ENiCrFe-3、ENiCrMo-3镍基合金异种钢焊缝力学性能研究

◎ 谢新苗刘雁杨易坤

一、引言

石油化工压力容器制造的过程中，经常遇到异种钢焊接结构，由于异种钢焊接时存在焊缝合金成分与基材成分的差异，受基材厚度、焊缝结构、焊接参数等因素影响，母材熔化区域和熔敷金属的互相稀释作用将发生变化，造成焊接接头部位的成分、组织和性能严重不均匀，影响焊接接头质量。而且在异种钢焊接过程中，不同材质的钢材膨胀系数及导热性能均存在一定的差异，使得焊接接头出现残余应力，影响接头性能。为解决以上问题，由于镍基合金可消除脱碳层及其良好的塑形，现经常将镍基合金应用到异种钢焊接工艺中，可以有效的避免焊缝金属稀释以及化学成分改变所带来的影响，对接头部位的稳定性及焊接质量均可带来明显的提升。

ENiCrFe3、ENiCrMo3是常用于异种钢对接的镍基合金焊材类别，如某压力容器的低合金钢筒节与不锈钢接管焊接接头（见图1），该接头基材金属有15CrMoR、S32168、S30403，焊接接头成分将更加复杂，因此该接头采用了先堆焊ENiCrFe3合金隔离层，之后继续用ENiCrFe3焊接坡口的接头型式。

ENiCrFe3、ENiCrMo3镍基合金均为固溶强化镍基合金，虽然固溶在焊态下的力学性能常常是足够的，但有时为了消除残余应力、降低氢含量或均匀显微组织，镍基合金焊缝会经历焊后热处理[3]。为确认和对比ENiCrFe3、ENiCrMo3镍基合金的焊接性能及焊后热处理对焊缝性能的影响，现通过两组焊接试验以期获得镍基全焊缝金属在焊态及模拟焊后热处理态的拉伸性能、冲击性能数据。

图1 压力容器异种钢焊接接头型式示例

二、焊接试验

1.试板准备及焊接。镍基合金的液相流动性较差，在焊接过程中容易出现小气孔和微小的热裂纹，影响焊接质量。因此需要选择高质量的镍基合金材料，在焊接期间需控制热输入，选择合适的焊接速度，且堆焊隔离层后进行无损检测，无损检测合格后进行接头焊接。根据以往经验，本次ENiCrFe3、ENiCrMo3镍基合金焊接试验选用的焊接材料分别为TechROD182Φ4、GEN-CM3Φ4，以上两种焊材已按标准 ASMEB&PVC，Sec。ⅡPartCSFA-5。11复验并验收合格，其未经稀释焊缝化学成分详见表1、表2。通过焊接规范的调试，最终确定采用的焊接参数见表3所示。

表1 ENiCrFe3未经稀释焊缝化学成分Wt/%

表2 ENiCrMo3未经稀释焊缝化学成分Wt/%

表3 焊接工艺参数

本次试验焊接ENiCrFe3、ENiCrMo3试板各一件，两件试板采用同样的焊接过程及规范。首先将45mm厚低合金钢钢板（材质：12Cr2Mo1VR）单侧加工V型坡口，堆焊隔离层前严格彻底的清理工件，避免杂质影响焊接效果，堆焊镍基隔离层后再次加工坡口，加工后保证镍基隔离层厚度≥6mm。镍基隔离层的首层堆焊前需预热，预热温度为≥120℃，层间温度为≤250℃。其余镍基堆焊层及组焊不需预热，层间温度＜100℃。装配试板后进行镍基焊缝焊接，焊接接头型式如图2所示。焊接后去除衬板并打磨圆滑，与母材的原始表面平齐。

图2 焊接试板简图

2.试板解剖。为检测镍基合金焊后热处理后室温强度、延性和冲击韧性的变化，在ENiCrFe3、ENiCrMo3试板焊接完成后分别在焊缝厚度方向的相同位置取焊态、模拟焊后热处理试样进行试验，取样位置及数量如试板解剖图（图3）所示。试板解剖取样后，焊态试样直接进行力学性能试验，模拟焊后热处理试样进炉模拟焊后热处理后进行试验，焊后热处理参数选用试板母材（12Cr2Mo1VR）焊后最小热处理规范705±14℃*8h，热处理工艺详见图4。

图3 ENiCrFe3/ENiCrMo3试板解剖图

图4 模拟焊后热处理工艺

3.拉伸试验。将试样按GB/T228.1的要求进行室温拉伸试验，试验结果如表4所示，试样的抗拉强度均满足标准ASME B&PVC，Sec.ⅡPartCSFA-5.11A的要求（标准要求ENiCrFe3焊缝抗拉强度≥550MPa，A≥30%；ENiCrMo3焊缝抗拉强度≥760MPa，A≥30%）。通过对比焊态与模拟焊后热处理态试样的抗拉强度，可以看出模拟焊后热处理对ENiCrFe3、ENiCr-Mo3焊缝强度有明显的影响，其中ENi-CrFe3试板焊缝在模拟焊后热处理后抗拉强度较焊态提高约80MPa，ENiCrMo3焊缝在模拟焊后热处理后抗拉强度较焊态提高约50MPa。

表4 拉伸性能

4.冲击试验。将试样按GB/T229的要求进行室温冲击试验，试验结果如表5所示，试验结果表明模拟焊后热处理对ENi-CrFe3、ENiCrMo3焊缝冲击性能影响较小，经模拟焊后热处理的试样冲击功与焊态试样相比降低约20J。

表5 冲击性能

三、结论

1.通过两组焊接试验可以得出ENi-CrFe3、ENiCrMo3焊缝焊态及模拟焊后热处理态的力学性能均满足标准要求。经历705℃*8h焊后热处理会对ENiCrFe3、ENi-CrMo3焊缝力学性能产生不利影响，热处理后焊缝强度升高、冲击功降低，如焊缝必须经历焊后热处理以降低残余应力，为防止脆化应仔细控制好热处理。

2.ENiCrMo3焊缝的室温冲击功较ENiCrFe3低，且经历热处理后抗拉强度较高，ENiCrFe3焊缝经历热处理后的综合力学性能优于ENiCrMo3焊缝。如镍基合金焊接接头焊后需经历705℃*8h热处理，推荐采用ENiCrFe3合金焊接异种钢焊缝。