陳燕， 張學(xué)剛， 陳波， 陳佩寅， 王猛

(哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

ENiCrMo-10焊條可用于哈氏合金C22以及超級(jí)奧氏體不銹鋼UNS N08367等合金的焊接，被廣泛應(yīng)用于酰胺加熱器、煙氣脫硫系統(tǒng)、海水管道系統(tǒng)、酸洗系統(tǒng)以及復(fù)雜的制藥反應(yīng)器的制造[1-4]。因此大量的管道焊接對(duì)焊條的焊接工藝性提出了較高的要求，同時(shí)工程應(yīng)用環(huán)境對(duì)焊縫的耐腐蝕性及抗裂性能也提出了很高的要求[5]。

目前工程上大都采用進(jìn)口焊材[6]。為了實(shí)現(xiàn)焊條的國(guó)產(chǎn)化，平、立焊工藝性的進(jìn)一步改善，耐腐蝕性能的提高，抗裂性能的穩(wěn)定都是目前國(guó)產(chǎn)ENiCrMo-10焊條需要解決的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)要求與方法

1.1 技術(shù)要求

熔敷金屬主要化學(xué)成分及焊態(tài)力學(xué)性能的要求見表1、表2所示。側(cè)彎試樣彎曲180°后，受拉伸面上不允許出現(xiàn)超過(guò)3個(gè)長(zhǎng)度在0.4 ～ 2.5 mm的裂紋。按照ASTM G48—2011《使用氯化鐵溶液測(cè)定不銹鋼和有關(guān)合金耐點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中A法的要求進(jìn)行試驗(yàn)，要求表面無(wú)點(diǎn)腐蝕，且試樣平均腐蝕速率≤4 g/m2。按照ASTM G28—2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中A法的要求進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕速率≤12 mm/年。

表1 熔敷金屬主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熔敷金屬力學(xué)性能要求

1.2 試驗(yàn)方法

采用表3的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。熔敷金屬拉伸及彎曲試驗(yàn)按照AWS B4.0M—2007《焊縫的機(jī)械測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行。

表3 焊條電弧焊焊接工藝參數(shù)

晶間腐蝕試驗(yàn)按照ASTM G28—2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的A法進(jìn)行，腐蝕液為沸騰的硫酸鐵-50%硫酸溶液，試驗(yàn)周期為24 h。試樣尺寸為30 mm×20 mm×3 mm，狀態(tài)為焊態(tài)。點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)按照ASTM G48—2011《使用氯化鐵溶液測(cè)定不銹鋼和有關(guān)合金耐點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的A法進(jìn)行，腐蝕液為6%的FeCl3溶液，在50±2 ℃恒溫水浴槽中連續(xù)浸泡72 h。試樣尺寸為50 mm×25 mm×3 mm，狀態(tài)為焊態(tài)。

采用掃描電鏡對(duì)室溫拉伸斷口，焊縫腐蝕前、后的試樣進(jìn)行形貌及能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊條工藝性能

所研制的ENiCrMo-10焊條平焊、立焊的工藝性優(yōu)良。平焊時(shí)，電弧穩(wěn)定、渣覆蓋完整、焊道波紋細(xì)密、飛濺較小、易脫渣；立焊時(shí)，電弧吹力適中、焊縫金屬不下淌、熔池清晰，熔滴主要過(guò)渡方式為細(xì)顆粒過(guò)渡。圖1a～1c分別為平焊脫渣前、后及立焊的宏觀形貌。

圖1 焊條焊接的宏觀形貌

2.2 力學(xué)性能

熔敷金屬室溫拉伸及側(cè)彎結(jié)果均滿足技術(shù)要求，室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。多批次試驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸及側(cè)彎試樣的受拉面上均未發(fā)現(xiàn)裂紋，具有較為穩(wěn)定的抗裂性能，試驗(yàn)后試樣表面形貌分別如圖2、圖3所示。

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

圖2 拉伸試驗(yàn)后形貌

圖3 熔敷金屬側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)室溫拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，為韌性斷裂，組織為典型的韌窩形貌，韌窩分布均勻且數(shù)目較多，如圖4所示。

圖4 拉伸斷口形貌

2.3 腐蝕試驗(yàn)

三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)后，試樣六個(gè)面均未發(fā)現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕坑，如圖5所示，平均腐蝕速率為1.1 g/m2，滿足要求≤4 g/m2。

圖5 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)后形貌

硫酸—硫酸鐵晶間腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中，溶液顏色未發(fā)生變化，24 h后腐蝕速率為0.59 mm/年，滿足技術(shù)要求≤12 mm/年。采用掃描電鏡對(duì)腐蝕前、后的形貌進(jìn)行了分析，并對(duì)主要元素進(jìn)行了面掃描能譜分析。腐蝕前、后的典型形貌見圖6所示，其中圖6b中未出現(xiàn)晶間腐蝕形貌，只在局部出現(xiàn)了少量直徑約為5 μm的腐蝕孔洞。腐蝕前、后主要元素的面掃描定量分析結(jié)果見表5所示，表明經(jīng)過(guò)硫酸-硫酸鐵腐蝕后Mo的含量從腐蝕前的16.24%降到了腐蝕后的11.00%。

圖6 晶間腐蝕前、后SEM形貌

表5 腐蝕前、后主要元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 討論

研制的ENiCrMo-10焊條采用CaO-CaF2-TiO2-SiO2堿性渣系。為了解決鎳基焊條存在的熔渣覆蓋不好，平焊粘渣等問(wèn)題[7]，除了控制大理石、氟化物及硅酸鹽的比例，以期改善熔渣的流動(dòng)性，使熔渣在焊縫上的覆蓋趨于均勻，還需要在藥皮中加入約20%的金屬粉，如硅鐵、鈦鐵，錳鐵降低焊縫金屬中氧的含量，同時(shí)起到穩(wěn)定電弧、改善熔滴過(guò)渡及焊縫成形的作用。

合理地控制熔敷金屬中Mo，Cr，W元素含量，進(jìn)一步增強(qiáng)焊條的耐腐蝕性能。Ni-Cr-Mo合金中以高Cr抗氧化性腐蝕，以高M(jìn)o，W元素抗還原性腐蝕[8-9]。ENiCrMo-10焊條焊接后熔敷金屬在冷卻過(guò)程中，由于Mo元素含量較高會(huì)在高能量的晶界上析出穩(wěn)定的金屬間拓?fù)渚o密堆積相(TCP)[10]，按ASTM G28 A法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在氧化性的濃硫酸中Mo元素被優(yōu)先腐蝕，因此掃描電鏡能譜分析后(見表5)，發(fā)現(xiàn)腐蝕后的Mo元素含量出現(xiàn)了下降。

ENiCrMo-10焊縫由于在較低溫度下可能會(huì)形成TCP相，存在較高的凝固裂紋敏感性[11]。為了更好地避免凝固裂紋，需要控制其成分及焊接工藝。為此控制焊縫的S≤0.005%，P≤0.010%，B≤0.000 5%。并制定合理的焊接工藝，采用低熱輸入量進(jìn)行焊接[12-13]，控制焊縫熔池的形狀，使之呈現(xiàn)凸形輪廓。焊縫熔池的宏觀形狀會(huì)影響凝固裂紋敏感性[14-17]，當(dāng)呈現(xiàn)凹形表面時(shí)，通常會(huì)使焊縫表面處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)呈現(xiàn)凸形表面時(shí)，則會(huì)使焊縫表面處于壓縮狀態(tài)，能有效地抑制裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)控制藥皮中大理石、氟化物及硅酸鹽的比例，添加約20%的金屬粉，改善熔渣流動(dòng)性，得到平、立焊工藝性優(yōu)良的ENiCrMo-10焊條，已得到工程應(yīng)用。

(2)研制的ENiCrMo-10焊條具有較好的耐晶間腐蝕、耐點(diǎn)腐蝕性能及抗裂性能，能夠滿足工程要求。能譜分析發(fā)現(xiàn)，按ASTM G28 A法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)后，在氧化性的濃硫酸中Mo被優(yōu)先腐蝕。