高硬度鎳基合金彎曲試樣的加工工藝研究

蒲貴明

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

鎳基合金通常在650～1000℃以上工作，它具有較高的高溫強度、持久強度和抗蠕變強度，基于上述特點，被廣泛應用于化工成套設備及高參數電站鍋爐等惡劣環境[1]。在化工壓力容器制造過程中，經常對存在高熱處理溫度差的異種鋼，焊接時會采用鎳基合金作為填充金屬。由于鎳基具有很高的硬度，在制作焊接工藝評定的彎曲試樣過程及實施彎曲試驗過程中，試樣的彎曲結果直接關系到焊接工藝的合理性，因此研究高硬度鎳基合金彎曲試樣的加工工藝對指導鎳基焊縫用壓力容器的制造具有非常重要的意義。

1 試驗準備材料與方法

本次試驗準備工作按照以下程序進行：

1.1 試驗母材及方案

本次試驗所用試板母材為12Cr2Mo1VR和13MnNiMoR鋼板，試板尺寸為 60mm×130mm×400mm，試板開10°V型坡口。其制備工藝方案為：先在兩塊試板的V型坡口面上電渣堆焊鎳基焊帶6mm，然后打磨堆焊層表面至平整，分別按各自母材的性能進行熱處理。裝配對接試板，根部裝配間隙預留15mm，焊接過程中需要添加墊板，墊板材料為Q345R，尺寸為 10mm×40mm×400mm。

1.2 焊接材料及焊接參數

試板堆焊所用焊帶為EQNiCrMo-3及配套焊劑，試板對接所用焊絲為ERNiCrMo-3及配套焊劑，其焊接工藝參數見表1，堆焊后的熱處理參數見表2：

表1 焊接工藝參數

表2 堆焊后熱處理參數

2 試驗過程及結果分析

從試驗前的理論上分析，因鎳基合金硬度較高，在加工過程中很容易產生淬硬層，淬硬層的產生極易引起加工硬化，對彎曲試驗結果將產生一定的影響。將上述準備好的試板，沿試板厚度方向進行橫向加工，具體加工工藝如下：

2.1 常規加工及彎曲試驗

彎曲試樣加工，可先用鋸床在試板厚度方向切割成12mm厚試樣，然后用銑床加工試樣內外表面溝痕、毛刺至10mm厚，將加工完成的彎曲試樣（試樣形式如圖1所示），在壓力機上按照表3參數進行彎曲試驗。

表3 彎曲試驗參數

圖1 試樣形式

試樣彎曲后的結果如圖2所示，發現全部開裂或斷裂。其中，圖2（a）中斷裂位置發生在堆焊層，圖2（b）中開裂位置在填充焊縫，開裂方向沿著銑刀加工痕跡開裂，圖2（c）中斷裂位置發生在焊縫中間位置。

圖2 試樣彎曲后的結果

文獻[2]在研究航空發動機的鎳基合金磨削技術時曾提到：鎳基合金加工過程中未完全去除的殘留在工件表面的毛刺及磨粒等，對材料受到剪切應力時所承受的強度有影響，同時，磨削時產生的瞬時高溫對工件材料表面會有燒傷。通過上述試驗結果推斷分析，鎳基合金彎曲試樣加工過程中，瞬時高磨削溫度易在試樣表面產生加工硬化層，同時在試樣彎曲時，銑刀刀痕處易引起應力集中。應力集中和加工硬化層是導致試樣彎曲開裂的主要原因。

2.2 常規加工后拋光處理及結果分析

按照上述2.1內容加工后，對試樣彎曲受拉表面先用砂紙將銑刀刀痕打磨消除，然后對表面進行拋光處理，以消除在彎曲時易引起應力集中的刀痕、毛刺、磨粒、尖銳、溝槽和部分表面加工硬化層，按照NB/T47013.5-2015《承壓設備無損檢測—滲透檢測》標準進行100%PT探傷，確保無影響彎曲試樣開裂的表面微裂紋后，按照表3參數進行彎曲試驗。

試樣的彎曲結果如圖3所示，發現試樣未發生斷裂和大面積開裂，但是在焊縫中心仍有肉眼可見的微小裂紋。將圖2和圖3試驗結果進行對比觀察可發現，應力集中和加工硬化均可導致鎳基試樣彎曲開裂和斷裂，而在消除刀痕、毛刺、磨粒、尖銳、溝槽和部分表面加工硬化層后，彎曲時仍有裂紋存在，但是裂紋數量及長度相比打磨拋光前大幅減少。同時由此看出，少量的加工硬化層即可導致鎳基試樣彎曲開裂。

圖3 拋光處理后彎曲結果圖

2.3 線切割加工及結果分析

利用線切割技術，將試板沿厚度方向切割成厚度為10mm的彎曲試樣，試樣形式如圖1所示，并在壓力機上按照表3參數進行彎曲試驗。

圖4 線切割后彎曲結果圖

彎曲結果如圖 4（a）、（b）所示，經過線切割取樣后，所有的鎳基試樣彎曲試驗全部合格。由于線切割取樣過程中，切割速度較慢，在用水冷卻時，冷卻液能提升穩定換熱的能力，并可有效降低磨削溫度[2]，使得高硬度鎳基合金不易在短時間內產生大量的熱量而形成加工硬化層，同時，加工過程中不易產生引起應力集中的毛刺、磨粒等加工質量缺陷。

3 結論

1）高硬度鎳基合金彎曲試樣加工過程中，高磨削溫度易在試樣表面產生加工硬化層，同時在試樣彎曲時，銑刀刀痕處易引起應力集中；

2）應力集中和加工硬化均可導致鎳基試樣彎曲開裂和斷裂；

3）高硬度鎳基合金在取樣加工過程中，采用線切割技術可避免產生加工硬化層和應力集中。