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hastelloy C4哈氏合金焊接工藝
hastelloy C4哈氏合金焊接工藝
1.化學成分和機械性能
hastelloy C4對應ASME中UNSN其化學成分及力學性能見表1，21。hastelloy C4屬于Ni－Cr－Mo鎳基耐腐蝕合金，單相奧氏體組織，含量高Cr和Mo，因此，它不僅耐還原介質腐蝕，而且耐氧化介質腐蝕，而且耐原復合介質腐蝕。通過減少C，Si，Fe添加穩(wěn)定元素Ti，提高了晶間耐腐蝕性。其耐點蝕性、縫隙腐蝕性和應力腐蝕性也較好。
表1、C4材料化學成分%
標準值
≤0．015
≤0．08
≤3．0
≤0．04
≤0．03
≤1．0
剩余
≤2．0
≤0．7
14．0～18．0
14．0～17．0
復驗值
0．003
＜0．01
1．0
＜0．002
0．002
＜0．01
67．28
0．03
＜0．01
15．7
15．58
表2、C4材料力學性能
標準值
≥690
≥276
≥40
復驗值
744
319
72
2、hastelloy C4哈氏合金焊接分析
(1)鎳基耐腐蝕合金具有較高的熱裂紋敏感性，焊接過程中容易產生結晶裂紋和液化裂紋。裂紋原因2：鎳、硫、磷在高溫下容易形成低熔點晶體；當焊接熱輸入較大時，焊接接頭晶粒較大，晶粒間碳化物較多，金屬間化合物促進液化裂紋，增加熱裂紋的趨勢。裂紋原因2：鎳、硫、磷在高溫下容易形成低熔點晶體；當焊接熱輸入較大時，焊接接頭晶粒較大，晶粒間碳化物較多，金屬間化合物促進液化裂紋，增加熱裂紋的趨勢。因此，焊接應控制焊接熱輸入，并限制焊接中的熱輸入S，P，Si含量等措施。
(2)鎳基焊縫金屬對氣孔敏感。
氣孔原因：鎳基合金液體金屬的流動
性能差，氣體在焊接狀態(tài)下無法逃逸；鎳基合金固液相溫度間距小，液體鎳中氧氣、二氧化碳、氫氣溶解度大，但焊縫冷卻時溶解度明顯降低，熔池內氣體無法逃逸形成氣孔。因此，焊接前應清除焊接區(qū)域的油、水等雜質，并在焊接材料中加入錳、鈦、鈮等脫氧元素。焊接過程中應加強焊接熔池的氣體保護。
制定焊接工藝
2.1.焊接方法及焊接材料
氬弧焊接方法4-5根據產品結構特點選擇焊接材料EＲNiCrMo-7焊絲，直徑2.4mm，化學成分見表36。焊接時背面采用氬氣保護，Ar純度為99.99%，流量為8~10L/min。
表3、EＲNiCrMo-7材料化學成分%
標準值
≤0．015
≤1．0
≤3．0
≤0．04
≤0．03
≤0．08
≤0．50
剩余
≤2．0
≤0．7
14．0～18．0
14．0～18．0
≤0．50
復驗值
0．001
0．14
0．46
0．006
0．002
0．02
0．02
剩余
＜0．11
0．19
15．8
15．73
0．10
2.2.坡口設計
由于鎳基合金液體焊縫金屬流動性差，熔化深度，不易潤濕，接頭應提供足夠的空間方便金屬填充，坡口應采用較大的根間隙和坡角，鈍邊高度較小，防止焊接過程中無熔化、無焊接缺陷，確保液體焊縫金屬覆蓋坡口。（墨?聚)工藝評價試驗采用對接接頭的坡口形式，如圖2所示。
圖2坡口形式
2.3、焊前清洗
焊前清洗對焊接鎳基耐腐蝕合金非常重要。焊絲和焊絲hastelloy C4和不銹鋼S31603焊接區(qū)必須用丙酮或無水乙醇等溶劑清洗去除油、水等污垢，以免產生氣孔和裂紋。
2.4.預熱和道間溫度控制
鎳基耐腐蝕合金焊接前一般不需要預熱，可在室溫下焊接。
2.4.預熱和道間溫度控制
鎳基耐腐蝕合金在室溫下焊接前一般不需要預熱。當焊件溫度低于2時℃或較低時，焊接坡口和兩側大于300mm的（墨?聚)應加熱至15~20℃，防止氣孔產生水冷凝。焊接過多的焊接熱輸入和道間溫度會導致晶粒過大，增加熱裂紋傾向，降低耐腐蝕性，道間溫度應控制在100℃以下。
2.5.焊接工藝參數
根據鎳基合金的焊接特點，為防止其熱裂紋，應采用較小的焊接熱輸入和多層焊接，焊接時不得水平擺動，盡量直線移動。焊接工藝參數見表4。
表4.焊接工藝參數，
GTAW
1
EＲNiCrMo－7
2．4
DCEN
90～110
11～13
10～15
≤8．58
GTAW
2～5
EＲNiCrMo－7
2．4
DCEN
110～140
11～13
10～15
≤10．92
3、hastelloy C44哈氏合金焊接工藝評估試驗
按照NB/T47014-20117及技術要求，根據上述焊接工藝，厚度為8mm的S31603和C4(N06455)板材分別進行了兩組焊接工藝評價試驗。一組為S31603與C4.樣品編號為863#；一組C4.864#與C樣品編號之間的焊接。一組為S31603與C4.樣品編號為863#；一組C4.864#與C樣品編號之間的焊接。
焊后試件100%RT和100%PT拉伸、彎曲、晶間腐蝕、晶間腐蝕、焊縫化學成分分析等。晶間腐蝕試驗結果為：863#：晶間腐蝕試驗（2件）GB/T15260-19947標準B法驗收合格；864#：晶間腐蝕試驗(2件)GB/T15260-19947標準B驗收合格。其他項目的試驗結果見表5~7。
表5拉伸試驗結果
863#-1
620
熱影響區(qū)塑斷
863#-2
620
熱影響區(qū)塑斷
864#-1
735
熱影響區(qū)塑斷
864#-2
735
熱影響區(qū)塑斷
表6彎曲試驗結果
863#
面彎
180
合格（2件）
863#
背彎
180
合格（2件）
864#
面彎
180
合格（2件）
864#
背彎
180
合格（2件）
表7焊縫化學成分%
863#樣品(焊縫中心線外表面)墨水?鉅
0．003
0．02
0．16
0．005
0．023
67．28
15．69
14．95
1．28
0．05
0．07
864#試樣
0．002
0．03
0．06
0．007
0．025
67．68
16．00
14．63
1．17
0．07
0．04
從試驗結果可以看出，863#的抗拉強度大于不銹鋼S31603標準規(guī)定的最低抗拉強度為490N/mm2.864#的抗拉強度大于固熔狀態(tài)hastelloy C最低抗拉強度為690N/mm2.焊接接頭熱影響區(qū)均為塑性斷裂。兩組面彎和背彎樣品彎曲至18°之后，拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)域沒有開口缺陷NB/T47014標準要求7。兩組面彎和背彎樣品彎曲至18°之后，拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)域沒有開口缺陷NB/T47014標準要求7。
晶間腐蝕試樣24h彎曲試驗后，拉伸面無裂紋等缺陷，符合標準8-9要求，焊接接頭耐腐蝕性好10。
由此可見，試件經無損檢測合格后進行機械性能檢測，焊接接頭的抗拉強度和彎曲性能得到滿足NB/T47014-2011要求焊接化學成分和晶間腐蝕試驗合格，證明焊接工藝良好，能保證焊接接頭的力學性能和耐晶間腐蝕性。
4、hastelloy C44哈氏合金焊接接頭金相檢測
為進一步了解焊接工藝對焊接接頭的影響，取樣了宏觀金相檢測和微觀金相檢測11。每組評估863#和864#樣品編號。
宏觀金相檢測采用10倍放大鏡，兩個樣品焊接接頭截面無氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊接等缺陷。
微觀金相檢測如圖3、4所示。樣品檢測結果如下：S31603母材和熱影響區(qū)加少量奧氏體δ為奧氏體添加微量鐵素體組織δ鐵素體組織，C四側熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織。樣品檢測結果如下：C四面母材和熱影響區(qū)為奧氏體組織，焊縫為奧氏體加微量δ鐵素體組織12-13。從微組織圖可以看出，兩接接頭組織精細，無大晶粒組，無有害相沉淀，焊接工藝性能良好。
(a)S31603母材500×
(b)S31603側熱影響區(qū)500×
(c)焊縫100×
(d)C4側熱影響區(qū)100×
(e)C4母材100×
圖3863#微組織試樣
(a)C4母材100×
(b)C4側熱影響區(qū)100×
(c)焊縫100×
圖4864#微組織試樣
5、hastelloy C4哈氏合金焊接結論
(1)hastelloy C4屬于Ni－Cr－Mo鎳基耐腐蝕合金類型，單相奧氏體組織，焊接時具有熱裂紋和氣孔敏感性，采用本焊接工藝焊接，可獲得合格的焊接接頭。
(2)氬弧焊EＲNiCrMo-7.焊絲背面采用純氬保護。焊接前，焊絲和坡口表面應嚴格清理。坡口角度應適當增加，熱輸入小，道間溫度應控制在100℃以下是多層多道焊。經工藝評估試驗，C4與C4焊接接頭的抗拉強度為735N/mm2，C4與S31603焊接接頭的抗拉強度為620N/mm2.面彎、背彎均合格；晶間腐蝕按壓；GB/T15260-1994標準B驗收合格，表明焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性符合標準要求。
(3)為奧氏體添加微量焊縫中的焊縫δ鐵素體組織，C四側熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織，S31603側熱影響區(qū)和母材加少量奧氏體δ焊接工藝性能好的鐵素體組織，焊接接頭組織細密，無晶粒粗大，無有害相沉淀。
(3)為奧氏體添加微量焊縫中的焊縫δ鐵素體組織，C四側熱影響區(qū)和母材為奧氏體組織，S31603側熱影響區(qū)和母材加少量奧氏體δ焊接工藝性能好的鐵素體組織，焊接接頭組織細密，無晶粒粗大，無有害相沉淀。