Inconel 625帶極埋弧堆焊管板工藝

王東麗 ，高 磊 ，董 研 ，程 龍

（1.撫順化工機械設備制造有限公司，遼寧撫順113122；2.遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001）

0 前言

Inconel625屬于鎳-鉻系列固溶強化鎳基耐蝕合金，具有良好的切削加工性能，對大部分酸性溶液都有良好的耐腐蝕性能，且在高溫下可保持較好的機械性能和抗氧化性能，因此廣泛用于化工設備、海洋石油、航空航天等領域[1-2]。近年來，隨著石油化工行業的迅猛發展，當面臨高溫、高壓和強腐蝕介質的苛刻條件時，傳統的不銹鋼制換熱器無法滿足使用要求，促使了Inconel625制換熱器的生產。撫順化工機械設備制造有限公司為寧波中金公司制作的預加氫進料換熱器管板材質為16Mn堆焊Inconel625，該設備管板直徑較大，如果采用傳統的焊條電弧焊，不但焊接效率低下，而且勞動強度大、焊接質量不易保證，因此選用焊接效率較高的帶極埋弧堆焊。

1 產品設計技術條件及結構

預加氫進料換熱器是寧波中金石化有限公司芳烴項目三聯合重整裝置中重要設備之一，因其管程介質的特殊性（管程介質為石腦油、氫氣、并含有硫化氫），管程材料選擇UNS N06625，該材料具有優異的抗氫及硫化氫的腐蝕性能。產品簡圖見圖1，產品設計主要技術參數見表1。

2 焊接設備

選用無錫市利達機械廠的ZD5-1600型立柱式自動焊接操作機，其操作簡單、方便、快捷，在實際生產中應用十分廣泛。

圖1 預加氫進料換熱器簡圖

表1 主要技術參數

3 母材及焊材

管板材料為16Mn（Ⅳ級鍛件），符合NB/T47008－2010《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》要求。管板毛坯尺寸φ1 835 mm×298 mm，厚度加12 mm加工余量，直徑加18 mm加工余量。

焊帶為EQ62－50（符合AWS A5.14M的EQNi CrMo－3），規格60 mm×0.5 mm，配ES200 焊劑（10－60目）；焊劑屬于堿性氟化物燒結焊劑，脫渣性良好，能夠有效防止合金元素在焊接過程中的燒損，提高堆焊過程的穩定性。焊接材料的化學成分如表2所示。

表2 焊帶和耐蝕層熔敷金屬化學成分 %

4 焊接工藝

4.1 焊接方法

管板采用帶極埋弧堆焊，與焊條電弧堆焊相比，具有熔敷面積大、熔敷效率高、焊道平整、稀釋率低、成型好以及焊劑損耗少等優點[3]。

4.2 工藝參數

工藝參數包括焊接電流（單位：A）、電壓（單位：V）、焊接速度（單位：mm/min）、焊道間的搭接量、焊帶的干伸長度、層間溫度等。

焊接電流對熔敷金屬稀釋率的影響較大。隨著焊接電流的增加，熔深和焊帶送進速度都有所增加，堆焊層厚度也相應增加，稀釋率隨之增大，焊道成形變差[4]。

電壓對堆焊過程的穩定性及焊道成形有較大影響。電壓過高會使熔池和焊道的穩定性變差，電弧現象增加明顯；電壓過低會造成短路，導致焊帶與母材粘連。鎳基合金黏度大，流動性較差，電弧電壓在30～35 V時，焊道成形良好，渣池穩定。

焊接速度對稀釋率和焊道成形的影響較大。隨著焊接速度的增大，堆焊層厚度減小，稀釋率增大。但焊接速度過快，會產生咬邊，形成熔合不良。為了控制稀釋率和獲得好的焊道成形，焊接速度控制在160～180 mm/min為宜。

由于鎳基合金焊帶的電阻大，相比不銹鋼焊帶，需將伸出長度減少1/3～1/2[5]，焊帶干伸長度為20～30 mm，焊道搭接量8～10 mm。另外，應嚴格控制層間溫度小于等于100℃，以減小焊接熱裂紋的敏感性。焊接工藝參數如表3所示。

表3 堆焊焊接工藝參數

4.3 產品堆焊

產品堆焊時，將管板固定在轉胎上，由外向內進行焊接。每圈起始點應錯開，當直徑小于200 mm時改為焊條、直焊道的堆焊方式，直焊道與最里圈的圓焊道光滑過渡，并使收弧位置在同一側。堆焊完成后，打磨收弧側堆焊金屬。這樣整個管板表面堆焊層平整美觀，堆焊質量好，堆焊后的管板全貌如圖2所示。

圖2 堆焊后的管板全貌

5 焊接工藝評定

根據技術協議要求，在產品正式焊接前，按NB/T47014－2011《承壓設備焊接工藝評定》標準評定管板焊接工藝。焊接工藝評定時所用材料及工藝參數應與產品制造時一致，基層為16Mn（Ⅳ級鍛件），規格為 40mm×200mm×300 mm。

5.1 評定過程

試件采用EQ62－50焊帶配ES200焊劑堆焊2層，堆焊層總厚度8 mm，滿足圖紙堆焊層厚度6 mm的要求。每道堆焊后用紅外線測溫儀測量其道間溫度，確保溫度控制在100℃以內。

5.2 檢測內容

根據工藝評定要求和Inconel625材料特點進行宏觀表面檢測、無損檢測、彎曲試驗檢測、硬度檢測、金相組織分析、化學成分分析及腐蝕試驗等。

5.2.1 宏觀檢測

試件焊接完成后進行外觀宏觀檢測，焊縫外觀成形良好，無裂紋、夾渣、咬邊及氣孔等缺陷。焊接完成后表面存在金屬氧化色，采用不銹鋼絲刷進行清理，直至露出金屬光澤，符合評定標準要求。

5.2.2 無損檢測

試件每堆焊一層后應進行PT和UT檢測，堆焊層表面無裂紋和氣孔，堆焊層和基層無未熔合及分層現象，符合JB/T4730.3－2005《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》[6]和 JB/T4730.5 －2005《承壓設備無損檢測第5部分：滲透檢測》的標準要求[7]。

5.2.3 彎曲試驗

按照NB/T47014－2011《承壓設備焊接工藝評定》標準及產品的技術協議取4個3 mm厚側彎試樣和4個10 mm厚側彎試樣進行試驗，彎軸直徑d分別為 12 mm、40 mm，彎曲角度 α=180°。

8個試樣均完好無開裂。側彎表面中間的夾層沒有凸起現象，說明第一層焊層與母材熔合良好，如圖3所示。

5.2.4 金相組織及化學成分分析

與沉淀強化型鎳基合金相比，固溶強化型鎳基合金Inconel625焊接接頭組織較為簡單，焊縫形成過程就是金屬從熔化到凝固的過程。當焊接熔池冷卻速度非常快時，由于晶內偏析，焊縫會形成層狀組織，如果偏析嚴重，則會在枝晶狀組織之間生成共晶組織；焊接工藝參數若選擇不恰當，也會影響焊接接頭的力學性能和腐蝕性能[8－9]。在焊縫的熔合區附近，由于組織過熱促使晶粒長大，隨著溫度升高某些相的溶解度會發生變化，不可避免地出現不均勻的組織性能，因此焊接時焊材成分應盡量與母材成分相同，這樣可以很好地降低組織的不均勻性，提高焊接接頭的性能。管板堆焊的金相組織如圖4所示。

圖3 彎曲試樣外觀

圖4 堆焊組織

由圖4c可知，試件的熔合區和焊縫均無微型裂紋，組織均勻。經測量，堆焊層最小厚度為9 mm，達到技術協議要求。試件母材組織為帶狀珠光體+鐵素體和少量滲碳體（見圖4a），硝酸酒精對鐵素體和滲碳體的腐蝕性弱于對珠光體的，因此在金相顯微組織中它們呈白色；而鐵素體晶界處主要為珠光體，容易被腐蝕，呈黑色。焊接時相當于對熱影響區組織進行了二次熱處理，不但抑制了晶界處珠光體的成核及長大，促進熱影響區組織向奧氏體轉變，還使得奧氏體晶粒粗大，如圖4b、4c所示。堆焊層為樹枝狀的奧氏體組織（見圖4d），這是由于堆焊層在凝固開始和結束時都為全奧氏體組織，隨著奧氏體相的析出凝固，雜質及合金元素在焊縫中逐漸形成偏析，其在奧氏體組織內的擴散能力降低，使得凝固結束后偏析的輪廓得以保留。由以上分析可知，堆焊試件的組織分布良好，符合評定標準及技術協議要求。

堆焊層化學成分見表2中的“熔敷金屬”。

5.2.5 硬度檢測

采用顯微硬度檢測方法進行硬度檢測，設定壓力0.981 N，載荷100 gf，持續時間10 s，目鏡放大倍數為40，堆焊試件的硬度如圖5所示。

由圖5可知，堆焊層硬度大于基體硬度，熔合區硬度也高于基體，但略低于堆焊層，這是由于組織受熱長大引起的。

5.2.6 晶間腐蝕試驗

按照GB/T15260-1994《鎳基合金晶間腐蝕試驗方法》標準要求進行腐蝕試驗，試樣在Cu-CuSO4-16%H2SO4溶液中加熱至微沸狀態持續24 h后，取出進行彎曲試驗，彎曲角度180°，彎曲后用10倍放大鏡進行目視檢查，均未發現晶間腐蝕裂紋，試樣合格。

圖5 堆焊硬度

6 結論

所有堆焊層理化性能均符合標準及技術協議的要求。利用該工藝在預加氫進料換熱器的兩塊管板上施焊，堆焊層結合面和表面均未發現裂紋和超標缺陷，說明此鎳基合金埋弧帶極堆焊工藝是合理的。因此，鎳基合金埋弧帶極堆焊時嚴格按工藝要求對工件表面進行打磨清理，采用合理的焊接順序，嚴格控制焊接工藝參數，就能夠解決鎳基合金埋弧帶極堆焊時裂紋、氣孔、夾渣、腐蝕等缺陷，焊出合格的焊縫。