哈氏合金C276焊接工艺研究

徐红军 陆欢军

1. 概述

目前，哈氏合金在国外已广泛应用于石油、化工、环保等多个领域，在国内也有少量应用，但在核电领域只有美国等曾经应用于核能发电，国内还是一片空白。目前主要问题对其性能不是特别清楚，尤其是高温下的耐腐蚀性能。本课题研究的主要方向是选择哈氏合金中能够买到的C276材料作为一期项目的对象，通过选择合适的焊材、工艺，摸索出符合产品要求的焊接工艺，使其具备操作价值。

本文选用2mm和6mm两种规格板厚进行试验，确定相应的焊接工艺，并确定该焊接工艺条件下的焊接试件在核电高温状态下是否符合耐腐蚀要求，制定焊接工艺规范，并完成相应规格厚度的焊接工艺评定报告，制定适合核电要求的焊接工艺规程用于指导工程施工。

2. 焊接工艺技术难点分析及措施

（1）焊接性分析 哈氏合金的导电率和导热系数要比低碳钢低得多，而电阻率和膨胀率都比低碳钢高得多，熔池流动性差，润湿性差，穿透力小，熔深浅。所以，容易产生气孔、热裂纹、未焊透及未熔合等缺陷。

产生气孔原因：哈氏合金焊接前坡口处理不干净，天气潮湿，焊接过程中熔池保护不好，氢、氮等气体容易渗入熔池。由于合金固、液相温度间距小，流动性偏低，所以非可溶性气体在熔池凝固时来不及逸出，残留在焊缝中而生成气孔。

热裂纹：硫、磷等杂质形成的低熔点晶间液膜和焊接拉伸应力是引发焊接热裂纹的冶金因素。由于合金焊缝具有树枝状组织，在粗大晶粒的边界上，集中了一些低熔点共晶体和低熔点金属，特别是Ni-S共晶（熔点为645℃），Ni-P共晶（熔点为880℃），它们呈薄膜状分布在晶界之间，所以在焊接应力作用下易产生裂纹。

易氧化：合金中的Ni、Cr原子非常活跃，使得合金焊接时焊缝极易氧化，严重时呈豆腐渣状，使金属耐腐蚀性能急剧下降，同时也是产生裂纹的主要原因。因此，焊接时应加强氩气保护，同时焊丝一般尽可能选用较细的直径(1.2~2.4mm)，小的焊接参数有利于补偿焊接过程中某些元素的烧损和对焊接裂纹和气孔的控制。

（2）技术难点 焊接变形控制，焊接背面保护，焊接试件耐腐蚀研究。

（3）技术措施 为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，一般应采用低的焊接热输入，但镍基合金熔池金属流动性差，熔深浅，易形成未焊透，故焊接热输入也不能太小。解决方法是，焊接电流中等，焊速高，用减少高温停留时间控制焊接热输入。

为提高焊缝的抗裂性能和耐腐蚀性能，焊接时要特别注意焊接区的清洁，避免有害杂质熔入焊缝。

焊接时一般不需要预热。为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，应控制低的层间温度。一般不超过100℃

3. 焊接工艺

（1）焊接方法确定 根据板材厚度及结构特点，确定采用钨极氩弧焊工艺。

（2）焊接设备、场地准备 焊机应选用具备高频引弧、息弧、电流衰减，提前送气和延时断气功能的钨极氩弧焊机，焊机应性能稳定，经过比较，选用唐山松下焊机。

坡口或焊缝表面清理须使用专用工具，防止铁锈和其他杂质污染：不锈钢钢丝刷、金刚石砂轮片。

哈氏合金焊接应设置专用场所，严禁碳钢、低合金钢材料混入。加工场地应保持干净、干燥且通风良好。

（3）焊前试板准备 母材试板应采用机械方法加工坡口，宜采用较慢的加工速度，防止局部温度过高。如果焊件带有大量的残余冷加工（超过7%）容易导致焊接金属或焊接热影响区发生应力开裂。

清理表面污物：C276合金焊接接头距坡口40mm的范围内母材表面上的金属碎屑、磨料粉尘、灰尘等残余的污物，均要用奥氏体不锈钢丝刷和干净的新棉纱将其清除干净。所用的工具必须是专用的，不得使用砂纸和碳钢钢丝刷。

丙酮（或酒精）清洗：焊接前应用丙酮或酒精对坡口表面进行清洗，去除表面油污等杂质，并应采取措施防止二次污染。

（4）焊接参数 选用ERNiCrMo—4、φ2.4mm焊丝；焊接接头的坡口形式如图1所示。

图1 坡口形式

哈氏合金在焊接中都比较粘以及不容易流动和润湿侧边，不容易焊透，因此，焊接时的坡口要尽可能大（通常为60°~75°），不留钝边或较薄的钝边，钝边之间应留有一定的间距（一般为焊丝直径），由于这种低熔透的特性，熔融不完全的可能性就增加了。镍基合金容易在开口位置开裂，因此在焊缝的开始和结束位置进行打磨。

焊接参数：不同厚度的板材焊接所采用的焊接参数如表1、表2所示。

进行多道焊接时，道间的温度控制是很重要的，过热的层间温度会使焊接热影响区产生大量沉淀相，造成耐腐蚀性大大降低。一般层间温度≤93℃。

（5）焊接变形控制 薄壁板材焊接时，试件纵向和横向都极易产生变形，从而造成焊后力学性能试样无法加工，另外在封底焊时焊接变形使背面保护效果下降，影响根部焊接质量。为此我们设计了图2所示的保护及控制变形装置，以减小焊后变形。

（6）焊接背面保护 哈氏合金焊接时，背面应充氩保护， 如果没有很好的保护，根部就会产生氧化层，如图3所示。当根部焊接不合格时，背面的焊缝表面发黑、粗糙，而且根部的截面不规则。

惰性气体保护措施：氩气纯度≥99.99%；保护方法：内外侧同时充氩保护，另外，应采取特别措施防止因焊接变形使背面保护失效，故应采用新塑料管输送氩气，最好在焊第二道时背面也要充氩保护。

（7）焊接试件试验 力学性能试验：焊接试件根据工艺评定要求，参照NB/T47014—2011标准及焊件使用状态，进行常温拉伸、弯曲、高温拉伸（600℃， 700℃， 750℃）及显微硬度试验，以检测不同状况下的使用性能。

金相检验：焊接试件焊缝及热影响区的金相检验，目的是了解焊接接头的组织变化及检查焊接接头的缺陷。t=3mm和6mm的焊接试样其焊接接头金相照片如图4和图5所示。从整个接头上可以看出，热影响区和焊缝没有出现焊接缺陷。

3mmC276焊接接头金相组织分析：图6a、6b为母材组织照片，可以看出母材为全奥氏体组织，晶粒内部有大量孪晶存在，母材晶粒尺度在50μm左右，较为细小；图6c为热影响区组织及熔合线，通过对比图6a、6b和图6c可知，热影响区组织晶粒度相较于母材变化不大。随着不断靠近焊缝中心，熔融金属凝固时的过冷度不断降低，焊缝金属由方向性较强的柱状晶逐渐向等轴晶转变。整个热影响区和焊缝没有出现焊接缺陷。

表1 C276焊接参数（t=3mm）

表2 C276焊接参数（t=6mm）

图2 背面保护及控制变形装置

图3 背面保护不良

图4 t=3mm接头金相组织

图7 为6mmC276焊接接头各区域金相组织照片，图7a、7b为母材组织照片，可以看出母材为全奥氏体组织，晶粒内部有大量孪晶存在，晶粒尺度在100μm左右，比3mm板材的晶粒粗大，且晶粒大小不一。图7c为焊接接头熔合区，随着靠近焊缝中心，组织由图7d柱状晶向图7F等轴晶过渡。整个热影响区和焊缝没有出现焊接缺陷。

图5 t=6mm接头金相组织

图6 进口3mmC276氩弧焊未时效处理

图7 未时效6mmC276焊接接头金相照片

4. 结语

本课题对C276哈氏合金的特点进行了深入细致的研究，完成了2mm及6mm板厚的焊接工艺评定报告，并制定了符合现场施工要求的焊接作业指导书。通过试验，说明我们的焊接工艺完全符合国家相关标准，为在核电工程的焊接施工提供了宝贵的经验。