Inconel600鋼液化裂紋產生機理淺談及防治

胡 偉 中國石油天然氣第七建設公司 山東膠州 266300

Inconel600鋼液化裂紋產生機理淺談及防治

胡 偉 中國石油天然氣第七建設公司 山東膠州 266300

通過材料冶金因素和力學因素對焊接質量的影響，淺析Inconel600材料焊接液化裂紋缺陷產生的機理，并結合實際施工確定了合理的焊接工藝及預防措施，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高壓注氧產生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，易在焊接熱影響區（包括多層焊的前一道焊縫熱影響區）產生熱裂紋，焊縫返修表現的尤為突出。細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力擴展成可目測的粗大裂紋。

2 材料焊接冶金和力學因素分析

Inconel600鋼為鎳合金耐高溫材料（美國牌號），主要應用于抗腐蝕領域。高鎳含量使材料在腐蝕環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境下的抗腐蝕特性。材料化學成份及力學性能詳見表1[1]。

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

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

表1 INCONE L 600化學成分和常溫力學性能

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

2.1 一次結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72%。Ni是強奧氏體形成元素（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]。

焊接熱循環作用下，焊縫和熱影響區金屬發生再結晶現象（多層焊使再結晶現象加強）。奧氏體組織再結晶過程中不發生相變所以無法細化，且偏析方向的一致性，使新晶粒邊界易富集低熔點相。由于焊縫金屬具有良好的抗熱裂性，所以裂紋易出現在母材熱影響區或多層焊前一道焊縫的熱影響區內。

2.2 合金元素和雜質的影響

合金元素對金屬材料的組織、性能產生影響。Cr是強碳化物形成元素，主要提高鋼的高溫強度和耐蝕性；Ni是強奧氏體形成元素，提高抗電化學腐蝕的效果，但γ相易形成偏析；C有強的奧氏體化作用，易與Cr形成M23C6混合碳化物,但固態奧氏體對碳的溶解度急劇下降，易產生晶間腐蝕；Mn是奧氏體形成元素，Mn與S易形成熔點為1580℃的硫化錳共晶物；S是雜質元素，硫以FeS的形態存在于鋼中。FeS與Fe可在奧氏體晶界上形成低熔點（985℃）的共晶體，鋼加熱到約1200℃時，晶粒間結合被破壞[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，溶解度會進一步減少。

2.3 偏析的影響

多元合金的結晶是在一個溫度范圍，合金凝固后會形成成分不平衡的不穩定狀態，試圖通過擴散變為平衡態。一次結晶為γ相的區域會產生較大的偏析傾向，很多元素在奧氏體中的擴散能力相當差，析出相難于通過擴散而達到均勻化，即使元素含量很低，低熔點相也可以發生析出。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一步減小，這種現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，過熱區有顯著的晶粒粗化現象，且焊接接頭具有較大的拘束應力，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、熱影響區小和焊縫金屬純凈的優點，能夠獲得優質焊縫并降低結晶粗大的傾向。

2.5 結構設計的影響

焊接過程，熱影響區由初期承受壓應力轉變為拉應力，轉折點的時間和溫度對液化裂紋的產生起決定作用。如果在轉折點時，熱影響區晶界處的低熔點物質仍然以液相存在，晶界處液態薄膜就會擴展，形成熱裂紋。若轉折點溫度較低，低熔點液相已經凝固，結晶組織不會被液態薄膜分割，也就不會擴展為熱裂紋。厚件焊接冷卻速度快，低熔點相更容易被排擠到晶粒邊界，同時，應力轉折點的溫度很高，焊縫和熱影響區在高溫時更早地承受拉應力，從而增加熱裂紋的傾向。

3 焊接工藝措施

通過對Inconel600鋼材料冶金和力學因素的分析，我們可以看出，降低γ奧氏體相焊縫金屬再結晶傾向、成分偏析及焊接應力，是預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度，焊材力求與母材合金成分相當，以保證焊材與母材有同一熔點、同一結晶溫度、同一熱脹（收縮）率等；同時，考慮到合金元素過渡期間的燒損，選擇ERNiCr-3焊絲[1],材料化學成分見表2。

3.3 焊接設備

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

3.4 坡口加工及組對

構件的坡口寬高比保持在1.5：1～2：1之間，減少熔合比。錯邊量嚴格控制在0.5mm以內，且嚴禁強力組對。

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焊絲熔敷金屬化學成分和力學性能

3.6 焊接參數

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。構件背部充氬保護，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 結構設計

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

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。焊后對缺陷的修補會引起新的裂紋，如果需要清除缺陷應盡量減小開口面積，降低熱裂傾向。

3.11 人員因素。

焊接應由有奧氏體鋼焊接經驗的且受過良好培訓的焊工完成，對作業流程的了解和熟悉，有利于工藝紀律的執行。監督和控制人員也必須有相關的專業知識。

4 結論

焊接實踐證明，通過合理的工藝措施和嚴格的過程控制，可有效地防止焊接液化裂紋的產生，能獲得良好質量效果和經濟效益。

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程》

2[德]埃里希.福克哈德 等著.不銹鋼焊接冶金.北京：化學工業出版社，2004

3王紀安 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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1672-9323（2010）04-0037-03

2009-03-04）