船用高强钢表面镍基合金堆焊工艺

王世达 程尚华 李梅豹

摘要：针对在船用高强钢E36表面进行镍基合金Inconel 625的堆焊工艺进行了分析。采用手工钨极氩弧焊工艺，堆焊过程中严格控制焊接电流、电弧电压及焊接速度，保证较低的热输入以及较低的焊接层间温度。该工艺要求在清洁的焊接环境下，使用洁净的焊材进行填丝钨极氩弧焊，以获取优质的镍基合金堆焊层。为保证焊接质量，同时对合金堆焊的焊接过程控制提出了明确要求。通过试验确定了这种镍基合金堆焊的可靠工艺，指导现场进行生产。

关键词：船用高强钢;Inconel 625镍基合金;钨极氩弧焊;堆焊;焊接工艺

中图分类号：TG457.1         文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）01-0115-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.19

0    前言

持续的能源开发使得陆地资源变得越来越少，为更高效率的获取能源，很多国家将越来越多的目光瞄向了海洋，而海洋中储备丰厚的能源开采直接推动了海洋工程及船舶行业的发展。但是海水对海洋结构强烈的腐蚀，严重影响着海洋结构的使用寿命。为减轻甚至避免被腐蚀，在空间允许的情况下，常规做法是在结构上连接附属活性材料，根据电化学原理，通过阳极保护实现结构的耐蚀;但对于需要紧密配合的构件，这种方式无法满足需求，只能通过在构件需配合部位的表面复合耐蚀材料来实现可靠的表面稳定性，达到耐蚀的目的。镍基合金对氧化和还原环境的各种腐蚀介质都有很强的抗腐蚀性能，在氯化物介质中具有出色的抵抗点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等腐蚀的能力，将这种合金通过焊接复合在钢质构件表面，在海洋工程结构中具有广泛的应用。

根据设计要求，现有材质为船用高强钢E36的结构件需在紧密配合的部位表面堆焊镍基合金Inconel 625，要求堆焊厚度不小于4 mm，且在距堆焊层表面1 mm处的铁素体含量不超过5%（质量分数）。为了规范产品的焊接，进行焊接工艺分析及评定。

1 母材及焊材

母材材质为E36级船用高强钢，是在海洋钢结构及船舶结构中应用广泛的低温性能要求较高的钢种，DNV-OS-B101标准中E36的力学性能及化学成分要求如表1、表2所示。

焊接材料选用镍基焊丝AWS/ASME ERNiCrMo

-3，其化学成分要求如表3所示。该焊材在焊接时可容纳高稀释率，在钢质基体上堆焊不需额外焊接过渡层。考虑到焊材会被母材稀释，实际应用应选用w （Fe）在10-1数量级或是更低的焊丝。

2 镍基合金在船用高强钢上的堆焊特点

镍基合金在焊接（包括堆焊）过程中容易产生热裂纹，这与接头处产生的低熔点共晶、晶界偏析以及线膨胀系数相差较大有关[1]。

硫和磷会使钢的结晶温度区间大大增加，而热裂纹产生的倾向大小是随结晶温度区间的增大而增大的，而且硫和磷在钢中能形成多种低熔共晶（如Ni+Ni2S2、Ni+Ni3P，镍与硫就易形成低熔共晶），使结晶过程中极易形成液态薄膜，从而显著增大裂纹倾向。另外，硫和磷在钢中极易引起的偏析也是诱发裂纹产生的重要原因[2]。所以应严格限制母材及焊材的硫、磷含量，防止焊接过程中热裂纹的产生。

低的冷却速度会加剧促使焊接热裂纹的产生[3]，而过热不仅会加剧促使焊接热裂纹的产生且易导致合金在焊接过程中被氧化，为此应通过控制层间温度及焊接热输入，降低镍基合金在钢表面堆焊时的温度及增大熔敷金属的冷却速度。

另外，镍基合金焊接时对杂质的影响较为敏感，易产生夹渣和气孔等缺陷，保证母材及焊材的洁净干燥是避免这类缺陷产生的重要措施。

通过焊接试验不难发现，焊接时，镍基合金Inconel 625的熔池中熔融的金属流动粘滞缓慢，熔融的金属流动性较差;而且，相比碳钢焊材而言，其熔深浅。在焊接过程中焊接人员应对此进行了解，保证焊接金属良好的融合。

对比表 1 、表 2 中的化学成分可以看出，堆焊焊材的化学成分与母材的差别非常大，在钢质母材上进行镍基合金的堆焊时，母材材质对镍基合金会有稀释作用，最明显的就是铁元素在镍基合金熔敷金属中的含量相比镍基焊材中的增多，由于镍基焊材非常昂贵且成分的稀释会严重影响到镍基合金的组织和性能，所以应采用科学的焊接规范保证在要求的堆焊厚度内，镍基合金被稀释的程度最低。

3 焊接工艺

3.1 焊前准备

焊前对母材焊接区及两侧20 mm范围内采用打磨、清洗的方式进行严格的除锈、除湿、除油及其他污物。同时应保证焊丝表面的洁净度。

3.2 焊接工艺参数

焊接方法采用钨极氩弧焊，焊接时采用纯度为99.997%的纯氩作为保护气体，气体流量为10～

15 L/min，选用直径为2.4 mm的铈钨极，直流正接。焊前母材可不进行预热但应保证温度不低于5 ℃。层间温度严格维持在5～100 ℃的范围内。焊接过程中严格控制电流电压及热输入，具体焊接工艺参数如表4所示[4]。

3.3 焊接质量保证措施

焊接环境应保持清洁，避免焊材及母材在焊接过程中被污染。风速超过2 m/s，或环境的相对湿度超过80%时，均应停止施焊，否则应采取控制措施。

施焊焊工应熟悉GTAW操作且具有相应的资质，在焊前向其进行技术交底，并组织进行适当的Inconel 625焊接的操作练习。

應选用适用于不锈钢的打磨工具/钢丝刷，使用前进行清理，保持其清洁，否则应使用新的;打磨母材及打底层的工具不应在后续焊接的焊道上继续使用。

焊接作业过程中应采取如下措施：焊工使用不掉线的手套，且手套保持干净;第一层、第二层焊接时，焊接电流选用规定范围内的小值，控制填丝填充量，确保焊层尽量薄（获得小的熔合比）;尽量减少停弧，断弧处必须进行打磨，焊接接头要错开;在焊接中采用尽量小的摆动或不摆动且应控制电弧要短;断弧时，利用滞后的氩气流，保护熔池及焊丝端部;继续焊接时，若焊丝端部存在氧化皮，在填丝前应将其剪掉或进行打磨处理。

4 试验结果及分析

为检验堆焊的性能，根据ASME Ⅸ及业主规格书的要求，针对堆焊金属进行了外观检验、渗透检测及理化试验[5]。

4.1 外观检验及渗透检测

焊道成形美观，表面铺展良好，整体平整度高（见图 1）。渗透检测未发现缺陷。

4.2 理化试验

理化试验包括弯曲试验、硬度试验、化学成分分析及宏观金相检验。

在弯曲试验中，堆焊层表现出了良好的材料连续性，在其内部未有开口（包括裂纹）的出现，同时在与基体母材的熔合线处也没有出现开口的情况，如图 2 所示。

距熔合线3 mm的堆焊层表面进行显微维氏硬度试验，试验结果如表5所示。试验结果表明堆焊金属未出现硬化，满足要求。

为检测Inconel 625被基体稀释的程度，对不同厚度处的熔敷金属进行了铁含量分析，结果如表6所示。从表中可看到熔敷金属中距熔合线3 mm处的铁含量满足小于5%的要求。

宏觀金相如图 3 所示，在熔敷金属及热影响区内未出现缺陷。

5 结论

对镍基合金焊接特点的充分理解，采用科学合理的焊接规范，保证了焊接工艺顺利通过评定。

此焊接工艺的可靠性能在现场的实际应用中得到了充分的证明——现场焊接材料使用量超过300 kg，堆焊高度超过6 mm，经过机加工后的渗透检验，检验结果良好，未发现焊接缺陷。

参考文献：

李亚江. 焊接冶金学：材料焊接性[M]. 北京：机械工业出版社，2006：276-280.

张文钺. 焊接冶金学（基本原理）[M]. 北京：机械工业出版社，1999：221-231.

姚寿山，陆皓，牛明安，等. 冷却速度对镍基合金堆焊层焊接热裂纹的影响[J]. 材料开发与应用，1997（2）：2-6.

杨文杰. 电弧焊方法及设备[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007：131-151.

American Society of Mechanical Engineers. ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section IX Welding and Brazing Qualifications[S]. 2010.