張繼春 郝 蘭 張 妍 張傳杰

(南京天華化學(xué)工程有限公司)

UNS N08120合金是一種固溶強(qiáng)化的耐熱合金，該合金有極高的高溫強(qiáng)度、很好的抗?jié)B碳和硫化的能力。UNS N08120的抗氧化性很好，比得上任何一種廣泛使用的Fe-Ni-Cr合金(如300系列不銹鋼、800H和800HT)，筆者就UNS N08120的焊接工藝和焊接缺陷原因進(jìn)行分析，提出缺陷的修補(bǔ)方法。

1 UNS N08120材料性能

UNS N08120合金(按ASTM SB409標(biāo)準(zhǔn))的化學(xué)成分、物理性能和力學(xué)性能分別見表1～3，常溫下屬單相奧氏體組織。

表1 UNS N08120合金主要化學(xué)成分 %

表2 UNS N08120合金物理性能

表3 UNS N08120合金力學(xué)性能

一般來說，金屬腐蝕主要是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其中以電化學(xué)腐蝕為主,即金屬表面有電解質(zhì)溶液存在形成微電池，而Cr的加入使合金形成單相奧氏體組織。同時(shí)加入Cr可提高奧氏體電極電位，因此合金不易腐蝕，且耐腐蝕性能較好[1]。

2 UNS N08120材料的焊接

UNS N08120合金可采用鎢極氣體氬弧焊(TIG)、金屬極保護(hù)氣體弧焊(MIG)和手工電弧焊(SMAW)進(jìn)行焊接，不推薦使用埋弧焊，因?yàn)槁窕『篙斎霟崃扛?，易造成扭曲和熱裂紋。

2.1焊接材料的選擇

由于UNS N08120合金沒有專用焊材，為更好地控制焊接質(zhì)量，減少焊接時(shí)產(chǎn)生的熱裂紋，選擇手工氬弧焊焊接。采用AWS A5.9 ER3556焊絲焊接19mm以下的厚度，更厚的則使用AWS A5.14 ERNiCrMo-2焊絲，兩種焊絲的化學(xué)成分見表4。

表4 AWS A5.9 ER3556及AWS A5.14ERNiCrMo-2焊絲的化學(xué)成分 %

2.2UNS N08120合金加工特點(diǎn)

UNS N08120合金加工特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

a. 焊接接頭設(shè)計(jì)。此合金與不銹鋼相比流動(dòng)性和滲透性較差，焊接接口的設(shè)計(jì)應(yīng)留出足夠的空間(坡口角度為60～80°)。

b. 切割及坡口加工。UNS N08120合金可采用等離子切割、車床加工或氣弧刨來刨邊；所有使用熱切割(有氧化層)刨邊的需要打磨到光亮的金屬。

c. 材料卷制成型。因材料的屈服強(qiáng)度較高、硬度較大，剪切和彎制成型相對(duì)不銹鋼和碳鋼來說更難，因此卷制時(shí)最好帶頭。

d. 焊接接頭的清潔。焊接接頭附近的區(qū)域在焊接前要徹底清潔，所有的油脂、油污、粉筆記號(hào)及硫化物等非基體金屬的物質(zhì)都要被清除。

e. 接頭焊接。采用鎢極氬氣保護(hù)焊，點(diǎn)焊及焊第一道時(shí)均采用背面充氬氣保護(hù)。

f. 焊接接頭的打磨。盡量使用短電弧來保持電弧的穩(wěn)定性和對(duì)熔池的控制，在開始的地方可能出現(xiàn)氣孔，而結(jié)束的地方可能出現(xiàn)弧坑。起弧和收弧處的焊肉采用不含硫化鐵的砂輪進(jìn)行打磨，并使用不銹鋼鋼絲刷清理干凈。

g. 預(yù)熱要求。如果被焊金屬不低于0℃，則不需要預(yù)熱。

h. 層間溫度要求。層間溫度必須要在93℃以下(UNS N08120合金的導(dǎo)熱性差，比316不銹鋼小55%)；如果需要快速冷卻則焊道中間要用輔助冷卻(水冷或快速空冷)的方法，但要求這些方法不能帶入污染物。

i. 熱處理。對(duì)UNS N08120合金來說，焊后通常不進(jìn)行熱處理。

j. 焊接設(shè)備。選擇具有高頻起弧、預(yù)先/延時(shí)噴氣和電流控制(腳控制板)的電源；焊槍保護(hù)罩上要帶有優(yōu)化保護(hù)氣的絲網(wǎng)。

k. 加工禁忌。嚴(yán)禁采用氧炔焰切割；不能使用含有硫、氯、氟的溶液清洗焊接接頭處，不能留下殘留物。

2.3焊接工藝

針對(duì)厚度為10mm的UNS N08120板材筒體對(duì)接縱環(huán)縫焊縫，筆者選擇AWS A5.9 ER3556焊絲進(jìn)行氬氣保護(hù)焊，正面氣體流量14L/min。坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖1 坡口形式

焊層焊接方法焊材牌號(hào)焊材規(guī)格/mm電流種類電流/A電壓/V外1GTAWER3556?2.4直流正接80～13012～18內(nèi)1GTAWER3556?2.4直流正接80～13012～18內(nèi)1GTAWER3556?3.2直流正接100～15012～18

焊接接頭采用大角度坡口，單面焊雙面成形結(jié)構(gòu)。清理待焊區(qū)坡口兩側(cè)不小于50mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等，可采用四氯化碳清洗；焊絲表面不得有油污等雜質(zhì)。使用正確的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊，點(diǎn)焊處不得有任何缺陷，如有缺陷必須處理后方可焊接，而且也不能有氧化黑皮等雜質(zhì)。內(nèi)側(cè)氬弧打底，背面做好充氬氣保護(hù)，背面有少量氧化可進(jìn)行打磨清理，但必須清理干凈氧化層，打磨至金屬光澤，外側(cè)角磨機(jī)清根打磨光潔后再進(jìn)行氬弧焊焊接。起弧和收弧處的焊肉采用不含硫化鐵的砂輪進(jìn)行打磨，并使用不銹鋼鋼絲刷清理干凈；采用不銹鋼刷清理焊道至金屬光澤，焊道每一層保持無氧化雜質(zhì)，打焊工鋼印。檢查焊縫表面不得有裂紋、氣孔、咬邊及夾鎢等缺陷，特別注意起弧、收弧處縮孔裂紋及氧化等缺陷；焊接接頭圓滑過渡，焊后余高不大于1mm。所有縱環(huán)焊縫進(jìn)行100%RT探傷，按JB/T 4730.2-2005的規(guī)定，質(zhì)量等級(jí)AB級(jí)，Ⅱ級(jí)合格。

3 焊接缺陷及原因分析

3.1焊接缺陷

由于國內(nèi)UNS N08120使用較少，在實(shí)際焊接操作中又出現(xiàn)了一些問題，筆者對(duì)焊接試板進(jìn)行1 000℃高溫拉伸及金相檢驗(yàn)。樣板厚為 6mm，焊件整體尺寸均為300mm×300mm。均采用TIG焊接方法，焊接材料為AWS A5.9 ER3556焊絲，正反面開V形坡口進(jìn)行焊接，焊接電壓為13～14V，電流105～110A，焊接速度150mm/min，層間溫度小于60℃，焊接保護(hù)氣采用99.99%的氬，流量14L/min，正面3道，背面兩道。在筒體縱縫實(shí)際焊接過程中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭熔合線附近易產(chǎn)生45°左右的微裂紋，長度2～3mm；為消除焊接接頭處的裂紋缺陷，對(duì)缺陷的焊接接頭進(jìn)行返修，部分焊接接頭返修次數(shù)超過兩次。

根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，焊接試樣化學(xué)成分符合要求。觀察焊接原始態(tài)及焊后熱處理態(tài)(1 050℃保溫4h，隨后水冷至室溫)微觀組織，如圖2～5所示?？梢钥闯鯤R-120母材1 050℃ 時(shí)效4h后組織晶粒稍顯不均勻，晶界有碳化物析出。但高溫合金中碳化物的微弱析出屬正?，F(xiàn)象，可以在高溫時(shí)提高合金的強(qiáng)度。這點(diǎn)與耐腐蝕合金的低碳性、無析出、晶粒度要求較細(xì)略有不同。

圖2 母材原始組織

圖3 熱處理后母材組織

圖4 原始焊縫組織(奧氏體鑄態(tài)枝晶結(jié)構(gòu))

圖5 熱處理后焊縫組織

3.2缺陷原因分析

焊接過程中產(chǎn)生的熱裂紋通常在焊縫中，偶爾也會(huì)出現(xiàn)在熱影響區(qū)。熱裂紋的發(fā)生有兩個(gè)必要條件：應(yīng)力和“無法容忍應(yīng)變的微觀組織”。應(yīng)力在焊接中是不可避免的，這是因?yàn)榻饘倌虝r(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力?！盁o法容忍應(yīng)變的微觀組織”會(huì)在所有合金接近熔化和凝固點(diǎn)附近的高溫區(qū)臨時(shí)形成。

表面污染(比如硫)會(huì)導(dǎo)致熱裂紋；特殊的幾何形狀(如凹陷的焊縫和淚滴狀的熔池)也會(huì)導(dǎo)致熱裂紋[2]。鎳基鈷基合金是比較粘的，不像碳鋼那樣流動(dòng)性好，不容易浸潤側(cè)邊，所以焊接時(shí)需把熔池放在合適的位置。除了流動(dòng)性差之外，熔深也比普通碳鋼或者不銹鋼淺。因此，未熔合的可能性就比較大。

4 焊接返修方案及結(jié)果

4.1返修方案

因部分焊縫的返修次數(shù)超過兩次，筆者制定并經(jīng)技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)實(shí)施的返修方案如下：

a. 對(duì)于有缺陷或者裂紋的焊縫，在補(bǔ)焊前需要將缺陷完全打磨干凈,打磨用角磨機(jī)不得大于φ100mm；對(duì)打磨后的焊縫進(jìn)行PT檢驗(yàn)，確認(rèn)缺陷消除，必要時(shí)可以磨穿焊縫。

b. 在打磨焊縫的時(shí)候，盡量將開口磨大，以便焊接時(shí)能夠焊透，增加電流(最高150A)可以緩解未熔合的問題。

c. 返修補(bǔ)焊時(shí)的工藝參數(shù)參照工藝評(píng)定的參數(shù)進(jìn)行，在起弧的時(shí)候填絲要足夠，不要試圖擺動(dòng)焊槍焊絲來熔化周圍材料進(jìn)行填補(bǔ)。

d. 焊接收弧的時(shí)候可能產(chǎn)生肉眼不可見的弧坑裂紋，使用電流控制踏板可以緩解；最好的方法是進(jìn)行打磨，或者將收弧位置移至修補(bǔ)位置之外再磨掉?？梢杂肞T檢驗(yàn)每道焊縫來確認(rèn)沒有裂紋；如果在有弧坑裂紋的位置繼續(xù)起弧，有較大概率的裂紋擴(kuò)展。

e. 如果開口過大無法填滿，可以預(yù)制一塊紫銅板，焊接時(shí)襯于焊縫開口背面，起到保護(hù)和維持熔池位置的作用。

f. 每焊接一道，采用PT檢測合格后，用酒精徹底清潔焊縫兩側(cè)大約25mm范圍，保證沒有殘留PT試劑或者其他污染物，再進(jìn)行下一道焊接。

4.2返修結(jié)果

按照目前的返修工藝返修UNS N08120焊接缺陷，返修后焊縫進(jìn)行100%RT探傷，按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.2-2005的規(guī)定全部Ⅱ級(jí)合格。為掌握返修次數(shù)對(duì)焊縫的影響程度，筆者分別制做了模擬焊縫返修5次、4次、3次、2次及母材共5類焊接試板，送具有檢驗(yàn)資質(zhì)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高溫拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)(960℃)，結(jié)果顯示試樣均在母材處斷裂；返修次數(shù)越高其焊接接頭的高溫抗拉強(qiáng)度越大，但易產(chǎn)生熱敏性裂紋；返修次數(shù)越多，焊接變形越大。

5 結(jié)論

5.1采用手工氬弧焊，保持焊絲的加熱端始終在氬氣的保護(hù)下，為加強(qiáng)保護(hù)效果，可在焊嘴后側(cè)加一輔助輸送保護(hù)氣托罩，焊接過程中氬氣保護(hù)要充分，否則易產(chǎn)生氧化、未焊透、未熔合等缺陷。

5.2焊接中應(yīng)確保引弧和收弧的質(zhì)量，收弧的弧坑應(yīng)填滿。在保證焊透和熔合良好的前提下，在工藝參數(shù)范圍內(nèi)盡量采用小的焊接線能量、短電弧、小擺動(dòng)的焊接方法，以保證填滿弧坑。焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度。

5.3焊接接頭盡量選擇較大的坡口角度和較小的鈍邊，接頭表面成形應(yīng)盡量凸起，自然成形，不使焊縫拉平或凹下。

5.4保證焊接前后及焊接過程中的清潔，清理時(shí)采用專用清洗液和專用工具。

5.5同一部位焊接接頭的返修次數(shù)不宜超過兩次，應(yīng)將返修的部位、次數(shù)和檢測結(jié)果做好記錄存檔。

[1] 孫延永. HAYNES UNS N08120合金性能分析[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2005,34(2):21～22.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.