劉應(yīng)虎 葉小松 何 鵬 鄭 強

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司核電石化事業(yè)部，四川618013)

試驗研究

TP347與N08825管對接GTAW焊接工藝研究

劉應(yīng)虎 葉小松 何 鵬 鄭 強

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司核電石化事業(yè)部，四川618013)

347系列不銹鋼材料和N08825鎳基合金焊接性差異較大，焊接具有一定難度。通過焊接工藝評定論述了TP347與N08825管對接全位置GTAW焊接工藝要領(lǐng)和焊接參數(shù)，為焊接同類異種材料提供了參考。

焊接工藝；焊接參數(shù)；異種材料

在某加氫裂化裝置設(shè)備生產(chǎn)中，我單位初次涉及到了不銹鋼材料347與鎳基合金N08825材料的焊接。由于對這兩種材料沒有成熟的焊接工藝，為了更好地掌握該類異種金屬的焊接，試驗人員在試驗和工藝評定的基礎(chǔ)上，采用了?89 mm×8 mm的TP347不銹鋼管與相同規(guī)格的N08825鎳基合金管材進行了焊接，通過采用全位置焊接方式，對不同位置的焊接工藝參數(shù)進行了探索和分析。通過對焊接接頭進行無損和破壞性試驗，分析了該類異種金屬的焊接要領(lǐng)和焊接工藝參數(shù)，為同類異種材料的焊接提供了技術(shù)參考。

1 焊接工藝方案的設(shè)計

焊接試驗人員根據(jù)試管規(guī)格，選用了如圖1所示的坡口形式進行了TP347與N08825管對接焊接工藝評定及試驗。試管壁厚δ= 8 mm，坡口角度60°，坡口鈍邊P=(1～2)mm，間隙預(yù)留b=(2～3.5)mm。在實際生產(chǎn)中，V型坡口較U型坡口便于加工，對于壁厚小于18 mm的工件，其V型坡口便于焊接，所以通常優(yōu)先選用V型坡口。對于其它壁厚的工件，可以選用U型坡口，這樣可以保證較窄的熔敷金屬，有利于保證工件接頭的綜合性能。在焊接時坡口間隙預(yù)留(2～3.5)mm，便于實現(xiàn)單面焊背面成形，焊接人員也可以根據(jù)操作習(xí)慣進行適量調(diào)節(jié)。

圖1 TP347與N08825試管對接接頭坡口形式Figure 1 The groove type of butt joint for Tube TP347 and N08825

2 焊接性分析

N08825材料是Ni-Fe-Cr型合金，也常被稱為鐵鎳基合金，一般合金中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于30%，而鎳+鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于65%，其材料特性與NS142相近。單一的該類材料，由于Ni含量較高，使該類合金具有較好抗應(yīng)力腐蝕開裂性，其在氧化環(huán)境中和在還原環(huán)境下都具有抗酸堿腐蝕的特性，在一些特殊環(huán)境中應(yīng)用較多，但是成本較高。TP347不銹鋼管，與板材1Cr18Ni11Nb和0Cr18Ni11Nb的成分相當(dāng)，是工程中常用的奧氏體型不銹耐酸鋼，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空、核電等工業(yè)中，在酸、堿、鹽等各類溶液中具有良好的耐腐蝕性能。這兩類管材的化學(xué)成分范圍見表1。

對于同種材質(zhì)SB-163 N08825 Ni基管件的坡口對接焊，當(dāng)采用手工鎢極氬弧焊GTAW工藝進行焊接時，通?？梢赃x用ERNiFeCr-1、N08065類別的鎳基焊絲，該類焊絲的成分和性能與N08825母材相似。也可以選擇ERNiCr-3、N06082類別的鎳基焊絲進行N08825類母材的焊接。通常在進行該類材料的焊接時，焊接接頭容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋和多變化裂紋等熱裂紋缺陷。另外，在實際產(chǎn)品焊接過程中，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因，其接頭通常處于受拘束狀態(tài)，在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋的傾向更大。因此對于該類材料的焊接工藝試驗或評定，應(yīng)考慮將試件處于剛性固定的條件下進行試驗，這樣更能模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況，使焊接工藝和措施更加合理。

表1 N08825與TP347管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of tube N08825 and TP347 (mass fraction, %)

對于鎳基合金管材N08825，合金元素較多，特別是Ni含量通常達到38%，母材組織為單相的奧氏體組織，該組織對合金元素的熔解有一定的限制。在實際產(chǎn)品的焊接過程中，部分母材熔化形成焊縫的一部分，而焊接材料中的Ni含量也比較高，這樣母材或者焊材中的S、P雜質(zhì)元素容易與熔池中的Ni元素或者Fe元素發(fā)生反應(yīng)，快速生成低熔點共晶體，如Ni-Ni3S2、Ni-Ni3P、Fe2S3等類別的低熔點共晶體[1]。這類低熔點共晶體容易偏析于晶界，另外該類合金的韌性又較好，容易產(chǎn)生變形，在生產(chǎn)過程中容易形成焊接應(yīng)力而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。另外，該類材質(zhì)的焊縫金屬在凝固時容易形成方向性很強的單奧氏體柱狀晶體，當(dāng)?shù)腿埸c共晶體偏析于柱狀晶體之間時，也容易產(chǎn)生晶間開裂。因此在選用焊接材料時，需要控制S、P成分含量，過高的S、P元素將使焊縫產(chǎn)生熱裂紋的趨勢增加。

對于Ni基合金與不銹鋼的焊接，一般應(yīng)選擇與母材Ni基合金相似的Ni合金焊材作為填充材料。如果選用不銹鋼焊材，則不銹鋼材料在焊接Ni基母材時，形成焊縫的熔合線附近Ni含量差異較大，容易導(dǎo)致熔合線兩側(cè)合金特性差異較大，這時容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力而導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生。Ni基焊材在焊接熔池中的合金含量非常高，容易存在晶格缺陷密度較大的部位[2]。在位錯移動過程中晶格缺陷容易形成超顯微裂紋，在焊接應(yīng)力作用下發(fā)展為微裂紋并延伸到結(jié)晶前沿，有析集毛細(xì)現(xiàn)象的作用，從熔池液態(tài)金屬中吸收S、P等雜質(zhì)元素，這種表面活性物能夠逐漸滲入微裂紋表面，使裂紋擴展的表面能降低，于是裂紋隨著晶體凝固生長而不斷擴展，最終擴展為宏觀裂紋。文獻[2]認(rèn)為多邊化所需要的激活能越高，裂紋形成的時間就越長，在焊縫金屬中添加提供激活能的合金元素Mo、W、Ti、Ta等能有效阻止多邊化裂紋的產(chǎn)生，而合金中的雜質(zhì)則會起著相反作用。

焊接時的應(yīng)力狀態(tài)也是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的一個重要因素。焊接應(yīng)力增加了原子的活動性，能加速多邊化裂紋形成，因此在焊接過程中應(yīng)該盡可能地減少焊接應(yīng)力。

對于不銹鋼材料347與鎳基合金N08825材料的焊接，主要從低熔點共晶體的形成、高合金熔池的晶格缺陷和焊接應(yīng)力三個方面來控制焊接質(zhì)量。為了較好實現(xiàn)該類材料的焊接，技術(shù)人員應(yīng)選擇雜質(zhì)元素較少的焊接材料，并較好地控制層間溫度，盡量降低熔池溫度，采用偏下限焊接線能量進行工件的焊接。例如，焊接時最大層間溫度不超過100℃，采用GTAW的焊接線能量控制在18 kJ/cm范圍內(nèi)較合適，焊接過程中盡量對稱施焊，以減少焊接應(yīng)力。

3 焊接工藝評定

通過對該類材料焊接特性分析，選用了牌號為Alloy 625的鎳基焊絲，焊絲規(guī)格為?2.4 mm，同時需要采用純度較高的氬氣作為保護氣體，99.999%以上純度為佳。為了模擬產(chǎn)品的焊接形式，采用了45°固定向上的焊接位置，其具體的焊接工藝參數(shù)見表2。焊接過程中為了防止氧化，需要在試管內(nèi)進行充氬保護。

依據(jù)表2的焊接參數(shù)，完成了兩組試管的對接焊。由于試管壁厚較薄，每對試管只需焊接4層。焊接過程中應(yīng)控制好層間溫度，焊接過程中層間溫度最高為100℃。兩組試件焊完后，按照J(rèn)B 4730—2005標(biāo)準(zhǔn)進行RT無損檢測，結(jié)果均為I級合格。對于同類試件，隨著規(guī)格和厚度發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)實際情況合理調(diào)整焊接參數(shù)。

表2 TP347與N08825試管的焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of tube TP347 and N08225

表3 焊接接頭拉伸試驗結(jié)果Table 3 The results of tension test of butt joint

表4 焊接接頭側(cè)彎試驗結(jié)果Table 4 The results of side bend test of butt joint

按照NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求實施了TP347與N08825管對接的力學(xué)性能試驗。接頭拉伸試驗結(jié)果見表3。兩件全截面接頭板材拉伸的斷裂部位均在TP347母材側(cè)，其強度指標(biāo)滿足母材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，接頭強度合格。接頭側(cè)彎試驗結(jié)果見表4。彎曲試驗進行了兩件面彎和兩件背彎，四件彎曲的焊接接頭部位均未出現(xiàn)裂紋，彎曲一次合格。

圖2為TP347與N08825管對接的橫截面低倍形貌。通過對焊態(tài)接頭進行低倍組織檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫與母材熔合良好，該接頭部位未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、未焊透、裂紋等焊接缺陷。

圖2 TP347 與N08825管對接的橫截面低倍形貌Figure 2 The macro appearance of the cross section of pipe butt with TP347 and N08825

4 焊接措施

通過對TP347與N08825管對接焊接工藝評定及試驗，得出采用以下的焊接工藝措施可以獲得較好的焊接接頭。

(1)焊前要認(rèn)真清理和打磨試管坡口及坡口兩側(cè)，使其露出金屬光澤，對試件接管內(nèi)外表面進行檢測，對坡口出現(xiàn)的凹坑應(yīng)打磨圓滑過渡，以免影響無損檢測結(jié)果。

(2)注意清除焊材表面的油污，油污容易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔。

(3)在焊接第一層時需采用單面焊背面成形技術(shù)，Ni基材料和不銹鋼在焊接過程中容易氧化，試管的背面需要采用氬氣保護，先充氣5 min后再進行焊接，同時注意坡口邊緣的密封，焊接時氬弧焊槍噴嘴應(yīng)緊貼坡口表面轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的同時焊槍自然移動[3]。操作人員要注意控制好焊槍與焊縫的夾角，避免焊接過程中氬氣保護不良造成焊縫局部氧化，在焊接第一層收尾處，要考慮背面預(yù)先充的保護氣體的氣流對焊縫質(zhì)量的影響。在實際產(chǎn)品中，該類接頭通常無法進行內(nèi)部打磨，為了防止打底焊縫內(nèi)凹，打底焊時在仰焊位置可以采用內(nèi)填絲，其它位置采用外填絲法進行焊接。

5 結(jié)論

采用GTAW焊接方法，選用Alloy 625 Ni基焊絲可以較好實現(xiàn)TP347 與N08825材料的焊接。在實際工藝中應(yīng)采用雜質(zhì)元素含量較少的焊材，以免焊縫出現(xiàn)裂紋等缺陷。在焊接過程中，當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時，焊前應(yīng)將焊材預(yù)熱到至少l0℃以上，同時控制層間溫度小于100℃，在較低的層間溫度進行焊接有利于提高焊縫質(zhì)量，同時其焊接線能量控制在18 kJ/cm以下為宜。

[1] 劉中青,邸斌.異種材料的焊接[M].北京:科學(xué)出版社,1991.

[2] 顧鈺熹.特種過程材料的焊接.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[3] 劉應(yīng)虎.鎳基焊材焊接復(fù)合鋼接管的試驗研究和應(yīng)用.焊接,2011(4).

編輯 杜 敏

Research on GTAW Welding Process of Pipe Butt of TP347 and N08825

Liu Yinghu, Ye Xiaosong, He Peng, Zheng Qiang

There is a great difference on the weldability between 347 series stainless steel material and N08825 nickel base alloy, and there is a certain difficulty for welding. The main points and the welding parameters of all-position GTAW welding process for TP347 and N08825 pipe butt have been discussed by means of welding procedure qualification, so as to provide a reference for other dissimilar material welding.

welding process; welding parameters; dissimilar material

2016—07—20

TG441.2

B