馮義，蔣能東，石美道，王彬，萬一

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

哈氏合金彎管支承環(huán)焊接技術(shù)研究

馮義，蔣能東，石美道，王彬，萬一

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

彎管支承環(huán)是燃燒器的重要組成部件，對機組運行安全性和工作效率有重要影響，其材料為哈氏合金，材料特殊，產(chǎn)品技術(shù)要求高，制造工藝復(fù)雜，尤其是焊接技術(shù)方面。文章結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料性能特點，對哈氏合金的焊接工藝性進(jìn)行了深入分析，并對彎管支承環(huán)的焊接工藝參數(shù)、焊接缺陷預(yù)防及控制措施進(jìn)行了深入研究和探索。

燃燒器，哈氏合金，焊接技術(shù)，焊接工藝性

0 引言

燃機彎管支承環(huán)是燃汽輪機燃燒器的重要組成部件，其工作條件惡劣，工作過程中要長期受到高溫高壓燃?xì)獾臎_擊，還要經(jīng)受侵蝕性介質(zhì)的腐蝕，是影響機組的工作效率和運行安全性的關(guān)鍵部件之一。

為了滿足運行工況要求，燃機彎管支承環(huán)本體采用了具備高強度、高韌性和高耐蝕性的哈氏合金材料，同時為延長使用壽命并最大限度地節(jié)約材料，設(shè)計上采取了法蘭和環(huán)體組焊成一體的結(jié)構(gòu)型式。

哈氏合金是一種有極低含碳量和含硅量的鎳基合金，但不同于一般的純鎳基合金，它以鉻鉬作為主要的合金元素，旨在提高對各種介質(zhì)和溫度的適應(yīng)能力。作為一種高溫耐蝕鎳鉻鉬合金，哈氏合金具備高強度、高韌性、高耐蝕性的材料性能特點，目前廣泛應(yīng)用于高溫高壓及惡劣的腐蝕工作環(huán)境，如化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域。

1 研究背景

現(xiàn)階段在國外，哈氏合金焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和航空汽輪機 （燃燒室、整流器等）、工業(yè)爐部件、石油化學(xué)爐、高溫氣體冷卻核反應(yīng)堆等領(lǐng)域，但在國內(nèi)，針對哈氏合金的焊接大多基于工程實踐，焊接方法也大多為手工焊，激光焊和真空電子束焊處于起步階段。

燃燒器作為燃汽輪機的關(guān)鍵核心部件，其設(shè)計技術(shù)要求高，制造工藝復(fù)雜，公司在燃燒器的研制方面目前仍處于探索階段，缺乏類似產(chǎn)品制造經(jīng)驗，尚無成熟的制造技術(shù)，長期以來只能依靠成品采購，生產(chǎn)成本一直居高不下。在這樣的形勢下，開展彎管支承環(huán)焊接技術(shù)的研究和探索工作，不僅對保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)出有重要意義，而且對于推動燃燒器的國產(chǎn)化進(jìn)程也具有不可估量的價值。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

彎管支承環(huán)由環(huán)體與法蘭組焊而成，為小環(huán)形焊接件，其直徑不超過250 mm，組焊縫坡口型式為K型，部分密封接觸面噴涂有耐腐蝕合金層，在燃燒器中的作用是連接支撐尾筒與旁路彎管，不僅起連接承壓作用，工作時還要受到高溫高壓燃?xì)獾臎_擊和侵蝕性介質(zhì)的腐蝕，對機組運行效率和安全性起著至關(guān)重要的作用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

3 材料介紹

哈氏合金 （Hastelloy alloy）是美國哈氏合金國際公司所生產(chǎn)的鎳基耐蝕合金的商業(yè)牌號的統(tǒng)稱，又稱鎳基耐腐蝕合金，其主要分成鎳-鉬合金與鎳鉻鉬合金兩大類哈氏合金。為改善哈氏合金的耐蝕性能和冷、熱加工性能，哈氏合金先后進(jìn)行了三次重大改進(jìn)，目前主要分為B、C、G三個系列，它主要用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無法使用的強腐蝕性介質(zhì)場合，現(xiàn)階段使用最廣泛的是第二代材料如N10665（B-2）、 N10276 （C-276）、 N06022 （C-22）、 N06455（C-4）和N06985（G-3）等，常用哈氏合金材料牌號見表1。

表1 常用哈氏合金材料牌號

彎管支承環(huán)采用的哈氏合金材料牌號為Hastelloy-X （UNS N06002），是一種添加了鈷和鎢的超低碳型鉻鉬鎳基合金，其特點是熔點高、高溫強度好，具有良好的高溫抗氧化性能、耐腐蝕性能和力學(xué)性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強度，冷熱加工性能良好，適用于制造航空發(fā)動機的燃燒室部件和其他高溫部件，900℃以下長期使用，短時工作溫度達(dá)到1 080℃。因此，近幾十年以來，在苛刻的高溫工作環(huán)境中，如化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、航空汽輪機和核反應(yīng)堆等領(lǐng)域，Hastelloy-X系列哈氏合金得到了廣泛的應(yīng)用，解決了一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無法解決的介質(zhì)腐蝕問題，其化學(xué)、物理性能及力學(xué)性能見表2～表4。

表2 Hastelloy-X化學(xué)成分表單位：wt%

表3 Hastelloy-X物理性能表

表4 Hastelloy-X力學(xué)性能表 (在20℃檢測機械性能的最小值)

從表中可以看出，哈氏合金Hastelloy-X鎳含量高且其他合金元素多，存在熔點高、導(dǎo)熱性差、熱膨脹率高等性能特點。

4 材料焊接性分析

哈氏合金 (Hastelloy-X)在固溶狀態(tài)的組織為奧氏體基體，還有少量的TiN和M6C型碳化物，其焊接性與奧氏體不銹鋼類似，即具有較高的熱裂紋敏感性，氣孔生成幾率較高，焊接區(qū)域晶間腐蝕傾向明顯，但有很好的抗應(yīng)力腐蝕開裂性。

4.1 熱裂紋敏感性高

熱裂紋分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結(jié)晶裂紋最容易發(fā)生在焊道弧坑，形成火口裂紋。結(jié)晶裂紋多半沿焊縫中心縱向開裂，也有垂直于焊波。液化裂紋多出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)中，有的還出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)中。高溫失塑裂紋即可能發(fā)生在熱裂紋中，也可能發(fā)生在焊縫中。各種熱裂紋常常伴隨有微觀裂紋，但有時僅有微觀裂紋。熱裂紋發(fā)生在高溫狀態(tài)下，常溫下不再擴展。由于哈氏合金焊縫具有樹狀組織，加上焊材及材料本身表面雜質(zhì)的影響，焊接過程中在粗大晶粒的邊界上，會形成一些低熔點共晶物并呈薄膜狀態(tài)分布，大大削弱了晶界間的分子力，在拘束應(yīng)力的作用下開裂，產(chǎn)生熱裂紋。

4.2 易產(chǎn)生氣孔

合金元素含量分配的特點，決定合金固液相溫度間距小，液態(tài)焊縫流動性偏低，在焊接快速冷卻凝固結(jié)晶條件下，氣體來不及逸出，極易產(chǎn)生氣孔。焊接時，坡口表面油脂、氧化物、油漆等異物沒有清理干凈，或保護氣體種類不當(dāng)、純度不高、流量不合適等，則易產(chǎn)生焊接氣孔。

4.3 晶間腐蝕傾向明顯

從哈氏合金Hastelloy-X的特性可知，其敏化溫度區(qū)間為600～1 200℃，在這個溫度區(qū)間內(nèi)停留時間過長就會析出δ相及M6C，使合金C-276的抗晶間腐蝕的性能明顯下降。所以，避免在敏化溫度區(qū)間停留過長時間是防止晶間腐蝕的有效措施。否則，長時間高線能量的輸入不僅會產(chǎn)生過度偏析、碳化物沉淀或其他有害的冶金現(xiàn)象，還有可能引起耐蝕性的降低。

5 產(chǎn)品焊接重難點分析

綜合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料特性，彎管支承環(huán)在焊接技術(shù)方面存在以下急需研究摸索的重難點問題。

5.1 產(chǎn)品坡口型式的設(shè)計

坡口不合理、坡口太窄都會影響實際焊接操作，焊接時焊槍擺動空間受限，熔池?zé)o法有效潤濕坡口，焊接穿透力小，熔池難以化開，焊道和焊縫背面在靠法蘭側(cè)極易形成內(nèi)凹，無法與母材有效熔合，受結(jié)構(gòu)和焊縫形狀影響，清根質(zhì)量也難以保證，極易產(chǎn)生未熔合、未焊透缺陷。

5.2 焊前清理

焊件表面的清潔度是成功焊接哈氏合金的一個重要要求。焊件表面的污染物質(zhì)主要是表面氧化皮的熔點比母材高得多，常常可能形成夾渣或細(xì)小的不連續(xù)氧化物，例如S、P、Pb、Sn等，均能和Ni形成低熔點共晶，形成焊縫開裂源，這些有害元素經(jīng)常存在于制造過程中所用的一些材料中，例如在下料過程中的記號筆、油漆筆、油脂等，焊接前如何完全清除這些雜質(zhì)是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5.3 焊接參數(shù)和操作要領(lǐng)的摸索

焊接工藝參數(shù)和焊接操作要領(lǐng)是產(chǎn)品焊接技術(shù)中不可或缺的部分，是保證焊縫質(zhì)量和焊縫性能的重要因素，但由于以往缺乏對該材料焊接性的了解，也無類似材料產(chǎn)品的焊接經(jīng)驗，所以急需在這方面進(jìn)行研究、摸索和總結(jié)。

5.4 焊接環(huán)境和輔助工裝

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料特殊，對環(huán)境和輔助措施的要求有別于其他產(chǎn)品，例如專用焊接區(qū)域、輔助工裝等，必須在焊接過程中進(jìn)行設(shè)置、制作和運用，方可滿足產(chǎn)品焊接要求。

6 焊接技術(shù)研究

6.1 焊接材料

6.1.1 焊接環(huán)境保護氣體

為保證良好的焊接性能和優(yōu)良的焊接接頭，降低穿堂風(fēng)和潮濕天氣等環(huán)境因素對產(chǎn)品焊接的影響，采用比一般瓶裝氬氣純度更高的瓶裝高純氬氣 （純度99.999%）作為焊接保護氣體，降低氣孔等缺陷產(chǎn)生幾率。

6.1.2 焊接方法

對比分析各種焊接方法的工藝性和經(jīng)濟性后，選取鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊、填充及蓋面，焊接時采用φ2.5 mm的鈰鎢極，將鎢極頭磨成錐形，圓錐角控制在30°～60°，尖端磨平，直徑約為0.4 mm。

6.1.3 焊絲

焊材的選擇是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。有兩種選擇焊材的方法，一種是和母材匹配，另一種是高合金焊材。對于Hastelloy-X，選擇高合金化的高抗腐蝕性焊絲ERNiCrMo-3，能有效降低腐蝕從焊縫開始的幾率，焊絲化學(xué)成分及機械性能見表 5～表 6。

表5 ERNiCrMo-3化學(xué)成分表單位：wt%

表6 ERNiCrMo-3機械性能表

6.2 焊接工藝

6.2.1 焊接坡口設(shè)計

坡口的設(shè)計對焊接至關(guān)重要，由于哈氏合金金屬粘性大，相比碳鋼和不銹鋼，流動性較差，不容易潤濕側(cè)邊，而且焊接穿透力小，熔深淺，焊接時熔透深度僅為碳鋼的50%，若坡口設(shè)計不好，熔融不完全的可能性就將增大，未熔合、未焊透等缺陷產(chǎn)生幾率也將增加，為降低這些影響的因素，必須保證坡口具有足夠的寬度使焊槍通過合適的操作來保證正確的焊縫位置，因此坡口角度應(yīng)盡量開大一些，對接間隙取2.5～3 mm較為合適，根部鈍邊應(yīng)小些，控制在1～2 mm。

從圖2（a）可以看出，原設(shè)計坡口型式為K型，其法蘭側(cè)為平面，坡口十分狹窄，坡口可焊性較差，尤其是內(nèi)側(cè)坡口，操作空間和坡口均較為狹小，焊接時該側(cè)焊槍擺動空間受限，焊接時該側(cè)熔池?zé)o法有效潤濕坡口，焊接穿透力小，熔池難以化開，熔深淺，焊道和焊縫背面在靠法蘭側(cè)極易形成內(nèi)凹，無法與母材有效熔合，受結(jié)構(gòu)和焊縫形狀影響，清根質(zhì)量也難以保證，極易產(chǎn)生未熔合、未焊透缺陷。經(jīng)過分析和多次試驗，將原坡口型式由K型調(diào)整為圖2（b）所示不等邊X型，法蘭側(cè)由平面調(diào)整為斜面，同時增加了坡口寬度，并將原有的2 mm鈍邊調(diào)整成無鈍邊。

圖2 坡口型式設(shè)計圖

坡口調(diào)整后，焊接時焊槍擺動空間受限問題得到解決，解決了因清根難、坡口潤濕性差而導(dǎo)致的法蘭側(cè)熔合不良問題，降低了材料本身特性對焊縫質(zhì)量的影響。

6.2.2 焊前清理

由于哈氏合金焊接對工件表面清潔度要求極高，焊接前需采用手工或機械方法清理工件表面。焊接前，采用旋轉(zhuǎn)銼對坡口正面及根部、坡口附近40～60 mm區(qū)域進(jìn)行打磨，去除毛刺、銹斑、氧化膜等有害物質(zhì)，采用丙酮或酒精等有機溶劑擦洗，清除表面污物和油脂，擦洗完畢后，再用不銹鋼絲刷刷去清洗時殘留在工件表面的污物，焊接過程中，采用不銹鋼絲刷對焊縫層間進(jìn)行清理，并注意打磨焊縫接頭部位，如圖3所示。

圖3 完成清理組裝的工件

6.2.3 背氬保護

作為一種鎳鉻鉬合金，哈氏合金 (Hastelloy alloy)材料在焊接過程中焊縫金屬在高溫下會與空氣中的氧形成NiO，冷卻過程中又與熔融金屬中的氫、碳發(fā)生反應(yīng)，鎳被還原生成水蒸汽和一氧化碳，在結(jié)晶時這些氣體往往來不及逸出而形成氣孔，所以在焊接時必須進(jìn)行背氬保護。

由于彎管支承環(huán)和管與管對接等結(jié)構(gòu)存在較大差異，采用錫箔紙封堵等常規(guī)方式背氬難度較大，效果也不夠理想，見圖4（a），后經(jīng)過反復(fù)討論，設(shè)計制作出專用背氬保護罩，見圖4（b），焊接前將產(chǎn)品置于密閉保護罩中，然后通入氬氣置換空氣。實踐證明，該工裝不僅操作方便，而且能在短時間內(nèi)排盡空氣，形成良好的氬氣氛圍，焊接過程可有效解決焊縫背面氧化問題，提高根部焊縫質(zhì)量，降低氣孔等缺陷產(chǎn)生幾率。需注意的是，焊接過程中要時刻注意壓力表變化，當(dāng)壓力低于0．3 MPa時應(yīng)更換氣體，以免焊縫表面出現(xiàn)氧化問題。

圖4 背氬保護

6.2.4 裝配及定位焊

為減小坡口錯邊，保證彎管支承環(huán)法蘭與環(huán)體同心度，采用專用定位胎具裝配固定工件 （見圖5），裝配精度大大提高，為后續(xù)焊接打下了良好基礎(chǔ)。為減小材料焊接穿透力的影響，裝配時坡口間隙預(yù)留3 mm，利于根部焊縫熔透。

圖5 采用工裝定位裝配工件

定位焊與正式焊接參數(shù)相同，定位焊的數(shù)量不應(yīng)少于三點，每處長度不小于30 mm，并應(yīng)焊透且無任何缺陷。同時，要注意將定位焊的焊縫兩端打磨成帶斜坡的凹槽，以便于正式焊接時接頭部位能良好地熔合。

6.2.5 焊接過程控制措施

（1）采用高頻引弧，焊接時短弧操作，焊槍在焊接時稍傾斜于焊件，這樣能更好地控制熔池大小，而且可使噴嘴氬氣均勻地保護熔池而不被氧化。

（2）由于哈氏合金導(dǎo)熱性、鐵水流動性差，故焊接時嚴(yán)禁采用高線能量焊接，而需采用小電流快速焊，防止高熱輸入帶來熱量集中，以免使焊縫金屬合金元素?zé)龘p較多，熱影響區(qū)產(chǎn)生過熱組織，導(dǎo)致晶粒粗大，產(chǎn)生過度偏析、碳化物的沉淀或其他有害冶金現(xiàn)象，引起熱裂紋和降低耐蝕性。

（3）焊接時適當(dāng)進(jìn)行橫向擺動，但擺幅不宜過大，兩邊應(yīng)稍作停頓，確保兩邊熔合良好。

（4）多層多道分段對稱施焊，適當(dāng)減小每層厚度，每層焊縫厚度控制在1.5 mm以內(nèi)，層間接頭相互錯開，每條焊縫應(yīng)一次連續(xù)焊完，見圖6。焊接前和層間必須進(jìn)行坡口處理，每一層焊道完成后均應(yīng)徹底打磨焊道表面，消除各種表面缺陷，檢查合格后方可焊接下一層。嚴(yán)禁采用普通砂輪片進(jìn)行修磨，以免坡口處理不干凈，雜質(zhì)熔入熔池。

圖6 分層分道焊接

（5）由于哈氏合金存在高溫敏化區(qū)，焊接時采用合適線能量，控制焊接速度，避免熔池高溫區(qū)間停留過長。鎢極端部離焊件距離2 mm左右，焊絲要順著坡口沿著環(huán)體切線方向送到熔池的前端，待焊絲熔化，兩邊稍作停留，焊絲均勻、斷續(xù)地送進(jìn)熔池向前移動。焊絲的端部要始終在保護氣體中，防止氧化而生成雜質(zhì)。

（6）蓋面時，應(yīng)在坡口邊緣稍作停頓，以保證熔池與坡口更好地熔合，保證蓋面層焊縫和邊緣熔合整齊、美觀，收尾處打磨成斜坡狀，焊至斜坡時暫停送絲，先用電弧的熱量把斜坡處預(yù)熱并熔化成熔孔，然后迅速送絲。收弧時要注意填滿弧坑，同時注意要將噴嘴在收弧處放置20～30 s。

（7）焊接中確保起弧質(zhì)量，收弧時應(yīng)在弧坑點焊幾點，將弧坑填滿，使弧坑不要急速冷卻，且滯后約30 s停氣，防止產(chǎn)生弧坑熱裂紋，見圖7。

圖7 弧坑焊縫填充飽滿

除上以外，實際生產(chǎn)中為提高焊接操作的穩(wěn)定性，減少接頭數(shù)量，填充蓋面焊時將工件置于變位器上進(jìn)行操作，同時為增加剛性，將兩件背靠背加固焊接，如圖8所示，有效降低焊接時法蘭翻邊變形。

圖8 采用變位器裝配施焊

另外，為避免坡口狹小、旋轉(zhuǎn)銼直徑偏大引起的清根和清理效果不良問題，專門定制了Φ3球形旋轉(zhuǎn)銼進(jìn)行清根和層間清理（見圖9），提高了根部焊接可操作性，降低了根部未熔合等缺陷產(chǎn)生幾率。

圖9 專用Φ3球形旋轉(zhuǎn)銼

6.2.6 焊接工藝參數(shù)

焊接時電源極性為DC+，焊前不需預(yù)熱，焊后無需熱處理，焊接電流控制在100～120 A，層間溫度控制在100℃以下，焊接工藝參數(shù)見表7。

表7 焊接工藝參數(shù)表

7 焊接結(jié)果

在實際焊接過程中，一臺份共計有20件哈氏合金彎管支承環(huán)，共有20道環(huán)焊縫，焊后表面質(zhì)量檢查99%達(dá)到合格要求。抽樣對部分產(chǎn)品焊接接頭試樣進(jìn)行了金相檢查和理化性能分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 試樣宏觀照片和硬度分布

從圖10可以看出，焊接接頭試樣未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，各區(qū)域硬度值也滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

圖11 焊接接頭各區(qū)域顯微組織

從圖11可以看出，焊接接頭各區(qū)域顯微組織均為枝晶狀奧氏體組織。

8 結(jié)論

本文通過分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料焊接性特點，對哈氏合金彎管支承環(huán)的焊接技術(shù)進(jìn)行了深入研究。通過一年多時間的研究和摸索，深入分析了影響焊縫質(zhì)量的因素，了解并熟悉了哈氏合金的焊接工藝性，在焊接工藝參數(shù)、焊接過程控制措施方面取得了較大突破，解決了哈氏合金焊接過程中的各種技術(shù)難題。

哈氏合金彎管支承環(huán)的焊接成功，不僅填補了公司在哈氏合金焊接領(lǐng)域的技術(shù)空白，也為后續(xù)此類新材料新產(chǎn)品的制造積累了寶貴的經(jīng)驗，打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]周岐,主編.電焊工工藝與操作技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2]張志明,主編.焊接冶金學(xué):基本原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[3]馬兵邦.哈氏合金（Hastelloy-C-276）管道的焊接技術(shù)[A].全國焊接工程創(chuàng)優(yōu)活動經(jīng)驗交流會論文集[C].2011.

[4]張東錫,李德華.哈氏合金管焊接[J].焊接,2005,(5):36-38.

Welding Technology Research of Hastelloy Alloy Elbow Support Ring

Feng Yi， Jiang Nengdong， Shi Meidao， Wang Bin， Wan Yi

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Elbow supporting ring is an important component of the gas turbine combustor,which has an important influence on the safety and efficiency of the unit.The elbow supporting ring is Hastelloy alloy with special material,high technical requirements,and complex manufacturing,especially welding technology.According to the product structure and material properties,the weldability of Hastelloy is systematically analyzed,and the welding parameters of elbow supporting ring are researched in-depth.Meanwhile,the prevention and control methods of welding defects are studied and explored.

gas turbine combustor,Hastelloy,welding technology,weldability

TG444

A

1674-9987（2017）04-0042-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.010

馮義 （1983-），男，工程師， 2007年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事技術(shù)服務(wù)工作。