胡 偉 中國石油天然氣第七建設(shè)公司 山東膠州 266300

Inconel600鋼液化裂紋產(chǎn)生機(jī)理淺談及防治

胡 偉 中國石油天然氣第七建設(shè)公司 山東膠州 266300

通過材料冶金因素和力學(xué)因素對焊接質(zhì)量的影響，淺析Inconel600材料焊接液化裂紋缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際施工確定了合理的焊接工藝及預(yù)防措施，以減少焊接接頭熱裂紋缺陷的存在。

Inconel600 焊接 裂紋 工藝

1 前言

寧夏某化肥廠采用天然氣通過爐內(nèi)高壓注氧產(chǎn)生CO、CO2和H2，為尿素裝置制造原料。輸氧管道為Inconel600高合金材料。

Inconel600鋼無磁性且焊接性較好，但工藝不當(dāng)，易在焊接熱影響區(qū)（包括多層焊的前一道焊縫熱影響區(qū)）產(chǎn)生熱裂紋，焊縫返修表現(xiàn)的尤為突出。細(xì)小且無方向的裂紋需采取熒光劑滲透措施顯示，部分裂紋會隨焊接應(yīng)力擴(kuò)展成可目測的粗大裂紋。

2 材料焊接冶金和力學(xué)因素分析

Inconel600鋼為鎳合金耐高溫材料（美國牌號），主要應(yīng)用于抗腐蝕領(lǐng)域。高鎳含量使材料在腐蝕環(huán)境和氯化物腐蝕裂變中具有特別的耐受性，合金中的鉻增加材料在弱氧化環(huán)境下的抗腐蝕特性。材料化學(xué)成份及力學(xué)性能詳見表1[1]。

Inconel600鋼焊接熱裂紋主要是由材料冶金因素和力學(xué)因素相互作用形成的:

(1)鎳含量高，材料一次結(jié)晶并保持至室溫的組織為奧氏體，易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶和樹枝狀晶，促使S，P等有害雜質(zhì)偏析或因溶解度下降而形成低熔共晶物；

表1 INCONE L 600化學(xué)成分和常溫力學(xué)性能

(2)材料熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)大，焊接局部加熱和冷卻條件下，材料塑性儲備及收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨著溫度的下降而變化，存在的低熔點(diǎn)相減少了塑性儲備量，促使熱裂紋產(chǎn)生。

2.1 一次結(jié)晶組織對焊縫金屬熱裂行為的影響

Inconel600鋼中Ni元素含量高達(dá)72%。Ni是強(qiáng)奧氏體形成元素（γ相），鐵-鎳相圖中(圖1)和鐵-鉻-鎳三元相圖（圖2）中，可以看出合金由液相凝固后直接形成γ奧氏體組織并保持至室溫[2]。

焊接熱循環(huán)作用下，焊縫和熱影響區(qū)金屬發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象（多層焊使再結(jié)晶現(xiàn)象加強(qiáng)）。奧氏體組織再結(jié)晶過程中不發(fā)生相變所以無法細(xì)化，且偏析方向的一致性，使新晶粒邊界易富集低熔點(diǎn)相。由于焊縫金屬具有良好的抗熱裂性，所以裂紋易出現(xiàn)在母材熱影響區(qū)或多層焊前一道焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)。

2.2 合金元素和雜質(zhì)的影響

合金元素對金屬材料的組織、性能產(chǎn)生影響。Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，主要提高鋼的高溫強(qiáng)度和耐蝕性；Ni是強(qiáng)奧氏體形成元素，提高抗電化學(xué)腐蝕的效果，但γ相易形成偏析；C有強(qiáng)的奧氏體化作用，易與Cr形成M23C6混合碳化物,但固態(tài)奧氏體對碳的溶解度急劇下降，易產(chǎn)生晶間腐蝕；Mn是奧氏體形成元素，Mn與S易形成熔點(diǎn)為1580℃的硫化錳共晶物；S是雜質(zhì)元素，硫以FeS的形態(tài)存在于鋼中。FeS與Fe可在奧氏體晶界上形成低熔點(diǎn)（985℃）的共晶體，鋼加熱到約1200℃時(shí)，晶粒間結(jié)合被破壞[3]。

增加熱裂敏感性的主要元素是S、P、B、Nb、Si和Ti。通常情況下，奧氏體對這些元素的溶解度比鐵素體低，材料含鎳更高時(shí)，溶解度會進(jìn)一步減少。

2.3 偏析的影響

多元合金的結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍，合金凝固后會形成成分不平衡的不穩(wěn)定狀態(tài)，試圖通過擴(kuò)散變?yōu)槠胶鈶B(tài)。一次結(jié)晶為γ相的區(qū)域會產(chǎn)生較大的偏析傾向，很多元素在奧氏體中的擴(kuò)散能力相當(dāng)差，析出相難于通過擴(kuò)散而達(dá)到均勻化，即使元素含量很低，低熔點(diǎn)相也可以發(fā)生析出。S、P元素在奧氏體中的溶解度小，并且由于偏析使溶解度進(jìn)一步減小，這種現(xiàn)象使剩余溶液中的有害元素的不利作用加劇。

2.4 焊接工藝的影響

高溫合金焊后，過熱區(qū)有顯著的晶粒粗化現(xiàn)象，且焊接接頭具有較大的拘束應(yīng)力，使粗晶部位液化裂紋傾向增加。故焊接工藝盡可能選用能量集中和小線能量。TIG是較好的焊接方法，具有焊接熱量集中、熔池小、焊速快、熱影響區(qū)小和焊縫金屬純凈的優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得優(yōu)質(zhì)焊縫并降低結(jié)晶粗大的傾向。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

焊接過程，熱影響區(qū)由初期承受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間和溫度對液化裂紋的產(chǎn)生起決定作用。如果在轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，熱影響區(qū)晶界處的低熔點(diǎn)物質(zhì)仍然以液相存在，晶界處液態(tài)薄膜就會擴(kuò)展，形成熱裂紋。若轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度較低，低熔點(diǎn)液相已經(jīng)凝固，結(jié)晶組織不會被液態(tài)薄膜分割，也就不會擴(kuò)展為熱裂紋。厚件焊接冷卻速度快，低熔點(diǎn)相更容易被排擠到晶粒邊界，同時(shí)，應(yīng)力轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度很高，焊縫和熱影響區(qū)在高溫時(shí)更早地承受拉應(yīng)力，從而增加熱裂紋的傾向。

3 焊接工藝措施

通過對Inconel600鋼材料冶金和力學(xué)因素的分析，我們可以看出，降低γ奧氏體相焊縫金屬再結(jié)晶傾向、成分偏析及焊接應(yīng)力，是預(yù)防焊接液化裂紋的有效措施。

3.1 焊接方法選擇

為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，選用了能量集中的TIG焊。

3.2 焊接材料

確保焊接接頭的高溫強(qiáng)度，焊材力求與母材合金成分相當(dāng)，以保證焊材與母材有同一熔點(diǎn)、同一結(jié)晶溫度、同一熱脹（收縮）率等；同時(shí)，考慮到合金元素過渡期間的燒損，選擇ERNiCr-3焊絲[1],材料化學(xué)成分見表2。

3.3 焊接設(shè)備

采用直流脈沖手工鎢極氬弧焊機(jī)，具有高頻起弧、提前送氣、延時(shí)斷氣等功能，滿足施工要求。

3.4 坡口加工及組對

構(gòu)件的坡口寬高比保持在1.5：1～2：1之間，減少熔合比。錯邊量嚴(yán)格控制在0.5mm以內(nèi)，且嚴(yán)禁強(qiáng)力組對。

3.5 坡口及焊材的清理

工件（焊絲）表面的污物（比如水、銹、油污、油漆等）會影響焊接接頭性能，高溫合金的表面常存在難熔氧化膜——NiO（熔點(diǎn)為2090℃），易在焊縫中形成夾雜物。污物的清洗可采用丙酮（或堿液）進(jìn)行，層間的打磨最好使用陶瓷低硫砂輪。

表2 INCONE L 600焊絲熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能

3.6 焊接參數(shù)

焊接采用小線能量，減少晶粒粗大形成的偏析及熱裂傾向。電弧長度盡可能短，易于控制熔透和窄焊道。構(gòu)件背部充氬保護(hù)，防止根部焊縫氧化。

3.7 焊縫檢查

焊接引弧、收弧處的打磨工作很重要，可消除存在的微裂紋。條件許可的情況下，對坡口、打底層、蓋面層焊縫進(jìn)行100%滲透檢查，確保焊接接頭表面的缺陷全部清除。

3.8 層間溫度

焊接層間溫度嚴(yán)格限制在100℃，降低焊件總的熱輸入可減少熱裂敏感性。

3.9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

材料的厚度和剛度都對熱裂紋的形成有重要影響，應(yīng)避免坡口及材料厚度的急劇變化而產(chǎn)生的焊接應(yīng)力增加熱裂傾向。

3.10 焊縫返修

提高焊接一次合格率，避免焊接缺陷，減少返修。焊后對缺陷的修補(bǔ)會引起新的裂紋，如果需要清除缺陷應(yīng)盡量減小開口面積，降低熱裂傾向。

3.11 人員因素。

焊接應(yīng)由有奧氏體鋼焊接經(jīng)驗(yàn)的且受過良好培訓(xùn)的焊工完成，對作業(yè)流程的了解和熟悉，有利于工藝紀(jì)律的執(zhí)行。監(jiān)督和控制人員也必須有相關(guān)的專業(yè)知識。

4 結(jié)論

焊接實(shí)踐證明，通過合理的工藝措施和嚴(yán)格的過程控制，可有效地防止焊接液化裂紋的產(chǎn)生，能獲得良好質(zhì)量效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1SH/T3523.《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》

2[德]埃里希.?？斯?等著.不銹鋼焊接冶金.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

3王紀(jì)安 主編.工程材料與材料形成工藝.北京：高等教育出版社，2000

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2009-03-04）