适合全位置焊接的焊条的研制

　　陈燕 张学刚 陈波 陈佩寅 徐锴
　　摘要：针对目前国产ENiCrFe-3焊条难以适应全位置焊接，工程上主要依赖进口焊条的现状，开展了ENiCrFe-3焊条国产化研究。结果表明，通过控制药皮中多种氟化物、碳酸盐的比例，加入适量的重稀土氧化物，优化焊缝中Mn，Cr，Nb等元素的含量。研制的ENiCrFe-3焊条具有良好的全位置焊接工艺性，与进口焊条相当，其优良的力学性能、抗热裂纹性能及抗晶间腐蚀性能均满足技术要求。
　　关键词：镍基合金焊条;全位置焊接;抗热裂纹性能;抗晶间腐蚀性能
　　中图分类号：TG 422
　　Abstract：Aiming at the current situation that domestic electrode ENiCrFe-3 is difficult to adapt to all position welding and imported electrode is widely used in engineering. The results showed that nickel base alloy covered electrode ENiCrFe-3 for all position welding was developed by reasonably adjusting the ratio of several carbonates， fluorides and a small amount of heavy rare earth oxides and controlling alloying element content of Mn， Cr， Nb and other elements in the electrode covering. Developed ENiCrFe-3 electrode exhibited good technological performances in all position welding which is equivalent to the similar foreign product under certain welding process conditions. Its excellent mechanical properties， perfect hot cracking susceptibility and good intergranular corrosion resistance can meet with the requirement.
　　Key words：nickel base alloy covered electrode; all position welding; hot cracking susceptibility; intergranular corrosion resistance
　　0 前言
　　ENiCrFe-3焊条可用于氧化反应器、氯化反应器及制造再生器等Inconel 600合金的焊接，也可用于Inconel 600合金与碳钢、低合金钢、不锈钢、其它镍基合金等异种金属的焊接及3%，5%Ni低温容器的焊接[1-3]。目前国产ENiCrFe-3焊条虽然熔敷金属成分及力学性能与进口焊条区别较小，但焊接工艺性与进口焊条还存在差距，难以适应全位置焊接[4]。同时由于工作条件相当苛刻[5]，对焊缝的抗晶间腐蚀性能也提出了较高的要求。
　　工程上目前通常采用进口的ENiCrFe-3焊条。为了实现焊接材料的国产化，改善焊条的全位置焊接工艺性，特别是立焊和仰焊工艺性，提高焊条的抗热裂纹性能及抗晶间腐蚀性能是目前国产ENiCrFe-3焊条亟待解决的主要问题。
　　1 试验要求与方法
　　1.1 技术要求
　　熔敷金属主要化学成分、焊态（AW）、600 ℃×16 h焊后热处理态（PWHT）下力学性能的要求，如表1～2所示。弯曲试样弯曲180°后，拉伸面上不允许出现超过2个长度在0.4～2.5 mm的裂纹。按照GB/T 15260—2016《金属和合金的腐蚀 镍合金晶间腐蚀试验方法》标准中B法的相关要求进行试验，试验后的弯曲试样拉伸面上无晶间腐蚀裂纹或开裂倾向。按照ASTM G28-2002《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性的检查用标准试验方法》标准中A法的相關要求进行试验，腐蚀速率≤12 mm/年。
　　1.2 试验方法
　　采用的焊接方法为焊条电弧焊，其焊接工艺参数见表3。焊后采用AWS B4.0M-2007《焊缝的机械测试方法标准》的要求进行拉伸及弯曲试验。按照GB/T 15260—2016《金属和合金的腐蚀 镍合金晶间腐蚀试验方法》标准中的B法，在沸腾的铜-硫酸铜-16%硫酸试验溶液中进行试验，周期为24 h，试样状态为610 ℃×16 h热处理+700 ℃×0.5 h敏化。按照ASTM G28-2002《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性的检查用标准试验方法》标准中的A法，在沸腾的硫酸铁-50%硫酸试验溶液中进行试验，周期为24 h，试样状态为焊态，试验过程中要注意观察溶液颜色的变化。
　　2 试验结果与分析
　　2.1 焊条工艺性能
　　所研制的ENiCrFe-3焊条全位置焊接工艺性能较好。平焊时，焊道平整，电弧稳定，飞溅较小，易脱渣;立焊及仰焊时，吹力适中，药皮熔化较均匀，套筒深度适中，焊缝成形较好。图1为不同焊条的焊接宏观形貌。图1a、图1c和图1e分别为采用研制焊条焊后平焊、立焊及仰焊的宏观形貌，其中立焊工艺性与图1d的国外ENiCrFe-3焊条工艺性相当。图2为某厂采用 ENiCrFe-3焊条焊接后的宏观形貌。图2a为采用 ENiCrFe-3焊条立焊后套筒形貌，深度约为2 mm。图2b为采用 ENiCrFe-3焊条焊接试件的宏观形貌。
　　2.2 力学性能及抗热裂纹性能
　　焊态、600 ℃×16 h热处理态下熔敷金属的室温拉伸及冲击试验结果见表4，其中0 ℃，-196 ℃冲击吸收能量平均值均≥120 J，满足要求。焊态、600 ℃×16 h热处理态下熔敷金属侧弯试样完好，均未发现裂纹，如图3所示。对焊态拉伸断口进行扫描电镜分析，典型韧窝形貌，未发现高温失塑裂纹（DDC），如图4所示。2.3 晶间腐蚀试验
　　硫酸-硫酸铜晶间腐蚀试验结束后，采用弯曲法和金相法評定晶间腐蚀倾向。试验结果未发现晶间腐蚀倾向，如图5所示，满足技术要求。
　　硫酸-硫酸铁晶间腐蚀试验过程中，溶液颜色未发生变化，24 h后试样表面仍旧光滑，腐蚀速率为0.65 mm/年，满足要求≤12 mm/年。
　　2.4 与国外焊条对比
　　将所研制的ENiCrFe-3焊条与国外同类型焊条进行了比较，主要成分及力学性能见表5～6。结果表明，研制的焊条熔敷金属杂质元素S，P的含量，主要合金Cr，Nb的含量以及室温拉伸性能与进口焊条相当。
　　3 讨论
　　ENiCrFe-3焊条的研制难点在于提高焊条全位置焊接工艺性，同时还需要重点考虑以下三点：①提高焊条熔敷金属的抗晶间腐蚀性能;②焊条的抗热裂纹性能;③满足熔敷金属抗拉强度的前提下，提高低温冲击韧性。
　　为了改善焊条的全位置焊接工艺性，对焊条药皮中的氟化物、碳酸盐及氧化物等粉料的加入量进行了研究。在药皮中添加了A，B，C三种氟化物，多次试验后将三种氟化物的比例调至5∶1∶1，有利于更好地调整熔渣的黏度和表面张力，有助于立焊及仰焊时对熔池的控制，从而改善焊条的立焊及仰焊工艺性;添加了大理石和D两种碳酸盐，调整熔渣的熔点和碱度，试验结果表明，当D的加入量为5%～10%时，能够进一步改善熔渣流动性，提高焊条的仰焊工艺性;同时添加适量的钛氧化物，易于形成短渣，进一步提高电弧的稳定性。
　　为了增强研制焊条的抗晶间腐蚀性能，对熔敷金属中C，Nb，Cr含量进行了合理地控制。镍基合金中适量的Nb会先于Cr与C形成稳定的NbC，抑制晶间腐蚀倾向[6]。同时镍基合金中增加Cr含量，可以提高晶间贫铬区的平衡铬含量，有利于降低晶间腐蚀倾向[7-8]。
　　为了提高ENiCrFe-3焊条抗热裂纹性能，特别是抗高温失塑性裂纹（DDC），应该严格控制熔敷金属中S，P，Si的含量[9]，同时控制熔敷金属中Mn，Nb以及Ti的含量，让析出物对晶界形成钉扎，有效阻止晶界滑移，降低焊缝的DDC敏感性;在焊接工艺上[10]，应该采用较小电流和较大焊接速度焊接，严格控制道间温度，减少熔池的过热，及时填满弧坑，从而减少裂纹敏感性。
　　为了提高熔敷金属的低温冲击韧性，在焊条药皮中加入适量的重稀土氧化物，抑制焊缝中低熔点共晶的形成，净化晶界，改变夹杂物形态 [11-12]，提高熔敷金属的抗热裂性和低温冲击韧性。
　　4 结论
　　（1）研制的ENiCrFe-3焊条能够实现全位置焊接，立焊工艺性与进口同类型焊条的工艺性能相当，已在多个制造厂得到工程应用。
　　（2）通过优化药皮中氟化物、碳酸盐的比例，熔敷金属中Mn，Cr，Nb等元素的含量及焊接工艺，研制的焊条具有优良的力学性能、抗热裂纹性能及抗晶间腐蚀性能，能够满足标准及工程要求。参考文献
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