N06625鎳基合金焊接試驗研究

夏萬福，羅顯兵，翟 磊，姜東曉

(四川驚雷科技股份有限公司,四川 宜賓 644623)

鎳基耐蝕合金具有優良的耐蝕性，良好的塑韌性以及較高的強度，還具有優異的綜合性能，可冷熱變形、冶煉、鑄造和焊接等，廣泛應用于航空航天、海洋裝備、石油天然氣和冶金工業等[1]。N06625合金是一種對各種腐蝕介質都具有優良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金，其含碳量低并經過穩定化熱處理，它具有良好的綜合性能[2-3]。625合金在固溶狀態下，為單一奧氏體組織，面心立方晶格，在時效狀態下將會析出碳化物和金屬間相，650℃長時間保溫后，將析出碳和不穩定的四元相，并將轉化為穩定的Ni3(Nb、Ti)斜方晶格相，該合金對形成σ向不敏感。因為該合金中Cr、Mo含量較高且含有Nb。因此，它非常適用于有高耐蝕性又要求較高強度的一些條件下使用[4-5]。王元偉對N06625 合金 GTAW 焊接接頭組織及力學性能進行研究[6],張春林等對UNS N06625合金熱成型工藝進行了模擬試驗和分析[7]。歐新哲等研究了固溶處理對 UNS N06625合金組織和力學性能的影響[8]。本文介紹了N06625材料的性能、焊接特點，通過對不同焊接參數下試樣的力學性能和腐蝕速率的比較，總結了堆焊過程中的質量控制工藝參數，為工業生產提供了理論基礎。

1 概述

1.1 N06625合金性能

N06625合金化學成分及部分物理、力學性能見表1、表2。

表1 N06625合金化學成分

表2 N06625合金部分物理及力學性能

1.2 N06625合金焊接特點

625合金除具有鎳基合金共同的焊接特性外(如：對熱裂紋敏感，液態焊縫金屬流動性差等)，還具有以下一些特點：

(1) 625合金含Mo量高達9%左右，由于Mo在奧氏體中溶解度低，故易向液體中偏析，因此先結晶的固相(即枝晶中心)易形成貧Mo而優先被腐蝕[9]。

(2) 由于625合金含Nb量很高，達3.15%～4.15%，Nb可與C、Si、S、P等結合，形成如Fe4Nb5Si3等金屬間化合物和低熔點共晶而引起熱裂紋。

(3) 625合金復合板焊接時，由于稀釋作用，鐵加入到焊縫中，鐵對敏化態的NiCrMo合金耐蝕性十分有害，因為它能促進有害金屬間相μ和ρ的析出。同時鐵的加入，使Mo和Nb在奧氏體中的溶解度減小，從而增加Mo和Nb的偏析傾向，進而加大熱裂紋和腐蝕傾向[10]。

(4) 625合金在700～950℃之間加熱，晶間腐蝕十分嚴重，因為此溫度下會有大量的Cr和Mo碳化物析出，為此焊后應快速冷卻以盡快通過此溫度區間。

(5) 625焊縫結晶溫度區間寬，液態溫度為1360℃，最終結晶反應溫度為1152℃，結晶溫度區間達208℃，在此溫度區間如受力，焊縫很容易開裂，故熱裂紋傾向大[6]。

1.3 焊接對策

針對625合金上述特點，在焊接時宜采取以下對策：

(1) 焊前仔細的清潔和保護是保證焊接質量的關鍵，應徹底清除工件及焊絲表面污物，并用丙酮擦拭干凈，坡口應采用機械刨邊，清根可用砂磨。

(2) 盡量采用小規范施焊，嚴格控制線能量，焊接熱輸入宜小于1.5kJ/mm，層間溫度應低于100℃(推薦≤80℃)，在焊接復合板時，過渡層應采用小焊絲、小規范、快速焊，盡量減少母材中Fe對合金的稀釋。

(3) 宜選擇含C量低，含S、P等雜質低，含Fe不高的焊材施焊，以避免熱裂紋和耐蝕性能下降。

(4) 對復層厚度較薄的復合板，如要滿足高耐蝕性要求，則最好選用59、686、C-22等焊材，以減少合金元素稀釋帶來的不利影響。

1.4 焊接材料的選擇

我們在焊接試驗中過渡層、復層選用含Mo量較高的焊絲ERNiCrMo-3，規格為φ2.4，采用鎢極氬弧焊焊接；基材選用焊條E5015，規格為φ4.0，采用焊條電弧焊進行焊接。試驗中所用到的焊材化學成分見表3。

表3 焊接試驗所用焊接材料化學成分

2 N06625合金及其復合板焊接試驗

我們按N06625合金純材、N06625+Q345R(δ2+22)復合鋼板對接以及N06625+Q345R (δ2+22)復合鋼板耐蝕堆焊三種情況，分別進行了一系列的焊接試驗，現分類詳述如下：

2.1 N06625對接試驗

采用鎢極氬弧焊進行焊接，分別以焊態和消應力態熱處理進行性能試驗，編號為1-1和1-2，試板坡口形式及焊縫層道示意圖如圖1所示。

焊接時先采用角向砂輪機認真清理坡口面及兩側50mm范圍的雜物，并用丙酮清洗干凈。施焊時采用背面通氬保護，氬氣流量為18L/min，第一層焊完后用砂輪機打磨清理，然后焊第二層，層間溫度小于80℃。對該試板進行了力學性能和腐蝕性試驗，試驗結果數據見表4-表6。

圖1 焊接坡口示意圖及層道布置 表4 625合金對接試驗焊接規范參數

編號層道焊接方法焊接材料牌號直徑極性焊接電流/A焊接電壓/V焊速/(cm/min)線能量/(kJ/cm)Ar氣流量/(L/min)鎢極直徑噴嘴直徑1-11-212～34GTAWGTAWGTAWERNiCrMo-3ERNiCrMo-3ERNiCrMo-3φ2.4φ2.4φ2.4正接正接正接13014014012-1312-1412-141615145.9-6.36.7-7.87.2-8.410-1210-1210-122.52.52.5φ18φ18φ18

表5 力學性能

表6 腐蝕試驗數據

注：腐蝕率g/m2·h：克(g)/m2(平方米)·h(小時) mm/y：毫米(mm)/年(y)。

從試驗數據來看，焊態和消應力熱處理態在力學性能和耐蝕性沒有太大的區別。

2.2 N06625合金復合板對接焊試驗

針對N06625+Q345R(δ2+22)復合鋼板焊接，分為焊態和消應力熱處理，進行了兩組試驗，編號分別為2-1和2-2，焊接坡口示意圖及層道布置如圖2所示。

圖2 焊接坡口示意圖及層道布置 表7 焊接規范參數

兩副試板力學性能及腐蝕試驗結果見表8、表9。

表8 力學性能

注：試樣帶覆層。

從試驗數據來看，焊接接頭的力學性能均合格。但焊接接頭強度普遍偏高，這是由于堆焊的耐蝕層合金焊縫強度較高造成。

表9 2-1 2-2腐蝕試驗數據

注：腐蝕率g/m2·h：克(g)/m2(平方米)·h(小時) mm/y：毫米(mm)/年(y)。

焊縫的腐蝕率較N06625純材對接要高很多，這主要是由于焊接過程中合金元素的稀釋引起。因此，在工程上，為保證熔敷金屬的耐蝕性，除控制焊接線能量外，保證一定厚度的耐蝕層合金也非常重要。

2.3 N06625合金復合板耐蝕堆焊試驗

爆炸焊接的鋼板，其結合率受很多因素影響。當工程上所需要的復合鋼板質量等級為B1級即100%結合時，就需要對未結合區域進行補焊。考慮到N06625+Q345R復合板用于壓力容器設備制造過程中可能進行的熱處理狀態，以焊態、中溫消應力熱處理態兩種形式進行試驗。試樣編號分別為3-1，3-2。堆焊試驗所用焊接材料及規范見表10，層間溫度均小于80℃，焊縫層道示意圖如圖3所示。

圖3 堆焊試驗示意圖 表10 3-1 3-2焊接規范參數

編 號層道焊接方法焊接材料牌 號直徑極 性焊 接電流/A焊接電壓/V焊 速/(cm/min)線能量/(kJ/cm)Ar氣流量/(L/min)鎢極直徑噴嘴直徑3-1過GTAWERNiCrMo-3φ2.4正接130-14012-13137.2-8.415φ2.5φ183-2復GTAWERNiCrMo-3φ2.4正接140-16012-13119.2-11.315φ2.5φ18

試驗數據詳見表11、表12和表13。

表11 試板3-1，3-2力學性能試驗數據

表12 試板堆焊層化學分析數據

從成分分析來看，距碳鋼界面越遠，Fe的稀釋率就越小，C含量也越低，Cr、Ni、Mo等合金元素含量就越高，焊縫的耐蝕性也會表現得越好。

表13 試板3-1，3-2腐蝕試驗數據

注：腐蝕率g/m2·h;mm/y

從腐蝕數據結果來看，堆焊層的腐蝕數據與復合板對接的腐蝕數據接近。因為工藝基本相似。

2.4 試驗結果分析

從以上幾個試驗的結果來看，1-1和1-2(N06625純材對接試驗)各檢驗項目數據都比較理想；N06625+Q345R復合板的對接及堆焊試驗，力學性能、化學分析等滿足要求，而腐蝕數據與純材N06625對接相比，腐蝕數據偏大。產生腐蝕數據偏大的原因可能有以下幾方面因素：

(1)焊接過渡層時Fe的稀釋過大，促使Mo和Nb的偏析加大，加大了合金的腐蝕傾向。

(2)規范選擇過大，使得焊縫中某些合金元素燒損造成的。

(3)影響腐蝕率的另一個原因是腐蝕試樣的制取和加工。通過直讀光譜儀可以分析，由于焊縫稀釋的影響，靠近碳鋼界面一側的合金元素較表面側的合金元素要低，如果腐蝕試樣的結果反映在一個面存在點腐蝕，而另一個面很光亮，這時候應分析是否與試樣制取有關系?特別是制備的試樣厚度較厚時，應引起重視。一般推薦2mm覆層的腐蝕試樣厚度不大于1.0mm，3mm的覆層的腐蝕試樣厚度不大于1.5mm。

3 結論

通過對N06625合金及N06625+Q345R復合鋼板的焊接試驗，基本上可得出以下結論：

(1)焊前的清潔度要求很高，應認真清理、去除焊絲、坡口面及兩側區域內的油污、雜物、記號筆跡等，必要時可選用不銹鋼絲輪打磨或使用丙酮清洗。

(2)宜選用含碳量低，含硫、磷雜質低，含鐵量不高的焊材施焊，以避免熱裂紋和耐蝕性能下降。

(3)使用小直徑焊接材料，選用小規范施焊，嚴格控制焊接線能量，最好小于1.2kJ/mm，層間溫度最好控制在80℃以下。

(4)在焊接復合鋼板時，過渡層焊接應采用小焊絲、小規范、快速焊、不擺動等技術措施，盡量減少母材中Fe對合金的稀釋。

(5)對于復層較薄的復合板，考慮到Mo、Nb的偏析，及Fe的稀釋，如要滿足高耐蝕性要求，可優先考慮選用59、686、C22等更高級別的焊材，以減少合金元素稀釋帶來的不利影響。

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