INCOLOY800HT铁镍基合金的焊接性能和焊接工艺研究

刘青山 靳华锋

(北京燕华工程建设有限公司，北京102502)

上海赛科石油化工有限责任公650 kt/a苯乙烯装置第一反应器需更换静态混合元件，由于反应器静态混合元件处在设备内特殊位置，必须通过切割5道切口来达到更换静态混合元件的目的，切割线部位材料为INCOLOY800HT，现场更换静态元件后再按顺序组对、焊接各切割线。INCOLOY800HT(以下简称800HT)材料在INCOLOY800和INCOLOY800H的基础上改良而成，在超高温下具有更好的抗蠕变性能和持久性能。由于800HT合金成分比较高，焊接过程中易出现热裂纹和再热裂纹，造成焊接缺陷。因焊接热循环的作用，易发生碳化物和脆性相的析出，导致晶间腐蚀和接头脆化，影响焊接接头组织性能。施工中通过对坡口设计、焊接材料、焊接工艺参数、热处理工艺参数的选择，成功地消除了800HT焊后热裂纹和再热裂纹的焊接缺陷，避免了二次硬化相的产生，保证了焊接质量。

1 800HT材料的特性及焊接性能分析

800HT主要提高了碳的质量分数(0.06%～0.10%)，同时控制铝和硅的质量分数之和在0.85%～1.20%，并通过适当的热处理以获得5级或更粗的晶粒度，以此来达到并维持较高的抗蠕变性能、持久性能和耐氧化性能。

由于合金成分较高，加工难度增大，且材料的冶炼纯净度要求较高，对S、P、Al、Si的含量有较严苛的限制，其化学成分见表1。因S、P、Al、Si容易与Ni、Fe等形成低熔点化合物，导致焊接裂纹和结晶裂纹，力学性能见表2。

表1 INCOLOY800HT钢的化学成分 %

表2 INCOLOY800HT钢的力学性能

经过焊接热循环作用，铁镍基合金的热影响区组织发生变化，碳化物和和脆性相析出，导致晶间腐蚀和接头脆化。因此，焊接该类合金时，应避免焊接区在高温停留时间过长。

热加工的温度区间很窄，如果加工温度低，变形残余应力会在高温工况下释放，并伴随再结晶，在承压下会导致失稳，同时影响材料的高温蠕变性能和持久性能，使材料性能下降。若温度太高会伴随二次硬化相(σ脆性相和475 ℃脆性相)的产生，从而使材料综合机械性能、焊接性能、耐腐蚀性能下降。

800HT材料的焊接要求是比较高的，由于其合金成分比较高，容易出现热裂纹(结晶裂纹)和再热裂纹，因此要采用小线量(小于10 kJ)、无摆动快速焊接、多层焊的焊接参数，且应严格控制层间温度。除此之外，还应采用含钴焊条，以保证焊缝金属的高温性能。同时，还要充分清除焊接坡口异物，严格烘干焊条制度，控制焊接环境的湿度、风速，焊缝余高打磨平等。

2 焊接方法及焊接工艺选择

2.1 焊接方法选择

钨极氩弧焊较小的焊接热输入和弧长较短，可以在焊缝背后冲氩气保护，几乎适合任何铁镍基合金的焊接。焊条电弧焊主要用于固溶强化型铁镍基合金的焊接，焊条药皮类型为碱性，由于液态金属的流动性差，为防止未融合和气孔等缺陷，焊接时焊条适当摆动。

经分析，本次改造项目INCOLOY800HT材料的焊接采用钨极氩弧焊打底﹑焊条填充盖面的方法。

2.2 焊接材料选择

为保证各项性能与母材相当，焊接材料与母材的化学成分应尽量相近，焊条选用ENiCrCoMo-1,焊丝选用ERNiCrCoMo-1，这种焊材是Inco公司专门为INCOLOY800HT配套开发的，以保证焊缝同母材相同的高温性能，焊接材料选用见表3。

表3 焊接材料选用

2.3 坡口形式选择

由于INCOLOY800HT为镍基材料，母材及其匹配的焊接材料含镍量更高，具有更低的热导率和高的膨胀系数，熔融金属具有黏滞性，熔池金属流动性更差，出现夹渣和气孔的几率更大，为此在设计时采用了更大的坡口角度，以抵消材料的收缩。

切割线材料为INCOLOY800HT，按坡口选择图(见图1)对各部件进行坡口加工。坡口加工采用等离子和砂轮切割，加工后应进行外观检查，其表面不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷。

图1 切割线焊缝坡口

2.4 焊接工艺参数选择

在焊前对材料进行充分烘焙，清除工件上的水分，减少气孔的存在，在焊道的安排中采用窄焊道、多道焊，焊接时尽量减少接头的约束，限制焊条的摆动，减少夹渣的存在，为了防止热裂纹的产生，应在规定的低热量输入下进行，选用小的电流和线能量进行焊接(焊接工艺参数见表4)，控制层间温度，熄弧时弧坑填满。

表4 焊接工艺参数

2.5 接头力学性能试验

对焊件进行力学性能试验(拉伸试验和弯曲试验)，INCOLOY800HT的常温力学性能：Rm≥450 MPa，试验数据均符合标准的要求(力学性能试验数据见表5)。为全面考核焊接接头横向变形能力，根据规范要求进行4个侧弯试样，结果见表6。除个别试样出现容许的缺陷外，大部分试样受拉面为完好状态，结果均在合格范围内。

表5 焊缝拉伸试验结果

表6 焊缝弯曲试验结果

对材料进行高温拉伸试验，数据见表7。

按照规定焊接试件﹑检验试样﹑测定性能﹑确认试验记录正确，结论为合格。

表7 焊缝高温拉伸试验结果

3 现场焊接及热处理工艺控制

3.1 焊接过程控制

采用钨极氩弧焊打底的根层焊缝检查后，应及时进行次层焊缝的焊接，以防产生裂纹。多层多道焊缝焊接时，应逐层进行检查，经自检合格后，方可焊接次层，直至焊完。发现焊接缺陷时应及时清除后重焊。高铬镍合金熔池黏稠不易流动，电弧焊时应采取小幅摆动措施。坡口两侧应短暂停留，防止出现咬边缺陷，每道焊口都尽量一次性焊完。层间温度控制在40～80 ℃。

3.2 焊缝外观检查及无损检测

焊缝边缘应该圆滑过渡到母材，余高不得大于2 mm，焊缝表面不允许有深度大于1 mm的尖锐凹槽，且不允许低于母材表面。焊缝表面不得有裂纹、气孔、咬边、未熔合、未焊透、夹渣等缺陷，焊缝外观检查合格及时进行无损检测，检查方法见表8。

表8 无损检测

3.3 热处理工艺控制

热处理参数需要进行严格控制。如果热处理不当，会导致材料性能的下降。如果热处理温度偏低，或对经过变形加工后的材料不进行热处理，都会使材料达不到应有的晶粒度和稳定的组织，从而使材料的高温蠕变性能和持久性能下降；而如果温度偏高，则会使材料的铁素体含量增加，并析出σ脆性相和475 ℃脆性相，使得材料性能下降。

800HT材料会表现出应力松弛开裂敏感性，焊接加工会提高这种敏感性，当设计温度高于538 ℃时应对受压焊缝进行最低885 ℃的焊后热处理以去除应力松弛开裂敏感性。

对检测合格后的焊缝进行焊后稳定化热处理，热处理的工艺参数如下：

升温速度：500 ℃以下，≤150 K/h；500～850 ℃，≤100 K/h；850 ℃(30 min)，0 K/h；850～910 ℃，≤50 K/h

恒温温度：899 ℃

恒温时间：2 h

加热采用耐高温的特殊材质电阻丝，每道管口的功率布置为160 kW，在焊缝区域设定4个分区(上、下各1点、水平2点)进行控制，左右两边各设定一个辅助升温区。管道外侧用硅酸铝保温材料包裹，保温厚度为150 mm。

4 结语

800HT材料焊接应在精心策划和严格质量控制的指导下施工，在深刻分析INCOLOY800HT焊接性特点的基础上，制定合理的焊接工艺及热处理工艺，成功地克服了800HT易出现热裂纹和再热裂纹的焊接缺陷，并在工程中调整优化，最终获得了优良的焊接质量。焊缝的无损检测合格率和力学性能试验指标均优过设计指标，经过苯乙烯装置的投产考核，改造后的反应器运行正常，投产后产量完全达到设计负荷运行至今。