UNS N08810合金的焊接工艺及过程控制

UNS N08810合金的焊接工艺及过程控制

[摘要]主要介绍了N08810材料的特点，对其焊接性能进行了分析，从克服材料的焊接缺陷入手，通过选用合适的焊接材料，制定合理的焊接工艺并进行焊接工艺评定，圆满的解决了N08810材料焊接过程中极易出现的焊接热裂纹和气孔等缺陷问题，并摸索出过程质量控制技巧使之在生产实际中得到应用，进而成功的制造出满足相关标准和图纸要求的产品。

[关键词] N08810合金焊接工艺过程控制缺陷防止

0 前言

UNS N08810为美国标准ASTM B409相当于Incoloy 800H是属镍合金Ni- Fe - Cr系，具有典型的耐腐蚀和抗高温氧化性能，尤其是在1000℃的高温下具有优良的耐腐蚀、耐热疲劳、耐高温冲击性能，在固熔情况下，具有优越的抗压力破裂特性。在工业炉和石化行业中，广泛应用于各类高温高压环境的内件出口集管、传输管线等结构中。

大庆油田化工集团氨合成项目装置中，很多混合器及传输管线等均采用此材质，由于对此材料的焊接没有成熟的经验，因此，通过对其焊接工艺性能进行分析研究试验并应用于实际生产中，取得了显著的效果。

1 焊接性分析

UNS N08810线膨胀系数较大（介于奥氏体不锈钢与普通碳钢之间）、热导率小（20℃时为10.9），焊接时焊缝中的一些杂质元素和低熔点物质容易在晶界偏析和集聚并在熔池的凝固过程中与镍形成低熔点共晶体，造成焊接热裂纹。同时，由于镍合金焊缝液态金属的流动性比较差，焊缝金属的冷却速度比较快，使熔池中的气体来不及逸出，造成气孔，且氧气、二氧化碳和氢气等气体在液态镍中溶解度也比较大，冷却时溶解度又明显减少，进而形成气孔。因此，从防止焊接热裂纹和气孔等方面入手是控制焊接镍合金质量的关键。

2 焊接工艺的确定

从UNS N08810合金的化学成分（表一）得知：

表一N08810合金的化学成分（%）

Ni的含量占32.0%，具有能溶解较高的耐蚀元素的高Ni基体，使该合金在焊接时，熔池金属的流动性差，且表面易形成难熔的氧化膜（NiO），使得熔透性差，焊缝易形成杂物。因此，焊接选材及焊接过程中要严格控制C、S、P等杂质的含量，并确保焊材及焊缝坡口表面的清洁。

2.1 焊接方法的选择：由于该项目所有设备的厚度一般均是在10mm以下，属薄件构件，同时根据N08810的焊接特点，焊接时，选用钨极氩弧焊（TIG）和焊条电弧焊（SMAW）的焊接方法，对小于6mm的构件选用纯TIG焊接，大于6mm的构件选用TIG打底，焊条电弧焊盖面或焊条电弧焊双面焊接工艺。

2.2 焊接材料的确定：根据材质的化学成分及设备使用的环境，焊材选用哈尔滨焊接研究所生产的焊丝ERNiCr-3 φ2.0mm，焊条ENiCrFe-3，φ

3.2mm,，φ

4.0mm。

2.3坡口形式的设计：由于该合金液态金属流动性较差，如果坡口形式等不合适时，会发生未熔合现象，因此，为保证接头熔合良好，坡口应适当增大角度（相对与普通不锈钢），适当减少钝边厚度，尤其是10 mm左右的材料，应开双U或双V坡口（图1-3）

图1 氩弧焊坡口示意图图2 焊条电弧焊双X坡口示意图

其中：b=1.8mm a=75-80°其中b=1.8mm a1=a2=80°

图3 焊条电弧焊双U坡口示意图

其中b=2.5mm a1=a2=15° R1=R2=8°

3 焊接工艺评定

按照ASME Ⅸ卷《焊接和钎焊评定标准》-2004和JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》的要求，对UNS N08810合金进行了焊接工艺评定，试件尺寸为300mmX600mmX8mm，获得焊接最佳工艺参数及评定结果（表二）：

经过对焊接评定试件进行各项检验,从以上数值得出，评定结果为合格。

4 焊接工艺要点

4.1焊件在装配、定位焊和焊接前应彻底清除焊接处和焊丝表面的氧化物、油污等；

4.2 焊接过程中要在保证熔透的情况下，尽可能减少焊接热输入，熔敷金属尽量少，熔深尽量小，焊缝的外型应稍凸；

4.3 镍合金焊缝金属的流动性不如普通低合金钢，所以焊接时最好稍许摆动，但其幅度不要大于三倍焊条直径，焊条每次摆动极限结束时要稍稍停顿以下，以便使粘稠的焊缝金属有充分的时间来填充咬边；

4.4 TIG焊时一般使用直流正接，焊接时采用高频引弧以及电流可控制递增和衰减技术，气流量保持在12-15L/min；

5 焊接缺陷及防止措施

镍基合金焊接常见的缺陷应首先是热裂纹，其次是气孔、熔合不良、夹渣以及析出强化合金的应变时效裂纹等等。

5.1 为保证焊接综合质量，焊接时尽量采用平焊位置，焊接过程中应始终保持短弧，以便能较好的控制熔化的焊接金属。

5.2焊接裂纹是焊接产品危害最大的缺陷，主要表现形式有：焊道裂纹、弧坑裂纹、焊缝金属微裂纹、热影响区微裂纹。采用防止的方法是：合理的设计焊接接头和焊接顺序，减少结构的拘束度；减少熔合比即减少稀释率；采用小的焊接电流，减少热输入，填满收弧弧坑。

5.3气孔及夹渣也是镍基合金易产生的焊接缺陷。采用防止的方法是：注意焊前清理（包括母材和焊材），采用化学处理方法（用丙酮进行清洗）；焊接时要保持稳定的电弧电压；氩弧焊的引弧和收弧时易产生气孔和缩孔，必须注意掌握操作技巧质量。

6 应用效果及结论

6.1 按照以上工艺对化工集团等装置的UNS N08810合金材质进行焊接，并按照JB4730进行了100%无损检测,一次合格率为99.7%；

6.2 采用此焊接工艺焊接的产品试板，经检验力学性能等各项指标均符合标准和相关要求，证明了以上工艺的正确性；

6.3 采用ERNiCr-3焊丝和ENiCrFe-3焊条来焊接N08810合金，同时选用合理的焊接热输入及运用有效的过程控制技巧，是保证产品质量的关键。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册.北京.机械工业出版社,2001.

[2]李萁福,王移山,薛春月.不锈钢及耐蚀耐热合金焊接100问.北京.化学工业出版社.2000.

[3]余燕,吴祖乾.焊接材料选用手册.上海.上海科学技术文献出版社.2005

郭晓春：1968年3月出生，本科毕业，焊接高级工程师，国际焊接工程师，现任大庆油田建设集团建材公司石油石化设备厂副主任工程师，长期从事石油化工领域的新材料的焊接及新焊接材料的应用研究，主要成果：厚壁材料（耐热钢及复合板）国产化的自动焊接与应用、超级双相不锈钢的焊接及热成型工艺、大瓣片高强钢球型储罐的国产化焊接及热处理、大型厚壁容器窄间隙自动焊接及现时数字成像的检测等等，其中两项获局级科技成果一等奖。几年来共计在国家级大型刊物上发表论文6篇。