反应器内壁堆焊镍基合金Inconel625的工艺研究

 

豪迈利用Q345R堆焊Inconel625的形式,设计、制造了一种新型反应器,主要用于苛刻的反应工况。通过研究镍基合金Inconel625的焊接性、焊接工艺以及焊后的组织形态及性能,公司在镍基合金的生产方面积累了大量的试验数据和丰富的经验。...





引言

豪迈结合自身的设备优势(如图1),设计、制造了一种新型反应器,内壁采用Q345R堆焊Inconel625的形式,不但避免了一体化有色金属制造的高成本,同时也满足了高温、高压及强腐蚀性介质工况的苛刻要求。

Q345R为压力容器制造中最常见的低合金钢,成本低,焊接性优良。Inconel625开发的最初意义只是为了提高高温强度和结构稳定性,但如今,合金体现出来的优异耐蚀性能备受瞩目,它能够抵抗一般的腐蚀介质、点蚀、缝隙腐蚀和严重氯化物介质中的应力腐蚀,应用范围可从-269℃到1000℃以上。

图1堆焊设备

(1-卧式氩弧堆焊机;2-带极埋弧堆焊机;3、4-立式氩弧堆焊机)


1 Inconel625焊接性分析

1.1 结晶裂纹

结晶裂纹属于焊接热裂纹,一般产生于固、液相线温度区间范围内,即焊缝结晶后期,故以此命名。Inconel625焊接时的结晶裂纹敏感性非常高,主要因为结晶过程中,微量元素硫、磷和碳会向晶界聚集,碳促进了硫、磷的偏析,而焊缝中含有大量的镍,它极易在晶界位置与硫化合生成硫化镍,镍与硫化镍混合产物的熔点仅为630℃左右,属于低熔共晶物,削弱了晶粒间的相互作用,使得焊缝在拉应力的作用下沿晶界发生开裂。

消除Inconel625焊接中的结晶裂纹可采取多种措施:首先,焊前清理十分重要,用砂轮打磨或用丙酮擦拭,去除表面氧化皮、油污和其他污染物,避免硫、磷等杂质混入熔池;其次,制定合理的焊接工艺参数,采用小的焊接电流和焊接热输入;最后,可采用抗裂性能较好的焊接材料。

1.2 冷裂纹

与结晶裂纹相比,Inconel625焊接冷裂纹的倾向并不大,这归因于它在焊接过程中或焊后并没有诱发冷裂纹的因素:Inconel625的氢含量非常稀少,加强气体保护就可有效降低氢在熔敷金属中的扩散;Inconel625碳含量少,淬硬倾向小,成功抑制了焊后马氏体转变,避免了脆化裂纹;而且Inconel625具有一定的塑性,当焊后冷却至室温或更低温度时,其本身的塑性就能够抵抗由于温度降低产生的收缩应力,避免冷裂纹的产生。

1.3 气孔

镍基合金Inconel625对氢、氧形成的气孔十分敏感。氧在镍中的溶解度会随着温度的降低逐渐减少,当温度由1720℃降为1470℃时,氧的溶解度可从1.18%减少为0.06%,析出的氧迅速与镍结合,形成氧化镍,但在熔合区附近,液态镍中的氢可使氧化镍中的镍还原,形成气孔。

减少气孔的产生需要通过严格的焊前清理和气体保护来实现[1]。

2堆焊可行性分析

2.1 焊接方法选择

堆焊时,常见的几种堆焊方法为手工堆焊、钨极氩弧堆焊、丝极堆焊和带极堆焊。选择适当的堆焊方法,不但可以有效降低稀释率和生产成本,而且还能够提高堆焊层的熔敷效率,因此十分重要,表1分别列出了不同堆焊方法的熔敷效率和稀释率。
表1 不同堆焊方法的基本特性[2-3]


通常,堆焊工艺要选择大的熔敷效率和小的稀释率。熔敷效率是指单位时间范围内在单位电流作用下试件上熔敷的金属量,一般用它来表征焊接效率,因此,熔敷效率的值越高,生产效率就越高。而稀释率则是熔入焊缝中的母材金属量与焊缝金属总量的比值,也可称之为熔合比,小的稀释率能够降低母材对堆焊层组织性能的影响,减少产生焊接裂纹的倾向。因此,通过表1中不同堆焊方法的对比,主体选用带极堆焊的方法,而小管径内壁不易焊接,选用钨极氩弧堆焊的方法,堆焊基体选定为Q345R不锈钢板,堆焊层为Inconel625。

堆焊时不采用过渡层,这是由于带极堆焊的稀释率比较小,基体对堆焊层的稀释作用本身就很弱,即便没有过渡层焊缝质量也能够得到保证,而且对于稀释率较大的钨极氩弧堆焊来说,Q345R和Inconel625的线膨胀系数相近,都在13×10-6/℃左右,堆焊裂纹产生倾向小。

2.2 焊接材料判定

堆焊属于异种钢焊接,材质是否匹配将直接影响焊缝的组织性能。制造采用的Inconel625焊带牌号为EQ62-50,规格为60×0.5mm,属于实心埋弧焊带,符合美国AWS标准,焊剂牌号为ES200,属于碱性氟化物烧结焊剂,脱渣性好,能够有效防止合金元素在焊接过程中的烧损,并提高堆焊过程的稳定性,焊丝为ERNiCrMo-3,规格φ1.2mm,化学成分见表2。

根据国际焊接学会推荐的碳当量公式:
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15     (1)
式中元素符号均表示该元素的质量分数,计算得出Q345R基体的碳当量仅为0.38%,说明基体焊接性良好,而堆焊层中大量的镍元素可降低基体中碳扩散层的尺寸,防止熔合区脆化,以此进一步验证了Q345R无过渡层堆焊Inconel625的可行性。
表2 主要材料的化学成分(质量分数/%)


3焊接工艺的确定

3.1 焊接工艺参数

带极埋弧堆焊时,电流太小就无法将焊带完全熔化造成夹渣,电流过大,会增加热输入直接导致焊接热裂纹,因此电流需要控制在合适的范围内。堆焊电压可以用来控制送丝速度,Inconel625焊带的黏性大,流动性差,电压与焊机大臂的前进速度都不宜过大。钨极氩弧堆焊要注意气体保护的严密性,管径内应充满氩气,纯度不低于99.99%。详细参数见表3。
表3 堆焊焊接工艺参数


3.2 预热及层间温度的控制

Inconel625的焊接不同于低合金钢那样容易流动和铺展,焊接热应力较大,焊前对Q345R进行适当的预热十分必要,这不但有利于减少焊接区域的温度梯度,减缓焊后的冷却速度,还有助于扩散氢的溢出,提高焊缝的抗裂性能,但考虑到Inconel625的结晶裂纹敏感性较大,预热温度应该控制在75~100℃。较好的焊接质量如图2所示。
图2 管内壁钨极氩弧堆焊


另外,层间温度也需要严格控制在60~ 100 ℃以内,图3则是焊接过程中由于层间温度过高导致的结晶裂纹。
图3 堆焊结晶裂纹


3.3 消应力热处理

堆焊一层后,需要进行消应力热处理,整体加热620℃,炉内保温2小时后空冷,以此方法可以消除80%~90%的焊接残余应力,全部焊后将无需再进行任何热处理。

4 焊后组织及性能

4.1 金相组织分析

如图4,Q345R基体、HAZ、熔合区和Inconel625堆焊层组织轮廓清晰,无裂纹、气孔和夹渣等缺陷。硝酸酒精对铁素体的腐蚀性较弱,呈白色,渗碳体呈黑色,从A中可观察到整个Q345R基体呈规律的片层状珠光体组织。从HAZ到熔合区,铁素体晶粒热受到焊接热的影响而长大,由于熔合线两侧的碳化物形成元素含量差异较大,尤其是铬与钼的差异造成了较大的化学势梯度,引起碳向堆焊层的迁移,但堆焊层中镍含量很高,可有效阻止碳的迁移,及时避免了珠光体侧脱碳层和焊缝侧的增碳层的形成,致使碳扩散的迁移层仅在珠光体侧的熔合线附近形成。堆焊层D为树枝状的奥氏体组织[4-5],说明焊缝在形成过程中,液相温度梯度小,固-液相界面前沿存在较大的成分过冷度,堆焊层与基体熔合良好,未见分离现象。
图4 金相组织


4.2 硬度检测

采用维氏硬度检测方法,设定载荷100gf,压力0.981N,压制持续时间10S,平均硬度值的分布见图5。Inconel625堆焊层中大量的合金元素发挥了重要的作用,显著提高了焊缝的强度, HAZ组织部分粗化,但并未出现严重的分布不均,致使其硬度高于基体,最终堆焊试样的硬度呈现出一个逐渐上扬的趋势。
图5 检测位置示意图及硬度值曲线


5 总结

豪迈通过Q345R堆焊Inconel625的工艺研究,且搭配使用现有的堆焊设备,已经解决了镍基合金实际生产中的诸多焊接问题。未来我们期望从生产中获得更多可靠的数据,不断实现自我制造水平的超越。

参考文献

[1] 吕志军.Inconel625合金+低温碳钢的焊接工艺研究[J].中国造船,2011,52 (2):258-262.

[2] 刘忠青,邸斌.异种材料的焊接[M].科学出版社,1990.179~193.

[3] 陈伯蠡.金属焊接性基础[M].机械工业出版社,1982.94~96.

[4] 杨莉.焊接方法对Q345R和S31803焊接接头组织形态的影响[J].热加工工艺,2013,42 (15):198-200.

[5] 秦华.Inconel625合金堆焊层组织和性能的研究[J].金属铸锻焊技术,2010,39 (17):171-172.

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