镍基合金UNS N08810厚板埋弧焊工艺

镍基合金UNS N08810厚板埋弧焊工艺

袁世东

(上海森松压力容器有限公司 上海 201323)

0 前言

镍基合金UNS N08810，也称800H，属于镍-铁-铬合金，是SMC公司研发的一种高温用镍基合金。由于其高温强度和抗氧化、抗渗碳和其它形式的高温腐蚀性能，已经被广泛使用。其应用包括炉子部件和设备，石化炉裂解管，以及电加热元件的外罩[1]。由于其特殊的优点，在多晶硅行业中的冷氢化反应器上也被广泛使用。随着冷氢化的产能越来越高，设备也越来大型化，导致UNS N08810反应器的壁厚也越来越厚。而壁厚越厚，焊接需要的层数也越多，焊接拘束应力也越大。

镍基合金UNS N08810在焊接时，由于S，P元素等杂质在焊缝金属中偏析，形成低熔点共晶，在焊缝金属凝固过程中，容易在晶界形成液相，在焊接应力的作用下形成裂纹，由于工件越厚，拘束应力越大，越容易形成热裂纹，焊后开裂，因此S，P在UNS N08810中是有害元素，按照标准要求需要严格控制[2]。

目前UNS N08810焊接使用的焊接方法主要为钨极氩弧焊(GTAW)及焊条电弧焊(SMAW),埋弧焊(SAW)在压力容器上很少使用，主要原因是埋弧焊热输入大导致的热裂纹产生机率高，达不到化工行业的要求。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

镍基合金UNS N08810及其焊材ERNiCr-3的主要成分见表1，其主要力学性能见表2。

表1 镍基合金UNS N08810及焊材的化学成分(质量分数,%)

材料CNiCrCuMnSiAlTiSFeUNSN088100．05～0．1030～3519～230．751．51．00．15～0．60．15～0．60．015≥39．5ERNiCr-3(标准值)0．10≥6718～220．52．5～3．50．5-0．750．0153P≤0．03%；Nb+Ta：2%～3%ERNiCr-3(实测值)0．04172．0920．530．013．090．07-0．430．0021．15P≤0．002%；Nb+Ta：2．36%

表2 镍基合金UNS N08810的主要力学性能

项目屈服强度Rec/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)范围≥170450≥30%实测值19351527

1．2 试验方法

1．2．1 试样准备

将镍基合金UNS N08810 δ=46 mm厚的试板加工坡口，平焊位置对接焊。焊前采用丙酮清理坡口及坡口两侧各50 mm范围内的水渍、油污、及锈蚀；焊丝要清洁、干燥。定位焊采用气体保护焊方法，在根部焊道的起点处进行定位焊。为避免定位焊引起的根部焊道开裂，根部焊道采用断续焊且磨掉定位焊缝，定位焊缝长度不小于50 mm， 间距200～300 mm。

1．2．2 焊接材料选择

根据化学成分及力学性能的匹配及厂家的实际使

用经验，选择ERNiCr-3。

1.2.3 坡口的选择

由于镍基合金液态金属流动性较差，选择的坡口形式应尽可能大，减少未熔合出现的机率，因此选用双U形坡口，如图1所示。

图1 双U形坡口(mm)

1.2.4 焊接工艺参数的选择

根据厂家的实际使用经验，同时考虑焊接成形及效率，经过试验摸索，工艺参数具体如表3。

表3 焊接工艺参数

焊接方法焊接材料及规格d/mm焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度υ/(cm·min-1)保护气体GTAWERNiCr-3 2．4110～13014～159～2099．997%ArSAWERNiCr-3 2．4280～34030～3250～60—

1.2.5 无损检测

按照NB/T47013《承压设备无损检测》标准进行100%的RT+PT 检测均合格。

1.2.6 热处理

按照JB/T4756《镍及镍合金制压力容器》及ASME VIII-1《压力容器建造规范》，UNS N08810的焊制容器设计温度超过538 ℃时，应进行焊后热处理，冷氢化反应器的设计温度约为560 ℃，因此根据标准制定工艺评定的焊后热处理工艺为最低加热温度为885 ℃，保温时间约12 h。

1．3 试样制取

拉伸，弯曲及微观金相试样按NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》标准执行取样及试验。

2 试验结果及分析

按照标准进行试验，结果发现在α=180°，D=4T，T=10的条件下弯曲均合格，其余抗拉强度值见表4。

表4 不同焊接工艺试样抗拉强度 MPa

试样GTAWSAW16165912618594

从表4试验结果可知，使用SAW的焊缝金属比使用GTAW的焊缝金属抗拉强度值要低20 MPa。 从微观金相(图2)可知，GTAW由于热输入较低，对母材的晶粒影响较小，但SAW的热输入偏大，对热影响区会有影响，有再结晶，晶粒细化。

图2 焊缝的微观金相形貌

从上述结果可知，埋弧焊和氩弧焊的的焊缝金属均可以达到标准要求，但SAW由于热输入较大，会对 UNS N08810的热影响区进行再热，导致晶粒再结晶，在此过程中如果母材/焊材杂质含量偏高会导致低熔点共晶体偏析到晶界造成开裂。在严格控制杂质含量的情况下SAW 的焊缝金属也是满足标准要求的。

3 产品焊接注意事项

(1) 在选用焊材前，测量其熔敷金属的化学成分。在P元素含量不高的情况下，S%≤0.003%是可以接受的；焊芯最好满足S%≤0.002%。

(2) 焊件表面的清洁，在施焊前清除表面的氧化皮和油污等低熔点的物质是必须认真做好的，这些油污、漆、锈等材料中含有S，P，Pb，Sn等元素在焊接熔池中可以和Ni元素形成低熔点共晶，在晶界偏析形成裂纹[3]。

(3)为保证焊接综合质量，焊接时尽量采用平焊位置，焊接过程中应始终保持短弧，以便能较好的控制熔化的焊接金属。层间清理要仔细，每层焊缝金属都应进行清理，确保氧化层被清除干净，保证焊缝金属的纯度，也避免产生未熔合、夹渣等焊接缺陷[4]。

(4)焊接裂纹是焊接产品危害最大的缺陷，主要表现形式有：结晶裂纹、液化裂纹、高温失塑裂纹等。采用防止的方法是：合理的设计焊接接头和焊接顺序，注意对称焊接，减少变形应力，减少结构的拘束度，在焊接过程中应严格焊接应力的。

(5)焊接热输入对UNS N08810材料焊接接头的抗裂性有直接影响，为了同时兼顾焊缝的成形性，往往需要多次摸索才能找到合适的焊接参数。减少熔合比即减少稀释率；采用小的焊接电流，减少热输入，填满弧坑。各种焊接方法的热输入控制在15 kJ/mm。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会焊接学会.《焊接手册》 第2版[M].机械工业出版社，2007.

[2] 宋四兵，吴勇，郭俊霞.多晶硅冷氢化反应器UNS N08810厚壁封头焊接工艺研究[J].石油和化工设备，2012(10):17-19.

[3] 黄峰. Incoloy800HT材料的焊接和热处理[J].石油化工建设，2010, 32(4):32-34.

[4] 孟静，赵新军，唐元生.镍基材料Incoloy 800H的焊接工艺[J].石油化工建设，2013, 35(4):93-94.

袁世东简介： 1980年出生，硕士，工程师；主要从事压力容器的焊接技术方面的工作。

收稿日期：2016-06-21