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摘 要：HastelloyC-276合金是一种耐腐蚀型合金,具有优秀的耐点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂性能,在航天、能源、化工、核电、环保等领域有着巨大的应用潜力.文章介绍了HastelloyC-276合金的组织结构,分析其焊接性,依据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》和ASTMG28A标准对其进行焊接工艺评定及力学性能检验,最终制定合理的焊接工艺,为该合金的生产加工提供理论依据.

关 键 词：HastelloyC-276；镍基合金；焊接性；焊接工艺评定

1概述

21世纪以来,随着我国航天、能源、化工、核电、环保等各个领域的飞速发展,对耐腐蚀材料需求量逐年增多[1].自20世纪60年代HastelloyC-276合金被美国汉斯公司研发出后,以其优异的抗腐蚀性能（可耐湿氯、各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐、中低温盐酸等）及焊后无需进行固溶处理的加工特性,广泛应用于各种苛刻腐蚀工况[2],如石油化工、烟气脱硫、纸浆和造纸、环保等工业等领域.国内对于该合金焊接特性研究起步较晚,为了充分掌握并优化HastelloyC-276材料的焊接性能,故对该材料焊接性进行深入分析,结合实际焊接工艺试验,最终提出合理焊接工艺参数,为该材料的应用提供可靠保障.

2组织结构

HastelloyC-276为Ni-Cr-Mo系镍基合金,其化学成分和力学性能见表1.其中Ni、Cr、Mo元素使其在氧化性和还原性介质中均具有较好的耐腐蚀性能,W元素的添加进一步提高材料抗局部腐蚀的能力,较低的Si、C元素含量保证了焊接热影响区的耐腐蚀性能,面心立方晶格结构形成的奥氏体组织赋予该合金良好的塑韧性.

3焊接性

HastelloyC-276因使用过程中更注重耐腐蚀性,故不像碳钢或不锈钢材料那样要求熔敷金属强度等于或高于母材,而是以腐蚀性能为出发点,要使焊缝金属与母材具有相当或优异的防腐蚀能力.

3.1液态焊缝金属流动性差

镍基合金焊缝金属不像普通钢材质焊缝金属那样容易润湿展开.即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性,反而易引起有害作用.焊接电流过大不仅使熔池过热,增大热裂纹敏感性,晶粒粗大降低耐腐蚀性,还会引起焊缝金属中的脱氧剂蒸发,产生气孔.要获得良好的焊缝质量,需要采用摆动焊工艺,但这种摆动是小摆动,摆动距离不超过焊丝直径的三倍.

3.2焊缝金属熔深浅

焊接过程中,镍基合金固有特性决定了其熔深较浅,单纯靠调整焊接参数不能解决这个问题.根据反复试验克服熔深浅的方法是修改传统的坡口形式,坡口角度在65°～70°,焊缝间隙大约在2mm～3.5mm,钝边大约在0.5mm～1mm.从而保证有效的焊缝熔深.

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3.3焊接热裂纹

镍基耐蚀合金具有较高的热裂纹敏感性.热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹.结晶裂纹易发生在焊缝弧坑处形成火口裂纹[3].结晶裂纹多半沿焊缝中心纵向开裂.液化裂纹多出现于紧靠熔合线的热影响区中,还可能出现在多层焊的前焊缝中.高温失塑裂纹既可能产生于热影响区中,也可能存在于焊缝中.各种热裂纹有可能单一,也有可能伴生出现,使得焊缝质量可控性变差.

3.4易于发生敏化现象

HastelloyC-276合金在650～1090℃热稳定性较差,长时间时效处理后,会在晶界析出碳化物或伴生金属间化合物μ相（Co2Mo6）,在焊缝中的铸造组织形成元素偏析,产生敏化现象,熔点较高的Mo、W元素凝固较早,焊缝熔敷金属中的合金元素浓度梯度分布不均匀,使其抗晶间腐蚀性能下降.因此该合金热加工温度范围1200℃～950℃,冷却方式为水淬或在760℃～540℃之间尽量快速冷却,以防止产生焊缝腐蚀.

4焊接工艺评定

4.1焊接方法

钨极氩弧焊已广泛用于镍基合金的焊接[4],特别适用于薄板、小截面、接头不能进行背面焊的封底焊以及不允许有残留熔渣的结构件.

4.2保护气体

推荐使用氩气或氦气,与氩气相比用氦气保护有如下特点：（1）氦气热导率大,向熔池热输入也比较大；（2）有助于清除或减少焊缝中的气孔；（3）焊接速度比用氩气时提高40%；（4）氦气成本约是氩气的25倍.

4.3焊材

镍基合金焊丝成分大多与母材相当,但焊丝中一般多加入一些合金元素以补偿某些元素的烧损,同时可抵消焊缝熔敷金属凝固所产生的偏析.依据ASME第二卷材料C篇SFA-5.14《镍和镍合金光填充丝和焊丝标准》HastelloyC-276选用ERNiCrMo-4牌号的φ2.4mm焊丝,其化学成份见表2.

4.4坡口加工

焊接坡口应采用机械方法冷加工成型,以保证母材组织无变化,加工表面的形状、尺寸和光洁度应满足焊接要求,不应有分层、折叠、裂纹、撕裂等缺陷,坡口形式如图1所示.

4.5焊接清理与焊接保护

焊前对坡口及其两侧50mm范围的母材表面进行修磨去除氧化皮,使用丙酮或乙醇对坡口及焊丝表面擦洗,清除油脂、水分等污染物.为保证焊缝得到充分的保护,用δ1mm铜板制作专用的保护拖罩,对焊缝正反面进行保护.

4.6焊接工艺试验

试件规格：δ8mm×125mm×400mm板材,焊接位置采用平焊；焊接前焊缝不预热,采用高频起弧,过程中控制层间温度≤100℃,同时注意焊枪角度,控制熔池大小,保证氩气均匀保护熔池减少氧化.镍基材料熔池流动性不佳,所以焊接时需增加摆动,摆幅不易过大,两边应稍作停顿,确保焊缝熔合区质量,焊接工艺参数见表3.

4.7焊缝检验

焊接完毕后,依据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》及ASTMG28A法对试件进行无损检测、力学性能试验、腐蚀率检验.

4.7.1无损检测

对焊接试件按照JB/T4730.2-2005进行100%RT检测,未发现未熔合、裂纹等缺陷；焊缝表面未见气孔、焊瘤、凹陷、咬边等缺陷.

4.7.2力学性

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依据NB/T47014-2011规定取拉伸、弯曲试样,分别按照GB/T228、GB/T2653规定的试验方法进行试验,结果见表4.

4.7.3腐蚀率

分别对焊缝及母材按照ASTMG28方法A进行腐蚀率测定,焊缝腐蚀率略高于母材,其结果见表5.

5结束语

HastelloyC-276合金以其优异的抗均匀腐蚀、局部侵蚀、晶间腐蚀能力和易于的加工性,在各行各业广泛应用.文章对该材料组织结构及焊接性进行深入分析,结合实际焊接工艺评定试验,最终提出合理焊接工艺参数以及焊接过程中的操作技巧和操作要点,通过力学性能试验和腐蚀率试验,结果表明,制定的焊接工艺方案对于HastelloyC-276合金同种金属之间的焊接是可行的,焊缝各项性能得到保证,为镍基耐腐蚀合金的焊接提供参考.

参考文献

[1]刘士博.HastelloyC-276与316L激光异质焊接机理与工艺研究[D].大连理工大学,2013.

[2]邢卓.HastelloyC系列合金综述[J].化工设备与管道,2007,44（02）：51-58.

[3]周生华.镍基合金C-276的焊接工艺[C]//.华东地区第九届焊接技术交流会论文,2009：85-89.

[4]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第3版[M].材料的焊接,北京：机械工业出版社,2007.

作者简介：王阳阳（1988-）,女,籍贯：西安,工学硕士,毕业于西安理工大学,就职于西安思源学院机电工程学院,助教,研究方向：材料加工工程.

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