N08800铁镍基合金焊管在弯管成型时的开裂原因

李 莎, 赵振铎, 王贵平

[1.太原钢铁(集团)有限公司 先进不锈钢材料国家重点实验室, 太原 030003； 2.山西太钢不锈钢股份有限公司 技术中心, 太原 030003]

N08800合金是一种低碳、钛稳定化的铁镍基耐蚀耐热合金，具有良好的抗氧化性能，优异的耐点蚀、抗应力腐蚀性能，广泛应用于工业中[1-3]。N08800合金属于高温难变形合金，热加工过程中极易产生裂纹缺陷，热轧板材主要依赖于进口。目前国内外对该合金的研究主要集中在凝固行为、腐蚀性能等方面[4-6]。N08800合金的薄壁电加热管生产工艺流程为：带材检查→焊接[钨极自熔氩弧焊(TIG)焊]→填充镁粉→辊压减径→发黑退火处理→弯管成型，其中焊接为焊管生产的关键工艺环节，焊管质量直接决定了后续电加热管的成型质量，在实际弯管成型中，时而存在开裂问题，该问题的存在降低了电加热管的成品率，增加了产品的生产制造成本。笔者对高端电加热器用N08800合金薄壁焊管弯管成型后的开裂原因进行了分析，并在此基础上，提出相应的控制措施，为N08800合金薄壁电加热管的实际生产提供技术指导。

1 理化检验

1.1 宏观观察

N08800合金薄壁焊管生产采用TIG焊接工艺方法，制备的焊管规格为φ10 mm×0.5 mm，经弯管成型工艺后，有些焊管出现开裂现象。取开裂焊管试样，对开裂处进行宏观观察，如图1所示，可见开裂处形成的孔洞位于焊缝处且孔洞贯穿管壁。

图1 N08800合金焊管缺陷宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the N08800 alloy welded pipe defects： a) sample No.1; b) sample No.2

1.2 化学成分分析

对存在开裂缺陷的N08800合金薄壁焊管的母材进行化学成分分析，结果见表1，可见所用N08800合金成分符合技术要求。

表1 N08800合金焊管的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the N08800 alloy welded pipe (mass fraction) %

1.3 力学性能试验

对出现开裂的N08800合金薄壁焊管的母材进行力学性能试验，结果见表2。可见所用N08800合金薄壁焊管母材的力学性能符合技术要求。

表2 开裂N08800合金焊管母材的力学性能Tab.2 Mechanical properties of base metal of the cracking N08800 alloy welded pipe

1.4 金相检验

从开裂焊管横截面上切取金相试样，经磨制、抛光、浸蚀后进行金相检验，如图2所示。观察发现带钢原料的显微组织为单一奥氏体，晶粒度为7.5级，组织均匀无异常。对于单一奥氏体组织来说，晶粒越小，强度越高，塑性越差，反之，则塑性较高，利于加工成型。生产实践表明，N08800合金在该组织条件下，具有较佳的塑性指标，利于焊管弯管成型。

图2 N08800合金焊管的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of N08800 alloy welded pipe

1.5 微观分析

采用扫描电镜(SEM)分别对1号、2号焊管试样的开裂形貌进行观察，分析其开裂产生的原因并提出相应的控制措施。

图3为1号焊管试样开裂处的形貌，可见开裂处位于焊缝位置。在开裂形成的孔洞缺陷靠近管壁外表面附近观察到了浮渣，采用能谱(EDS)仪对其进行成分分析，其成分主要为含铝、钙、硅、镁的氧化物，如图4所示。该浮渣位于焊管外表面，其为焊接过程中形成的二次冶金产物，是由焊接熔池内的夹杂物重新聚集长大而形成，通过对焊缝表面进行酸洗、打磨等处理，可减少或消除。

图3 1号试样开裂处的SEM形貌Fig.3 SEM morphology at cracking of sample No.1: a) at low magnification; b) at high magnification

图4 焊接浮渣的EDS分析位置及分析结果Fig.4 EDS a) analysis position and b) analysis results of the welding slag

图5为2号焊管试样的开裂形貌，可知也是在焊缝位置开裂，对开裂处的孔洞形貌进行观察，未发现夹杂物及二次析出相等，从该孔洞表面形貌特征判断，其为典型的焊缝金属在凝固过程产生的树枝晶凝固形貌，是由凝固过程中焊缝未得到焊接金属的充分补缩所导致的缩孔缺陷。

图5 2号试样开裂处的SEM形貌Fig.5 SEM morphology at cracking of sample No.2: a) at low magnification; b) at high magnification

2 分析与讨论

针对较大尺寸焊接浮渣，打磨后部分焊接浮渣仍然存在于焊管表面或留下很深的凹坑，甚至贯穿壁厚，尤其对于薄板料表现得更为突出。当焊缝存在凹坑缺陷并且薄壁管受弯管拉应力作用时，该处缺陷应力比较集中，凹坑缺陷会形成开裂，从而形成开裂孔洞。焊接浮渣为焊接过程中二次冶金造成夹杂物上浮聚集所致，从材料生产制造角度考虑，需进一步提高钢液的纯净度，降低钙、硅等元素的含量以及夹杂物含量，进而减小焊接浮渣尺寸，避免形成焊接凹坑等应力集中源，降低焊管在拉应力作用下弯管成型开裂倾向。经现场了解，用户为了提高生产效率，提高了焊接速度，由于焊接速度过快，热输入降低，造成熔池中的焊缝金属补缩不充分，形成焊接缩孔，成为潜在的缺陷应力源，当薄壁管弯管成型时，容易在此处产生裂纹并扩展开裂。

N08800合金属于铁镍基合金，液态时黏度较高，流动性能差。采用钨极自熔氩弧焊时，在相同焊接电流、焊接电压条件下，焊接速度对焊接接头的成型性能有较大影响。因此，为保证获得性能良好的焊接接头，不能一味追求生产效率而盲目提高焊接速度，这样将无法保障焊接熔池金属充分填充焊缝，进而导致焊接缩孔的产生，降低焊管成型质量。表3为N08800合金焊管生产工艺改进前后的焊接参数，将焊接速度进行了适当降低，经实际焊接后，未发生因焊接孔洞造成的开裂现象，焊管成型开裂率大幅降低。

表3 N08800焊管焊接工艺改进前后的参数Tab.3 Parameters of N08800 welded pipe before and after welding process improvement

3 结论及建议

N08800合金焊管成型开裂均出现在焊缝处，主要由焊缝浮渣、焊接缩孔等原因造成。焊接浮渣为焊接过程中二次冶金的产物，较大尺寸的焊接浮渣会在外力作用下形成凹坑，进一步扩展为开裂孔洞。焊接缩孔为凝固过程中焊缝未得到熔池金属的充分补缩所致的缺陷。

建议进一步提高钢液的纯净度，降低材料中的夹杂物含量。在其他焊接工艺参数不变的条件下，降低焊接速度，避免焊接缩孔缺陷产生，降低焊管成型开裂倾向。