hastelloy C4哈氏合金焊接工藝

　　1.化學(xué)成分和機(jī)械性能

　　hastelloy C4對(duì)應(yīng)ASME中UNSN其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1，21。hastelloy C4屬于Ni－Cr－Mo鎳基耐腐蝕合金，單相奧氏體組織，含量高Cr和Mo，因此，它不僅耐還原介質(zhì)腐蝕，而且耐氧化介質(zhì)腐蝕，而且耐原復(fù)合介質(zhì)腐蝕。通過(guò)減少C，Si，F(xiàn)e添加穩(wěn)定元素Ti，提高了晶間耐腐蝕性。其耐點(diǎn)蝕性、縫隙腐蝕性和應(yīng)力腐蝕性也較好。

　　表1、C4材料化學(xué)成分%

　　標(biāo)準(zhǔn)值

　　≤0．015

　　≤0．08

　　≤3．0

　　≤0．04

　　≤0．03

　　≤1．0

　　剩余

　　≤2．0

　　≤0．7

　　14．0～18．0

　　14．0～17．0

　　復(fù)驗(yàn)值

　　0．003

　?。?．01

　　1．0

　?。?．002

　　0．002

　　＜0．01

　　67．28

　　0．03

　?。?．01

　　15．7

　　15．58

　　表2、C4材料力學(xué)性能

　　標(biāo)準(zhǔn)值

　　≥690

　　≥276

　　≥40

　　復(fù)驗(yàn)值

　　744

　　319

　　72

　　2、hastelloy C4哈氏合金焊接分析

　　(1)鎳基耐腐蝕合金具有較高的熱裂紋敏感性，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋。裂紋原因2：鎳、硫、磷在高溫下容易形成低熔點(diǎn)晶體；當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)，焊接接頭晶粒較大，晶粒間碳化物較多，金屬間化合物促進(jìn)液化裂紋，增加熱裂紋的趨勢(shì)。裂紋原因2：鎳、硫、磷在高溫下容易形成低熔點(diǎn)晶體；當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)，焊接接頭晶粒較大，晶粒間碳化物較多，金屬間化合物促進(jìn)液化裂紋，增加熱裂紋的趨勢(shì)。因此，焊接應(yīng)控制焊接熱輸入，并限制焊接中的熱輸入S，P，Si含量等措施。

　　(2)鎳基焊縫金屬對(duì)氣孔敏感。

　　氣孔原因：鎳基合金液體金屬的流動(dòng)

　　性能差，氣體在焊接狀態(tài)下無(wú)法逃逸；鎳基合金固液相溫度間距小，液體鎳中氧氣、二氧化碳、氫氣溶解度大，但焊縫冷卻時(shí)溶解度明顯降低，熔池內(nèi)氣體無(wú)法逃逸形成氣孔。因此，焊接前應(yīng)清除焊接區(qū)域的油、水等雜質(zhì)，并在焊接材料中加入錳、鈦、鈮等脫氧元素。焊接過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)焊接熔池的氣體保護(hù)。

　　制定焊接工藝

　　2.1.焊接方法及焊接材料

　　氬弧焊接方法4-5根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇焊接材料EＲNiCrMo-7焊絲，直徑2.4mm，化學(xué)成分見(jiàn)表36。焊接時(shí)背面采用氬氣保護(hù)，Ar純度為99.99%，流量為8~10L/min。

　　表3、EＲNiCrMo-7材料化學(xué)成分%

　　標(biāo)準(zhǔn)值

　　≤0．015

　　≤1．0

　　≤3．0

　　≤0．04

　　≤0．03

　　≤0．08

　　≤0．50

　　剩余

　　≤2．0

　　≤0．7

　　14．0～18．0

　　14．0～18．0

　　≤0．50

　　復(fù)驗(yàn)值

　　0．001

　　0．14

　　0．46

　　0．006

　　0．002

　　0．02

　　0．02

　　剩余

　　＜0．11

　　0．19

　　15．8

　　15．73

　　0．10

　　2.2.坡口設(shè)計(jì)

　　由于鎳基合金液體焊縫金屬流動(dòng)性差，熔化深度，不易潤(rùn)濕，接頭應(yīng)提供足夠的空間方便金屬填充，坡口應(yīng)采用較大的根間隙和坡角，鈍邊高度較小，防止焊接過(guò)程中無(wú)熔化、無(wú)焊接缺陷，確保液體焊縫金屬覆蓋坡口。（墨?聚)工藝評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用對(duì)接接頭的坡口形式，如圖2所示。

　　圖2坡口形式

　　2.3、焊前清洗

　　焊前清洗對(duì)焊接鎳基耐腐蝕合金非常重要。焊絲和焊絲hastelloy C4和不銹鋼S31603焊接區(qū)必須用丙酮或無(wú)水乙醇等溶劑清洗去除油、水等污垢，以免產(chǎn)生氣孔和裂紋。

　　2.4.預(yù)熱和道間溫度控制

　　鎳基耐腐蝕合金焊接前一般不需要預(yù)熱，可在室溫下焊接。

　　2.4.預(yù)熱和道間溫度控制

　　鎳基耐腐蝕合金在室溫下焊接前一般不需要預(yù)熱。當(dāng)焊件溫度低于2時(shí)℃或較低時(shí)，焊接坡口和兩側(cè)大于300mm的（墨?聚)應(yīng)加熱至15~20℃，防止氣孔產(chǎn)生水冷凝。焊接過(guò)多的焊接熱輸入和道間溫度會(huì)導(dǎo)致晶粒過(guò)大，增加熱裂紋傾向，降低耐腐蝕性，道間溫度應(yīng)控制在100℃以下。

　　2.5.焊接工藝參數(shù)

　　根據(jù)鎳基合金的焊接特點(diǎn)，為防止其熱裂紋，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入和多層焊接，焊接時(shí)不得水平擺動(dòng)，盡量直線移動(dòng)。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

　　表4.焊接工藝參數(shù)，

　　GTAW

　　1

　　EＲNiCrMo－7

　　2．4

　　DCEN

　　90～110

　　11～13

　　10～15

　　≤8．58

　　GTAW

　　2～5

　　EＲNiCrMo－7

　　2．4

　　DCEN

　　110～140

　　11～13

　　10～15

　　≤10．92

　　3、hastelloy C44哈氏合金焊接工藝評(píng)估試驗(yàn)

　　按照NB/T47014-20117及技術(shù)要求，根據(jù)上述焊接工藝，厚度為8mm的S31603和C4(N06455)板材分別進(jìn)行了兩組焊接工藝評(píng)價(jià)試驗(yàn)。一組為S31603與C4.樣品編號(hào)為863#；一組C4.864#與C樣品編號(hào)之間的焊接。一組為S31603與C4.樣品編號(hào)為863#；一組C4.864#與C樣品編號(hào)之間的焊接。

　　焊后試件100%RT和100%PT拉伸、彎曲、晶間腐蝕、晶間腐蝕、焊縫化學(xué)成分分析等。晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果為：863#：晶間腐蝕試驗(yàn)（2件）GB/T15260-19947標(biāo)準(zhǔn)B法驗(yàn)收合格；864#：晶間腐蝕試驗(yàn)(2件)GB/T15260-19947標(biāo)準(zhǔn)B驗(yàn)收合格。其他項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5~7。

　　表5拉伸試驗(yàn)結(jié)果

　　863#-1

　　620

　　熱影響區(qū)塑斷

　　863#-2

　　620

　　熱影響區(qū)塑斷

　　864#-1

　　735

　　熱影響區(qū)塑斷

　　864#-2

　　735

　　熱影響區(qū)塑斷

　　表6彎曲試驗(yàn)結(jié)果

　　863#

　　面彎

　　180

　　合格（2件）

　　863#

　　背彎

　　180

　　合格（2件）

　　864#

　　面彎

　　180

　　合格（2件）

　　864#

　　背彎

　　180

　　合格（2件）

　　表7焊縫化學(xué)成分%

　　863#樣品(焊縫中心線外表面)墨水?鉅

　　0．003

　　0．02

　　0．16

　　0．005

　　0．023

　　67．28

　　15．69

　　14．95

　　1．28

　　0．05

　　0．07

　　864#試樣

　　0．002

　　0．03

　　0．06

　　0．007

　　0．025

　　67．68

　　16．00

　　14．63

　　1．17

　　0．07

　　0．04

　　從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，863#的抗拉強(qiáng)度大于不銹鋼S31603標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低抗拉強(qiáng)度為490N/mm2.864#的抗拉強(qiáng)度大于固熔狀態(tài)hastelloy C最低抗拉強(qiáng)度為690N/mm2.焊接接頭熱影響區(qū)均為塑性斷裂。兩組面彎和背彎樣品彎曲至18°之后，拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)域沒(méi)有開(kāi)口缺陷NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求7。兩組面彎和背彎樣品彎曲至18°之后，拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)域沒(méi)有開(kāi)口缺陷NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求7。

　　晶間腐蝕試樣24h彎曲試驗(yàn)后，拉伸面無(wú)裂紋等缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)8-9要求，焊接接頭耐腐蝕性好10。

　　由此可見(jiàn)，試件經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和彎曲性能得到滿(mǎn)足NB/T47014-2011要求焊接化學(xué)成分和晶間腐蝕試驗(yàn)合格，證明焊接工藝良好，能保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性。

　　4、hastelloy C44哈氏合金焊接接頭金相檢測(cè)

　　為進(jìn)一步了解焊接工藝對(duì)焊接接頭的影響，取樣了宏觀金相檢測(cè)和微觀金相檢測(cè)11。每組評(píng)估863#和864#樣品編號(hào)。

　　宏觀金相檢測(cè)采用10倍放大鏡，兩個(gè)樣品焊接接頭截面無(wú)氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊接等缺陷。

　　微觀金相檢測(cè)如圖3、4所示。樣品檢測(cè)結(jié)果如下：S31603母材和熱影響區(qū)加少量奧氏體δ為奧氏體添加微量鐵素體組織δ鐵素體組織，C四側(cè)熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織。樣品檢測(cè)結(jié)果如下：C四面母材和熱影響區(qū)為奧氏體組織，焊縫為奧氏體加微量δ鐵素體組織12-13。從微組織圖可以看出，兩接接頭組織精細(xì)，無(wú)大晶粒組，無(wú)有害相沉淀，焊接工藝性能良好。

　　(a)S31603母材500×

　　(b)S31603側(cè)熱影響區(qū)500×

　　(c)焊縫100×

　　(d)C4側(cè)熱影響區(qū)100×

　　(e)C4母材100×

　　圖3863#微組織試樣

　　(a)C4母材100×

　　(b)C4側(cè)熱影響區(qū)100×

　　(c)焊縫100×

　　圖4864#微組織試樣

　　5、hastelloy C4哈氏合金焊接結(jié)論

　　(1)hastelloy C4屬于Ni－Cr－Mo鎳基耐腐蝕合金類(lèi)型，單相奧氏體組織，焊接時(shí)具有熱裂紋和氣孔敏感性，采用本焊接工藝焊接，可獲得合格的焊接接頭。

　　(2)氬弧焊EＲNiCrMo-7.焊絲背面采用純氬保護(hù)。焊接前，焊絲和坡口表面應(yīng)嚴(yán)格清理。坡口角度應(yīng)適當(dāng)增加，熱輸入小，道間溫度應(yīng)控制在100℃以下是多層多道焊。經(jīng)工藝評(píng)估試驗(yàn)，C4與C4焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為735N/mm2，C4與S31603焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為620N/mm2.面彎、背彎均合格；晶間腐蝕按壓；GB/T15260-1994標(biāo)準(zhǔn)B驗(yàn)收合格，表明焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　(3)為奧氏體添加微量焊縫中的焊縫δ鐵素體組織，C四側(cè)熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織，S31603側(cè)熱影響區(qū)和母材加少量奧氏體δ焊接工藝性能好的鐵素體組織，焊接接頭組織細(xì)密，無(wú)晶粒粗大，無(wú)有害相沉淀。

　　(3)為奧氏體添加微量焊縫中的焊縫δ鐵素體組織，C四側(cè)熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織，S31603側(cè)熱影響區(qū)和母材加少量奧氏體δ焊接工藝性能好的鐵素體組織，焊接接頭組織細(xì)密，無(wú)晶粒粗大，無(wú)有害相沉淀。