总页数】4页(P51-)

【关键词】镍基材料;结晶裂纹;焊接;应用 【作 者】张勇

【作者单位】大庆石化公司机械厂,黑龙江大庆163714 【正文语种】中 文 【中图分类】TG457.1

镍基材料具有独特的物理、力学和耐腐蚀性能，良好的高温和低温力学性能，广泛应用于石油化工设备上。在石油化工设备的镍基材料国产化过程中，控制其焊接性

能是关键问题。该类材料的焊接，结晶裂纹敏感性大是最为严重的问题，结晶裂纹的存在与扩展将会对设备的安全可靠运行造成危害，必须采取措施防止其产生。 在评定镍基材料焊接结晶裂纹时，大多采用可调拘束试验方法。可调拘束试验方法评定焊接结晶裂纹的判据主要包括：裂纹长度、脆性温度区间（BTR）、开裂临界应变量（ε）、临界应变速率（CST）和裂纹敏感系数（HCS）。对于镍基材料，采用CST结合εmin作为评定判据，可以较为全面和准确地评定该类材料的焊接结晶裂纹敏感性［1］。

对于镍基材料的焊接结晶裂纹的形成机理，多数研究者倾向于拉伸液膜理论：结晶裂纹主要是基于溶质偏析形成低熔点共晶液膜，在收缩产生的拉应力作用下而产生的。焊缝结晶过程可以分为4个阶段：第1阶段是自由结晶区；第2阶段是接触、生长结晶区；第3阶段是临界结晶区；第4阶段是固相区，结晶裂纹产生于第3阶段［2］。

从镍基材料焊接结晶裂纹形成的本质来看，其最主要的影响因素是冶金元素，即材料的化学成分。影响镍基材料焊接结晶裂纹敏感性的主要化学元素包括：Mn、Nb、Mo、Al、Ti等合金元素，S、P、Si等杂质元素以及N、H、O等气体元素［3］。

3.1 Mn、Mo、Al和Ti元素

Mn、Mo、Al和Ti元素的适量加入，有利于抑制低熔点化合物的生成、提高共晶温度、细化晶粒，从而改善抗结晶开裂性能，也能起到抑制氢致显微裂纹的作用。 3.2 Nb和杂质元素

镍基材料中，Nb和杂质元素（包括S、P、Si等）的存在，能够促使低熔点金属间化合物的生成，而且会产生比较严重的晶界偏析现象，增大材料的结晶裂纹敏感性。

3.3 气体元素

镍基焊缝金属中残留的H、N、O等气体元素不但增加了低熔点共晶体的量，而且易产生较高的应力，增加了焊缝结晶裂纹敏感性。

某石化公司苯乙烯装置反应器再热器和CST蒸发器的制造中应用了镍基800H和镍基No6600 2种镍基材料，在产品正式焊接前，分别采用ENiCrFe-2、

ENiCrFe-3和ENiCrCoMo-1焊条在不同焊接参数下进行8组模拟焊接工艺试验，其中采用ENiCrFe-2和ENiCrFe-3焊条的试件在扫描电镜均下发现镍基焊缝结晶裂纹，见图1～3。

图1 是镍基焊缝呈现液化现象的断口，其位置在试样的顶角处，即弯曲试件的棱边（靠表面），是起裂区；图2是图1的局部放大，其中液化造成的圆滑形貌清晰可见；图3是镍基合金焊缝结晶裂纹形貌。

在模拟试验的基础上，最终采用ENiCrCoMo-1焊条作为主焊材进行焊接工艺评定试验，获得了合格的试验结果，并成功应用于设备制造。现以800H材料为例，阐述试验过程及检测结果。 4.1 材料复验

对材料进行的复验，采用盐酸—氯化铁溶剂按YB/T5148-1993（ASTM E112）标准进行检验，检验晶粒度级别为3级。800H材料的化学成分和力学性能复验结果见表1，2。 4.2 焊材选择

800H自身焊接焊丝采用ERNiCrCoMo-1、焊条采用ENiCrCoMo-1［3］。焊丝、焊条的化学成分［4］见表3，4。 4.3 焊接方法及焊前清理

采用GTAW+SMAW，试板700×220×38 mm，2件，加工不对称X形坡口见图4，焊接参数见表5。 焊接前清理要求及注意事项：

（1）焊接前应将焊缝坡口2侧不小于30 mm范围内的区域进行机械方法清理，清理到露出金属光泽为合格［4］。

（2）焊缝只允许采用砂轮清根，不允许使用含硫（硫化铁）的砂轮清理焊缝。 （3）所有焊接起始点均在坡口内。

（4）焊接完毕后，必须进行打磨，打磨到露出金属光泽为合格，确保焊道表面没有氧化皮和焊渣存在。 4.4 焊接质量检验

（1）对焊接接头外表面观察，焊缝呈银白色和淡黄色的金属光泽，属于良好的保护等级。经宏观检查和X射线无损探伤证明，焊缝截面丰满，余高合理，未发现气孔、未熔合及未焊透等缺陷。 （2）焊接接头的力学性能

该次焊接工艺试验测试的焊接接头试样的力学性能、硬度、晶粒度均满足要求，表明该焊接接头具有优良的综合性能［5］。 （3）接头的显微组织

800H焊接接头的显微组织为柱状晶奥氏体，热影响和母材为奥氏体。 （1）控制母材、焊材的化学成分，是解决镍基材料焊接结晶裂纹的前提条件。 （2）镍基材料（800H）的焊评试验表明，只要焊材选用合适、焊接工艺合理就能够获得符合设计要求的焊缝质量。

（3）苯乙烯装置已投入运行超过6 a，设备的各项性能满足或高于设计指标。经中国特检院定期检验评定安全状况等级为1级，2个大检修期的检查未发现异常情况。

【相关文献】

［1］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）材料的焊接［M］.北京：机械工业出版社，1992：451-453.

［2］俞尚知.焊接工艺人员手册［M］.上海：上海科学技术出版社，1991：220-223. ［3］尹士科.焊接材料手册［M］.北京：中国标准出版社，2000：616-612. ［4］施允威.镍基合金的焊接［J］.化学工业与工程技术，2007（3）：27-29.

［5］董志波，马瑞，王勇，等.镍基合金焊接熔池凝固组织模拟［J］.焊接学报，2010，31（6）：27-30.