N08800鐵鎳基合金焊管在彎管成型時的開裂原因

李 莎, 趙振鐸, 王貴平

[1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司 先進(jìn)不銹鋼材料國家重點實驗室, 太原 030003； 2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術(shù)中心, 太原 030003]

N08800合金是一種低碳、鈦穩(wěn)定化的鐵鎳基耐蝕耐熱合金，具有良好的抗氧化性能，優(yōu)異的耐點蝕、抗應(yīng)力腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)中[1-3]。N08800合金屬于高溫難變形合金，熱加工過程中極易產(chǎn)生裂紋缺陷，熱軋板材主要依賴于進(jìn)口。目前國內(nèi)外對該合金的研究主要集中在凝固行為、腐蝕性能等方面[4-6]。N08800合金的薄壁電加熱管生產(chǎn)工藝流程為：帶材檢查→焊接[鎢極自熔氬弧焊(TIG)焊]→填充鎂粉→輥壓減徑→發(fā)黑退火處理→彎管成型，其中焊接為焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，焊管質(zhì)量直接決定了后續(xù)電加熱管的成型質(zhì)量，在實際彎管成型中，時而存在開裂問題，該問題的存在降低了電加熱管的成品率，增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本。筆者對高端電加熱器用N08800合金薄壁焊管彎管成型后的開裂原因進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的控制措施，為N08800合金薄壁電加熱管的實際生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

N08800合金薄壁焊管生產(chǎn)采用TIG焊接工藝方法，制備的焊管規(guī)格為φ10 mm×0.5 mm，經(jīng)彎管成型工藝后，有些焊管出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。取開裂焊管試樣，對開裂處進(jìn)行宏觀觀察，如圖1所示，可見開裂處形成的孔洞位于焊縫處且孔洞貫穿管壁。

圖1 N08800合金焊管缺陷宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the N08800 alloy welded pipe defects： a) sample No.1; b) sample No.2

1.2 化學(xué)成分分析

對存在開裂缺陷的N08800合金薄壁焊管的母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見所用N08800合金成分符合技術(shù)要求。

表1 N08800合金焊管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the N08800 alloy welded pipe (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能試驗

對出現(xiàn)開裂的N08800合金薄壁焊管的母材進(jìn)行力學(xué)性能試驗，結(jié)果見表2。可見所用N08800合金薄壁焊管母材的力學(xué)性能符合技術(shù)要求。

表2 開裂N08800合金焊管母材的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of base metal of the cracking N08800 alloy welded pipe

1.4 金相檢驗

從開裂焊管橫截面上切取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光、浸蝕后進(jìn)行金相檢驗，如圖2所示。觀察發(fā)現(xiàn)帶鋼原料的顯微組織為單一奧氏體，晶粒度為7.5級，組織均勻無異常。對于單一奧氏體組織來說，晶粒越小，強(qiáng)度越高，塑性越差，反之，則塑性較高，利于加工成型。生產(chǎn)實踐表明，N08800合金在該組織條件下，具有較佳的塑性指標(biāo)，利于焊管彎管成型。

圖2 N08800合金焊管的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of N08800 alloy welded pipe

1.5 微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)分別對1號、2號焊管試樣的開裂形貌進(jìn)行觀察，分析其開裂產(chǎn)生的原因并提出相應(yīng)的控制措施。

圖3為1號焊管試樣開裂處的形貌，可見開裂處位于焊縫位置。在開裂形成的孔洞缺陷靠近管壁外表面附近觀察到了浮渣，采用能譜(EDS)儀對其進(jìn)行成分分析，其成分主要為含鋁、鈣、硅、鎂的氧化物，如圖4所示。該浮渣位于焊管外表面，其為焊接過程中形成的二次冶金產(chǎn)物，是由焊接熔池內(nèi)的夾雜物重新聚集長大而形成，通過對焊縫表面進(jìn)行酸洗、打磨等處理，可減少或消除。

圖3 1號試樣開裂處的SEM形貌Fig.3 SEM morphology at cracking of sample No.1: a) at low magnification; b) at high magnification

圖4 焊接浮渣的EDS分析位置及分析結(jié)果Fig.4 EDS a) analysis position and b) analysis results of the welding slag

圖5為2號焊管試樣的開裂形貌，可知也是在焊縫位置開裂，對開裂處的孔洞形貌進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)夾雜物及二次析出相等，從該孔洞表面形貌特征判斷，其為典型的焊縫金屬在凝固過程產(chǎn)生的樹枝晶凝固形貌，是由凝固過程中焊縫未得到焊接金屬的充分補(bǔ)縮所導(dǎo)致的縮孔缺陷。

圖5 2號試樣開裂處的SEM形貌Fig.5 SEM morphology at cracking of sample No.2: a) at low magnification; b) at high magnification

2 分析與討論

針對較大尺寸焊接浮渣，打磨后部分焊接浮渣仍然存在于焊管表面或留下很深的凹坑，甚至貫穿壁厚，尤其對于薄板料表現(xiàn)得更為突出。當(dāng)焊縫存在凹坑缺陷并且薄壁管受彎管拉應(yīng)力作用時，該處缺陷應(yīng)力比較集中，凹坑缺陷會形成開裂，從而形成開裂孔洞。焊接浮渣為焊接過程中二次冶金造成夾雜物上浮聚集所致，從材料生產(chǎn)制造角度考慮，需進(jìn)一步提高鋼液的純凈度，降低鈣、硅等元素的含量以及夾雜物含量，進(jìn)而減小焊接浮渣尺寸，避免形成焊接凹坑等應(yīng)力集中源，降低焊管在拉應(yīng)力作用下彎管成型開裂傾向。經(jīng)現(xiàn)場了解，用戶為了提高生產(chǎn)效率，提高了焊接速度，由于焊接速度過快，熱輸入降低，造成熔池中的焊縫金屬補(bǔ)縮不充分，形成焊接縮孔，成為潛在的缺陷應(yīng)力源，當(dāng)薄壁管彎管成型時，容易在此處產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展開裂。

N08800合金屬于鐵鎳基合金，液態(tài)時黏度較高，流動性能差。采用鎢極自熔氬弧焊時，在相同焊接電流、焊接電壓條件下，焊接速度對焊接接頭的成型性能有較大影響。因此，為保證獲得性能良好的焊接接頭，不能一味追求生產(chǎn)效率而盲目提高焊接速度，這樣將無法保障焊接熔池金屬充分填充焊縫，進(jìn)而導(dǎo)致焊接縮孔的產(chǎn)生，降低焊管成型質(zhì)量。表3為N08800合金焊管生產(chǎn)工藝改進(jìn)前后的焊接參數(shù)，將焊接速度進(jìn)行了適當(dāng)降低，經(jīng)實際焊接后，未發(fā)生因焊接孔洞造成的開裂現(xiàn)象，焊管成型開裂率大幅降低。

表3 N08800焊管焊接工藝改進(jìn)前后的參數(shù)Tab.3 Parameters of N08800 welded pipe before and after welding process improvement

3 結(jié)論及建議

N08800合金焊管成型開裂均出現(xiàn)在焊縫處，主要由焊縫浮渣、焊接縮孔等原因造成。焊接浮渣為焊接過程中二次冶金的產(chǎn)物，較大尺寸的焊接浮渣會在外力作用下形成凹坑，進(jìn)一步擴(kuò)展為開裂孔洞。焊接縮孔為凝固過程中焊縫未得到熔池金屬的充分補(bǔ)縮所致的缺陷。

建議進(jìn)一步提高鋼液的純凈度，降低材料中的夾雜物含量。在其他焊接工藝參數(shù)不變的條件下，降低焊接速度，避免焊接縮孔缺陷產(chǎn)生，降低焊管成型開裂傾向。