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镍钼基合金HastelloyB-3的焊接工艺评定试验

编辑:天津市金桥焊材集团有限公司  时间:2012/05/18  字号:
摘要:镍钼基合金HastelloyB-3的焊接工艺评定试验
    1     引    言
    HastelloyB-3合金为美国HAYNES 生产,是一种新型的Ni-Mo合金,是HastelloyB-2的升级产品。HastelloyB-3在焊接过程中容易产生气孔和热裂纹等缺陷,焊接过程中热输入不当,会产生晶间腐蚀。
    2     材料性能
    2.1  成分特点
    HastelloyB-3合金是HAYNES公司在HastelloyB-2产品上的升级,密度9.22 g/cm3,熔点2500~2585℃,主要化学成分见表1。
    镍钼基耐蚀合金由于镍、钼含量较高,因此在保证合金具有奥氏体组织的前提下,可减少有害金属间化合物脆性相的析出。因此在多数介质中, 有良好的耐蚀性能。
    铬、钼、铜、钛等合金元素加入镍中都能提高金属的耐蚀性。在Has-telloyB-3中的铬、钼、铜、钛等合金元素含量较高,因而HastelloyB-3合金具有更好的耐蚀性能。铬、钼、铜、钛合金元素的作用见表2。
    2.2  性能特点
    HastelloyB-3合金抗拉强度较高,塑性好。HastelloyB-3合金能通过冷加工来成形,虽然有较快的加工硬化发生,但所有常规的冷加工技术对它均适用。性能表见表3。
    2.3  焊接材料
    选用的镍及镍合金焊材应满足几个条件:
    2.3.1   使在正常焊接工艺下的焊缝(一般为焊后状态)的抗拉强度不低于母材退火状态或固溶状态下的标准下限值;
    2.3.2    焊缝的塑性和耐蚀性能不低于母材退火状态或固溶状态的母材或与母材相当;
    2.3.3    焊接性能良好,能满足镍及镍合金容器制造和使用的要求。
    根据以上几个条件,焊丝选用美国HAYNES公司的ERNiMo-10(ASME SFA 5.14 ERNiMo-10),Φ2.4mm,化学成分见表4。
    2.4  耐蚀特点
    HASTELLOY B-3合金是镍钼合金家族中的一个新成员,它对于任何温度和浓度的盐酸都有极好的抗腐蚀性。同时它对于硫酸、乙酸、蚁酸、磷酸及其他不具有氧化性的介质也具有良好的抗腐蚀性。而且,由于对其化学成分作了调整,它的热稳定性相比于原来的HASTELLOY B-2合金有了大幅的提高。B-3 合金对点腐蚀、应力腐蚀开裂、刀状腐蚀和焊接热影响区的腐蚀等均有很高的抗力。
    由于HASTELLOY B-3合金中含有29%的Mo和1.37%的Cr,因此HASTE- LLOY B-3合金也一样具有晶间腐蚀敏感性,在一些介质中也可能产生晶间腐蚀。
    当超过基体溶解度的碳处于敏化温度范围时会以碳化铬、碳化钼等碳化物形式在晶界析出,使邻近区域产生贫铬区和贫钼区,致使含铬或(和)钼的镍合金产生晶间腐蚀敏感性。
    镍合金的晶间腐蚀敏感性的大小与其受到的热过程有关,当受到焊接热循环和不正确的热处理后,焊缝金属或热影响区或母材会析出富铬相(碳化铬)、富钼相(碳化钼),使晶界“贫铬”、“贫钼”。这种现象叫“敏化”,敏化会带来两方面的危害,一是使合金脆化,冲击韧性下降;二是在某些介质中敏化后的合金会加速沿晶界的晶间腐蚀。镍合金发生敏化的温度多在550~900℃之间,HASTELLOY B-3敏化温度750~850℃[1]。
    中温敏化反映的是合金的热稳定性,热稳定性是限制镍合金应用的重要因素。热稳定性与合金的成分有关, 应降低碳、硅含量,加入稳定化元素如钛、铌、钒等。
    HASTELLOY B-3提高热稳定性主要是减少碳含量,添加了适量的稳定化元素,抑制焊后合金的敏化倾向。尽管如此,由于敏化处理温度在短时实效(若干分钟或数小时)能明显增加镍合金的晶间腐蚀性,因此在焊接过程中应尽量减少HASTELLOY B-3在敏化温度范围内的停留时间。
    3     焊    接
    3.1  焊接性分析
    HASTELLOY B-3组织为奥氏体,其焊接性与奥氏体不锈钢相似,易产生热裂纹和气孔等缺陷。
    3.1.1    热裂纹[2]
    与不锈钢相比,镍合金具有较高的焊接热裂纹敏感性,如凝固裂纹、液化裂纹等均可能发生,在弧坑处易产生火口裂纹。镍及镍合金焊接一般不会产生冷裂纹,容易产生热裂纹(凝固裂纹)。镍和硫、磷及NiO等都能形成低熔点共晶,镍及镍合金焊缝金属凝固时常形成粗大的树枝状奥氏体结晶,低熔点杂质更易集中于晶界,在晶粒凝固收缩应力和焊接应力的作用下,未完全凝固的晶界低熔点物质(晶间液膜)很容易被拉裂形成热裂纹。焊接材料中的硫含量对热裂纹形成的敏感性更起到关键作用。一般镍及镍合金的焊丝中硫含量应低于0.01% ~0.03%。焊接材料中加入锰可与硫形成硫化锰,减少晶界镍和硫生成低熔点共晶的量,可明显降低焊缝形成热裂纹的敏感性。焊丝中有时加入≤3.0% 的锰。焊接材料中也应尽量降低磷含量,焊丝的熔敷金属中一般控制磷含量低于0.015%~0.03%。提高锰含量可以提高磷在基体中的溶解度,也可以减少晶界形成镍与磷低熔点共晶的数量,降低热裂纹的敏感性。镍合金中含有铬、钼、铝、钛、铌等可在焊缝中起变质剂作用,能细化晶粒并打乱枝晶方向。铝、钛能起到脱氧作用,减少NiO的量,这些都对防止产生热裂纹是有利的。
    晶间液膜是引发镍合金单相奥氏体焊缝凝固裂纹的主要原因。S、P、Pb、Zn等是造成晶间低熔点液膜的主要元素。因此,在焊接过程中必须严格限制有害杂质的侵入,避免或减少晶间液膜的生成。为此,在焊接前,必须对母材和焊丝进行严格清理,防止有害元素向焊缝区过渡。当焊接线能量过大时,由于输入热量大,晶界上的低熔点相就会熔化而形成液化裂纹。因此,焊接镍合金时应选用比较低的线能量。
    3.1.2    气孔[2]
    镍及镍合金,特别是工业纯镍和镍铜合金,固液相的温度间距小,流动性偏低。在焊接快速冷却凝固结晶的条件下,一些气相组分在固相中的溶解度要远低于液相,气相来不及析出便在焊缝金属中形成气孔。镍及镍合金的焊接比碳钢和低合金钢焊接较易形成气孔,尤其是在氧化性焊接气氛中,产生气孔的几率更大些。镍及镍合金的焊缝金属在高温下会与氧反应形成NiO,冷却过程中又与溶于金属中的氢反应生成水蒸气,与溶于金属中的碳反应生成一氧化碳(CO), 在结晶时这些气体往往来不及逸出会形成气孔。尤其是在镍及镍合金和钢进行异种金属焊接时,由于钢中的碳含量往往较高,可能产生的一氧化碳量较多,形成气孔的敏感性可能会较大。另外,在还原性气氛中焊接时,也可能由氢气产生气孔敏感性。因而在焊前对工件表面去除氧化皮、水分、有机物等均可减少产生气孔可能。焊缝金属中含有锰、钛、铝等元素可起到脱氧作用。含有铬、锰能提高气体在固体金属中的溶解度,对减少气孔也能起到有利作用。
    为了防止气孔的产生,必须消除产生气孔的来源,在施焊前必须清除坡口及近缝区的氧化物、各种涂料、油污等。焊前镍及镍合金焊件上除应去除水分、有机物、氧化物外,还应特别注意表面不可残留含硫与含铅物质,以免焊缝与焊接接头中因镍与硫或铅作用而产生脆性。
    3.2    焊接工艺
    3.2.1 焊接方法
    HASTELLOY B-3焊接时采用钨极氩弧焊,这样有利于满足焊接接头在焊后状态有良好的耐晶间腐蚀性能。同时钨极氩弧焊能够较好的控制线能量,焊接质量稳定,焊缝成形好,氩气会对焊接接头产生保护作用。
    3.2.2    坡口加工
    焊接工艺评定试板选择的板厚为10mm,坡口加工成“X”型,如附图所示。坡口加工采用机械方法等冷加工方法进行,以保证加工表面的形状、尺寸和光洁度。坡口不应有分层、折叠、裂纹等缺陷。
    3.2.3    施焊环境[1]
    HASTELLOY B-3的焊接应在洁净、无尘、无烟、无污染的专门隔离的区域中进行。当施焊环境出现下列任一情况,且无有效防护措施时,禁止施焊[1]:
    a)焊条电弧焊、埋弧焊时风速大于10m/s;
    b)气体保护焊时风速大于1.5m/s;
    c)相对湿度大于80%;
    d)雨、雪环境;
    e)焊件温度低于5℃。
    3.2.4    焊前准备
    焊接前在焊接坡口及其两侧25mm 宽度的金属表面上修磨去除氧化色,并用丙酮清洗去除焊接坡口及其两侧25mm宽度及焊丝上的油脂水分与其它污染物;必须彻底清除氧化膜;应杜绝无用焊材、焊工不洁衣服上的有害物质对其污染。
    3.2.5    焊接保护
    焊接过程中熔池和焊丝热端要始终处在喷嘴的氩气保护之下,温度在300℃以上的焊缝也要用拖罩保护。采用较大的焊枪喷嘴以便把熔池最大限度的屏蔽在保护气流之中,要始终把焊丝的热端留在熔池中。若焊丝末端已经氧化,在重新起弧前剪去焊丝末端。多层焊时,每一层都要用拖罩上下保护高温焊缝。保护效果的好坏可以用焊缝表面颜色判定,银白色为最佳。
    3.2.6    焊接工艺参数
    镍合金的焊接熔池液态金属流动性较差,熔深较浅,这是镍合金固有特性。增大焊接电流也不能改进熔池液态金属流动性和增加熔深,反而起着有害作用。由于镍合金的导热性较差,大电流焊接焊缝和热影区容易过热造成晶粒粗大,增大热裂纹敏感性。
    基于镍合金的上述特点,应严格限制焊接线能量,即降低焊接电流或提高焊接速度。采用小直径焊丝小电流多层多道焊接。焊接工艺参数见表5。
    对于钨极气体保护焊,线能量Q不应超过10kJ/cm,层间温度不超过60℃, 不用焊前预热和焊后热处理[2]。
    线能量可以参照下面公式进行计算:
    式中,U—焊接电压(V);
    I—焊接电流(A);
    V—焊接速度(cm/min)。
    3.2.7    焊接中的注意事项[1]
    a)焊接坡口及焊接材料的处理必需达到要求;
    b)起弧与收弧应分别在引弧板或收弧板上;
    c)与介质接触的焊缝应最后施焊,这样有利于提高焊接接头的耐蚀性能;
    d)焊接过程中对焊接线能量与层间温度的控制要严格;
    E)为减轻镍合金焊接接头在焊后状态的晶间腐蚀敏感性,在多道焊的焊接过程中,从第2道焊道开始,推荐在焊缝背面采用强制水冷。
    4     外观检查以及无损检测
    焊缝和热影响区表面进行100%检查,不应有裂纹、未熔合、气孔、咬边、弧坑、夹杂、未填满等缺陷,焊缝外不应有打弧点。焊缝与母材应圆滑过渡。
    焊缝无损检测执行JB/T4730-2005 《承压设备无损检测》标准。焊接接头100%RT检测,达到Ⅱ级合格;焊接接头100%PT检测,达到I级合格。
    5     性能检验
    通过对HastelloyB-3合金焊接试板取样分别进行力学性能试验、耐晶间腐蚀试验、化学分析,结果见表6。
    6      结束语
    6.1   HastelloyB-3合金具有良好的焊接工艺性能;
    6.2   应控制焊接线能量,以及注意控制焊前处理等工艺要求;
    6.3   通过对焊前、焊接过程的控制,此焊接工艺评定满足JB/T4745-2006《镍及镍合金制压力容器标准释义》附录B的要求,焊接工艺评定合格。
    参考文献
    [1] JB/T4756-2006 镍及镍合金制压力容器标准释义。 北京: 新华出版社。 2006年12月第1版。
    [2] 焊接手册第2卷。 材料的焊接。 北京: 机械工业出版社。 2001年7月第2版。
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