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镍基合金INCONEL 625的焊接
引 言：在石油化工建设工程中，常会遇到镍基合金这种材料，因这种材料具有耐活泼性气体、耐
苛性介质、耐还原性酸介质腐蚀的良好性能，又具有强度高、塑性好、可冷热变形和可加工成型及可焊接的特点，广泛应用于石油化工中。例如：在安徽铜陵六国化工合成氨装置气化工段中，就有这种材料，它的具体名称为INCONEL 625，用于输送氧气介质。
关键词：镍基合金 焊接 热裂纹
1 镍基合金INCONEL 625的化学成分及对焊接性能的影响
为了研究INCONEL 625的焊接，我们有必要对这种材料的化学成分进行了解。镍基合金INCONEL 625的化学成分见表1：
表1 镍基合金INCONEL 625的化学成分（%） 合金 元素 含量 Ni 61.0 C 0.05 Mn 0.2 Fe 2.5 Cu - P 0.015 S 0.008 Si 0.2 Cr 21.5 Al 0.2 Ti 0.2 Nb 3.6 Mo 9.0 在Ni中添加Al、Cr、Fe、Mo、Ti能引起较强的固溶强化，Mo可改善镍基合金的高温强度，Nb 则可以稳定组织，细化晶粒，改善材料性能，Cr在Ni中的固溶范围约为35%～40%，而Mo在Ni中的固溶范围大约为20%。Cr、Mo等合金材料的添加不但增加其耐蚀性，而且对材料的焊接性能没有不利影响。添加Ti、Mn、Nb则可提高材料的抗热裂纹和减少气孔。Si在钢中是脱氧剂和抗氧化剂。而C的含量很小，因Ti和Nb的存在一般不会产生晶间腐蚀。
镍基合金的焊接性对S则较为敏感，S不溶于Ni，在焊接凝固时可形成低熔点的共晶体，易产生热裂纹。P在镍基合金中也会增加裂纹的敏感性。 2 镍基合金INCONEL 625的焊接特点 2.1 焊接热裂纹 镍基合金INCONEL 625在焊接时具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。结晶裂纹最容易发生在焊道弧坑，形成火口裂纹。结晶裂纹多半沿焊缝中心线纵向开裂。液化裂纹则易出现在紧靠融合线的热影响区中，有的还出现在多层焊的前层焊缝中。高温失塑裂纹既可能出现在热影响区中，也可能发生在焊缝中。各种热裂纹有时是宏观裂纹，或宏观裂纹伴随微观裂纹，也有时仅仅是微观裂纹。热裂纹发生在高温状态，常温下不再扩展。 2.2 污染物的影响 焊件表面的清洁性是保证镍基合金INCONEL 625焊接质量的一个关键。焊件表面的污染物主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。镍基合金INCONEL 625表面氧化皮的熔点比母材高得多，常常可能形成夹渣或细小的不连续的氧化物，S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb及As等凡是能和Ni形成低熔点共晶体的元素都是有害元素。这些有害元素大大增加了镍基合金焊接时的热裂纹倾向。这些元素常常存在于预制过程中使用的材料中，例如：油脂、油漆、测温笔和记号笔的墨水常含有这些元素。因此，在焊接前，必须彻底清除，包括坡口外50mm范围内均属于清除范围。
清除方法取决于污染物的种类，对于油脂类物质，可采用蒸汽脱脂，或用丙酮清洗。对于油漆类物质，可采用氯甲烷、碱液、甲醇清洗，也可采用打磨的方法清除。
2.3 焊接热输入的影响 采用高热输入会使焊缝接头产生一定程度的退火，并伴随晶粒长大，而使组织发生相变，降低材料的机械性能。此外，高热的输入，还可能使晶相组织产生过度的偏析，碳化物沉淀并析出，从而引起热裂纹，并降低耐蚀性。
在选择焊接方法和焊接工艺时，必须考虑到这一点，因此，在实际操作时采用小电流，窄焊道，多层焊较为合理。
需要指出的是，有些镍基合金焊接加热后对靠近热影响区的焊缝组织会产生不良影响。例如Ni-Mo合金焊接后需通过退火处理来消除这种影响，恢复其耐蚀性。但对于INCONEL 625这种合金来说属于Ni-Cr-Mo合金, 象奥氏体不锈钢一样，镍基合金的显微组织也是奥氏体，固态情况下不发生相变，母材和焊缝金属的晶粒不能通过热处理细化，因此，镍基合金INCONEL 625不需要进行热
处理。
2.4 焊接工艺特性
（1）液态焊缝金属流动性差 镍基合金的焊缝金属不像碳钢焊缝金属那样流动性好，而是显得更“粘稠”一些。即使增大焊接电流也不能改善其流动性，这是镍基合金的固有特性。焊接电流超过推荐范围不仅使熔池过热，增大发生热裂纹的敏感性，而且易使焊缝中的脱氧剂蒸发，出现气孔。焊条电弧焊时，较大的焊接电流，也会使焊条的焊芯发热，使药皮脱落，而失去保护。
由于焊缝金属流动性差，不宜流到焊缝两边使之更好地与母材熔合，因此，为获得良好的焊缝成形，需要采用摆动工艺，但这种摆动应是小摆动，摆动幅度宜为焊芯或焊丝直径的3倍，同时要兼顾到焊缝两边较好地与母材熔合，基于这种考虑，这就要求在坡口制作时，坡口的加工宽度要适当。在焊条摆动过程中，应注意到焊缝与母材的结合处，该处既容易出现咬边，也容易出现夹渣和未熔合，解决的办法是，当焊条运行到焊缝与母材的结合处时应稍作停顿，同时采用短弧操作。
（2）焊缝金属熔深浅 这也是镍基合金的固有特性，这就要求在制作坡口时钝边的厚度要薄。 2.5 焊接方法的选择
根据中国焊接学会推荐的焊接方法，对于INCONEL 625这种材料采用以下焊接方法均可①SMAW（焊条电弧焊）、②GTAW（钨极气体保护电弧焊）、③GMAW（熔化极气体保护电弧焊）、④PAW（等离子弧焊）、⑤SAW（埋弧焊），现场可根据实际情况选择。 2.6 焊接材料的选择
采用气体保护焊时，应选用型号为ERNiCrMo-3的焊丝，其化学成分分别见表2
表2 焊丝ERNiCrMo-3的化学成分 合金元素 含量% Ni 61.0 C 0.05 Mn 0.2 Fe 2.5 S 0.008 Si 0.2 Cr 21.5 Al 0.2 Ti 0.2 Nb 3.6 Mo 9.0 采用焊条电弧焊时，应选用型号为ENiCrMo-3的焊条, 其化学成分分别见表3 表3 焊条ENiCrMo-3的化学成分 化学元素 含量% Ni 61.0 Cr 21.0 Fe 4.0 Mo 9.0 Mn 0.3 Si 0.4 Nb 3.6 通过对比表1、表2和表3可以看出：焊丝、焊条的化学成分与母材的化学成分较为接近，可以选用。 3 焊接工艺
施工现场，镍基合金材料的焊接通常采用氩弧焊打底，焊条电弧焊填充和盖面来完成，以下分述其焊接工艺：
3.1 氩弧焊（钨极气体保护电弧焊）
3.1.1 保护气体 推荐使用氩气，有助于清除或减少气孔，保护焊缝金属不被氧化。
3.1.2 钨极 当焊接规范一定时，电极的形状影响焊缝的熔深和宽度。尖头的钨极可保持电弧的稳定和足够的熔深，通常使用的钨极圆锥角为30°～60°，尖端磨平，直径约0.4mm。
3.1.3 氩弧焊焊接工艺 焊接电源采用直流，电极接负极。焊机通常装有高频电流以保证引弧，并装有电流衰减装置以便在收弧时逐渐减小火口尺寸。
为改善焊缝金属的抗裂性和减少气孔，焊丝中通常加入Ti、Mn、Nb等合金元素，因此，在焊接时，应使焊缝金属保证至少50%来源于焊丝的填充金属。焊接过程中应避免电弧搅动熔池，以保持熔池平静。
焊接过程中，焊丝加热端应始终处于保护气体中，以避免焊丝被氧化和由此引起焊缝金属的污染。焊丝应在熔池的前端进入熔池，以避免接触钨极。
保护气体流量应适中，因太大的气体流量可能会导致焊缝金属的快速冷却，因此，保护气体流
量宜控制在4～8L/min。
单面焊双面成型时（对于D≤600mm的管道），需要在管内输入保护气体。 3.2 焊条电弧焊焊接工艺
焊条应放在防潮的密封容器里，并置于干燥环境中储存。使用前应按制造说明书中规定的温度和时间烘干。
镍基合金的焊接工艺与奥氏体不锈钢的焊接工艺相似。由于镍基合金的熔深较浅以及液态焊缝金属的流动性差，在焊接过程中必须严格控制焊接参数的变化。镍基合金焊接时一般采用直流，焊条接正极。每一种类型及规格的焊条都有一个最佳的电流范围。表4给出了各种规格的镍基合金焊条的焊接电流参考值：
表4 镍基合金焊条焊接电流参考值
焊条直径（mm） 母材厚度（mm） 焊接电流（A） 1.57 75 Φ2.4 1.98 80 ≥2.36 85 Φ3.2 2.77 105 ≥3.18 105 3.18 110 Φ4.0 3.56 130 3.96 135 ≥4.75 150 实际操作时还应根据母材厚度、焊接位置、接头形式等作进一步调整。焊接电流是否合适对于保证焊缝质量至关重要。电流太大，会造成电弧不稳、焊条过热而导致药皮脱落，并增大热裂纹倾向。
焊接时应尽量把焊缝调成平焊位置，焊接过程应始终保持短弧，当必须采用立焊或仰焊位置时，应采用细焊条和小电流，以便能很好地控制焊缝金属。 液态镍基合金的流动性较差，为防止焊缝产生未熔合和气孔等缺陷，焊接操作时要求摆动焊条，摆动幅度视具体情况而定，一般应充分覆盖前一遍焊缝与母材的结合线，但不宜超过3倍的焊芯直径，太宽的焊缝也会因热量过于分散而造成熔合不良、表面凹凸不平等缺陷。这就要求在坡口制作时宽度要适中。焊条每次摆动到最边缘时应稍作停顿，以消除咬边、夹渣等缺陷和使焊缝金属与母材充分融合。 4 结束语
通过对六国化工合成氨装置气化工段400多个达因口的焊接实践，说明了采用上述焊接工艺是完全可以保证焊接质量的，这从射线探伤合格率为96%的结果来看，就充分证明了这一点。
参考文献
1. 孙高祚. 金属材料及热处理. 冶金工业出版社. 1997 2. 陈祝年. 焊接工程师手册. 北京. 机械工业出版社，2002
3. 简明焊工手册编写组编. 简明焊工手册. 北京. 机械工业出版社，2000 4. 李亚江. 焊接材料的选用. 化学工业出版社. 2004 5. 吴树雄. 电焊条选用指南. 化学工业出版社. 2003