鎳銅合金FCAW-G堆焊工藝研究

王書華，劉鴻彥，李衛華，杜永勤

南京寶色股份公司 江蘇南京 211178

1 序言

N04400是通過在鎳基體中加入30%（質量分數）左右的銅以提高其在還原性介質中的耐蝕性的一種鎳銅合金，該合金對氯化物離子引起的腐蝕開裂不敏感、無晶間腐蝕敏感性，在氟氣介質及氫氟酸環境中的耐蝕性表現優異，目前已在煉油、制堿、氟化工及精細化工等領域的承壓裝置及管路上廣泛應用[1，2]。在承壓裝置制造過程中常遇到以復合板為主體的材料設計要求，基層采用強度型低合金鋼以保證容器耐壓強度，復層采用鎳銅合金保證對介質的耐蝕性[3]。目前，業內對此鎳銅合金復合板容器的復層及管口堆焊普遍采用鎢極氬弧焊（GTAW）及焊條電弧焊（SMAW）的方式進行，但以上兩種方式堆焊效率較低，而藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW-G）則可提高堆焊效率，縮短設備制造周期。

本文開展鎳銅合金FCAW-G堆焊工藝研究，在低合金鋼板（Q345R）上采用FCAW-G方法堆焊ENiCu7T0-4進行工藝試驗，對堆焊層的焊縫外觀、無損檢測、彎曲、化學成分及金相組織等指標進行考察，使鎳銅合金藥芯焊絲氣體保護焊堆焊工藝試板的基層及耐蝕層的各項性能指標滿足標準要求。

2 試驗內容

2.1 試驗母材

低合金鋼板（Q345R）成本較低且具有相對較好的綜合性能，在壓力容器產品設計及制造中使用廣泛，因此本文中母材選用低合金鋼板（Q345R）。母材Q345R鋼化學成分見表1，力學性能見表2。試板厚度為8mm。堆焊前需將待焊接區域氧化層、鐵銹等影響焊接質量的雜質打磨去除，并露出金屬光澤，標記試板編號BS1931。

表2 試驗母材Q345R鋼力學性能

2.2 焊接材料

焊接材料類型為藥芯焊絲，其熔敷金屬化學成分與鎳銅合金N04400相近。焊絲的生產廠家為英國Welding Alloys Group（WA集團），焊絲牌號為ENiCu7T0-4，焊絲規格為φ1.2mm，焊絲符合ASME BPVC.Ⅱ—2019《2019 ASME boiler and pressure vessel code，section I：Rules for construction of power boilers》、ASME SFA-5.34：2022《Specification for nickel-alloy electrodes for flux cored arc welding》要求。焊絲化學成分見表3。

表3 焊絲化學成分（質量分數） （%）

2.3 焊接設備

焊接設備采用ESAB公司生產的熔化極氣體保護焊機Mig 5000i，配套送絲機型號為Feed 3004。藥芯焊絲氣體保護焊設備如圖1所示。

圖1 藥芯焊絲氣體保護焊設備

2.4 焊接工藝

（1）保護氣體 藥芯焊絲氣體保護焊保護氣體有Ar、CO2及Ar＋CO2混合氣。采用Ar＋CO2混合氣既可以克服CO2氣體保護焊飛濺大、焊縫氧化皮厚等缺點，也可以消除純Ar氣體保護焊具有的熔深淺及指狀熔深的缺陷。通常隨著Ar含量增加，飛濺率降低，當Ar含量達到80%以上時，飛濺率變化很小，氣體配比對飛濺率的影響如圖2所示[4]。本文采用的保護氣體為二元混合氣，配比為80%Ar＋20%CO2。

圖2 氣體配比對飛濺率的影響

（2）層間溫度控制 焊接鎳及其合金時，應采取防止產生熱裂紋的措施。通過控制層間溫度來提高冷卻速度、減少產生熱裂紋的傾向。根據相關標準及規范，焊接過程中控制層間溫度≤120℃。

（3）焊接參數 堆焊過程中為防止試板變形，將試板剛性固定至工裝平臺上進行堆焊。堆焊過程中采用小熱輸入、多層多道焊。通過焊接試驗，確定了合適的焊接參數，見表4。

表4 FCAW-G焊接參數

由于采用的是多層多道焊方式，所以在焊接過程中，需要注意對收弧裂紋及時打磨處理干凈，防止在接頭處產生焊接缺陷。由于鎳銅合金與Q345R鋼合金成分差異巨大，因此為防止過渡層因化學成分差異而產生裂紋，在過渡層焊接時應降低焊接電流，使熔深減小，并適當減小焊接速度、提高填充金屬的熔入量，控制壓道寬度超過前道焊縫一半的寬度，并不擺動施焊，以降低第一層堆焊層中母材的稀釋率。從宏觀金相結果看，第一層堆焊層中母材的稀釋率約為52%。

堆焊完成后的試板實物如圖3所示。從圖3可看出，焊縫表面成形尚可，堆焊過程中熔池流動和手工操作性一般，在堆焊層表面附著有少量的小顆粒狀飛濺物。

圖3 堆焊后試板實物

2.5 消應力熱處理

過渡層與基層的結合面通常為堆焊試板的薄弱區，由于基層與堆焊層合金成分和物理性能存在差別，所以導致過渡層堆焊后產生應力，容易在進行彎曲性能測試時產生彎曲裂紋。為了消除應力，對過渡層堆焊完成后的試板進行消應力熱處理。消應力熱處理工藝曲線如圖4所示。

圖4 消應力熱處理工藝曲線

3 試驗結果

3.1 無損檢測

對堆焊層表面進行清理，去除掉顆粒狀飛濺物后按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》要求，對焊接試板過渡層及耐蝕層進行100%PT檢測，結果為I級合格，無裂紋。

3.2 彎曲試驗

彎曲試樣取樣如圖5所示，彎曲試樣實物如圖6所示，彎曲試驗結果見表5。

圖5 彎曲試樣取樣示意

圖6 彎曲試樣實物

表5 堆焊試板彎曲試驗結果

側彎試樣在保留基層及堆焊層的全厚度尺寸下進行，即基層8mm＋堆焊層7mm，取樣方向為橫向，數量4件，其中有兩件側彎試樣完好，試樣截面上未出現開口缺陷，有一件側彎試樣上出現1處0.5mm的開口缺陷，有一件側彎試樣上出現1處0.3mm和1處1mm的開口缺陷。開口缺陷出現在過渡層與中間層之間，可能與過渡層熱處理后表面局部清理不到位造成的內部焊接缺陷有關。按焊接工藝評定準則，側彎試樣的開口缺陷均不超過3mm，因此將堆焊層彎曲檢測結果判定為合格，表明堆焊金屬、熔合線和基層熱影響區的完好性和塑性良好。

3.3 化學成分分析

對試件取樣進行化學成分分析，檢測編號分別為H-1-1（8＋3）、H-1-2（8＋4）、H-1-3（8＋5），化學成分分析結果見表6。由表6可知，化學成分均符合ASME BPVC.Ⅱ—2019、ASME SFA-5.34：2022中對ENiCu7T0-4藥芯焊絲熔敷金屬化學成分的要求。受母材稀釋的影響，因H-1-1（8＋3）試樣距基層更近，所以相比更靠近耐蝕層表面的H-1-3（8＋5）試樣，雖合金元素稍有降低，但也滿足標準要求。

表6 焊縫熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

3.4 金相檢測

對試件取樣進行宏觀金相和微觀金相檢測，宏觀和微觀金相組織形貌分別如圖7、圖8所示。宏觀金相可清晰地顯示出熔合線、熱影響區和各焊層的堆積；宏觀金相檢測未發現未熔合、氣孔及裂紋等缺陷。

圖7 堆焊截面宏觀金相組織形貌

圖8 堆焊截面微觀金相組織形貌

從圖8可看出，基層微觀金相組織為塊狀鐵素體和呈條帶狀分布的珠光體；過渡層受到母材稀釋及熱輸入的影響，典型鎳基成分的枝晶組織不明顯；耐蝕層為奧氏體柱狀樹枝晶，呈現典型的焊態組織形貌。微觀金相組織檢測未發現顯微缺陷，組織正常。

4 結束語

1）采用過渡層消應力熱處理消除過渡層焊后應力，保證全厚度側彎試樣檢測合格，使鎳銅合金FCAW-G堆焊接頭具有較好的塑性，堆焊過程中需加強層道間清理，以減小缺陷產生傾向。

2）鎳銅合金FCAW-G堆焊需控制焊接熱輸入，通過壓道寬度的準確控制來降低母材稀釋的影響，從而達到堆焊3～5mm滿足熔敷金屬化學成分的耐蝕要求。

3）鎳銅合金藥芯焊絲氣體保護堆焊無損檢測合格，彎曲、化學成分及金相組織均符合標準規定要求，為鎳銅合金高效堆焊提供了一種新選擇。