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镍基合金C-276的焊接工艺


华东地区第九届焊接技术交流会论文

镍基合金 C-276 的焊接工艺
周生华 安徽电力建设第二工程公司(232089) 摘要:本文介绍了镍基耐蚀合金 C-276 的焊接工艺,根据 C-276 的焊接性,制定了切实可行的焊接 工艺参数。试验表明,采取 GTAW(钨极气体保护焊)焊打底时必须采取一定工艺措施防止镍基合金 背面氧化,减少焊接缺陷的产生。 关

键词:C-276 工艺参数 GTAW 焊

前言
合金 C-276 通常被认为是万能的抗腐蚀镍-铬-钼锻造合金, 它能够阻止焊接热影响 区的晶界沉淀的形成,有杰出的点状腐蚀和应力腐蚀开裂抗力,有很好的硫化物和氯 离子抗力,焊接后可以不用再进行固溶热处理,其加工性能也有了很大的改进。因此, 它焊接状态的产品可适用于大多数化学工程处理的结构,也是少数可以承受湿氯蒸汽、 次氯酸盐等化学介质腐蚀作用的材料之一,因此镍基合金 C-276 被广泛应用在诸如平 圩电厂二期 2×600MW 机组烟气脱硫系统等腐蚀严重的区域。 目前 C-276 合金的厚板、薄板、带材、棒材、管子已按美国国家标准 UNS 的牌号

N10276N 分别列入 ASME 标准技术条件 SB-574,SB-575,SB-619,SB-622,SB-626
中。

1

C-276 合金的特点
C-276 合金可以锻造、热镦锻和冲挤加工。虽然该合金有较快的加工硬化倾向,但

能很好的经受深冲、拉拔、压制成形及冲孔等。C-276 合金流动性差,可以用焊接铬镍 奥氏体不锈钢的焊接方法焊接,如 SMAW(焊条电弧焊)、GTAW(钨极气体保护焊)、

GMAW(熔化极气体保护焊)、SAW(埋弧自动焊),不推荐使用氧乙炔焊和埋弧焊方法焊
接 C-276。要特别注意焊接时采取一定的预防措施以防止过度热输入。

2

C-276 合金的标准化学成分(表 1)
表 1 C-276 合金的标准化学成分(%) C Cr 14.5~16.5 Ni 余 量 Mo 15.0~17.0 Fe 4.0~7.0 V ≤ 0.35 Co ≤ 2.5 W 3.0~4.5 Mn ≤ 1.0 Si ≤ 0.08 P ≤ 0.04 S ≤ 0.03

≤ 0.02

3

C-276 热裂纹敏感性
线膨胀系数大,具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和高

温失塑裂纹。结晶裂纹最容易发生在焊道弧坑,形成火口裂纹,多半沿焊缝中心线纵 向开裂,也有垂直于焊波的。液化裂纹多出现在紧靠熔合线的热影响区中,有的还出 现在多层焊的前层焊缝中。高温失塑裂纹既可能发生在热影响区中,也可能发生在焊
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缝中。各种热裂纹有时是宏观裂纹,但有时仅有微观裂纹。热裂纹发生在高温下,常 温下不再扩展。

4

工艺特性
液态焊缝金属流动性差,接头的坡口角度需较大些,以便使用摆动工艺;另外其

焊缝金属熔深浅,接头的钝边厚度要较其它钢薄一些。不能通过增大焊接电流来提高 它的工艺特性,焊接电流超过推荐范围不仅使熔池过热,增大热裂纹敏感性,而且会 使焊缝金属中的脱氧剂蒸发,出现气孔。

5
5.1

焊接工艺试验
焊件 焊件材料为 ThyssenKrupp VDM 公司生产的 Nicrofer5716hMoW-alloy C-276,化学

成分如表 2
表2 Nicrofer5716hMoW-alloyC-276 化学成分(%)

C 0.005

Cr 16.2

Ni R57.6

Mo 16.2

Fe 5.3

V 0.17
表3

Co 0.4
力学性能

W 3.4

Mn 0.5

Si 0.02

P 0.01

S 0.003

密度(g/cm3)

抗拉强度 Rm(MPa)

屈服强度σ0.2(MPa)

8.921
取 400×125 试板两块,厚度为 10mm。 5.2 焊机

746

347

选用时代公司生产的 Ws-400 逆变焊机,手工钨极氩弧焊及焊条电弧焊两用电源。 5.3 焊接材料 焊丝为 SPECIAL METALS 公司生产的 ERNiCrMo-4,手工填丝,其化学成分如表 4,
表 4 焊丝 ERNiCrMo-4 化学成分(%) C Cr Ni Mo Fe V Co W Mn Si P S Al Cu Nb 其 它 < 0.5

0.003

15.91

59.24

15.23

5.77

< 0.01

0.01

3.23

0.039

0.01

0.004

0.001

0.2

< < 0.01 0.01

焊条为 SPECIAL METALS 公司生产的 ENiCrMo-4,其化学成分如表 5:
表5 C 0.013 Cr 16.32 Ni 59.0 Mo 15.29 Fe 5.4 焊条 ENiCrMo-4 化学成分(%) V 0.028 Co 0.047
86

W 3.35

Mn 0.24

Si 0.09

P 0.01

S 0.001

Cu 0.08

其它 < 0.5

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直径为φ3.2,焊前焊条需经 150℃烘干并保温 2h,使用时放入焊条保温筒内,随用随 取,焊条在炉外不宜超过 4h。 5.4 焊接人员及辅助工具

C-276 材料的焊接人员, 必须取得同类项目的焊工合格证件, 并通过该材料考核合
格后,方可上岗施焊。在焊接中使用的主要工器具是:角磨机、焊条保温筒、凹形槽 铜垫、不锈钢丝刷、焊缝检验尺等。 5.5 焊前准备 施焊前坡口边缘 20mm 以内用角磨机打磨干净, 露出金属光泽, 磨削钝边尺寸 0.5~

1mm,然后用丙酮将坡口及两侧 20mm 左右擦拭干净。若清理不干净,表面氧化皮会
形成夹渣或细小的不连续氧化物。S、P 等能与 Ni 形成低熔点共晶物,增加热裂纹倾 向。安装中使用的工夹具均应由同类钢或不锈钢制造。安装吊具凡与 C-276 材料直接 接触的由同类钢或不锈钢制造,不允许用钢丝绳绑吊,必须用尼龙吊带或加符合条件 的隔离层。所使用的砂轮片只能专用于磨 C-276 材料,所用钢丝刷与清渣工具,均应 采用同类钢或不锈钢制造。 5.6 焊前预热及焊后热处理 一般不需预热。但当母材温度低于 15℃时,应对接头两侧 250~300mm 宽的区域内 加热到 15~20℃,以免湿气冷凝。一般不推荐焊后热处理,但有时为保证使用中不发 生晶间腐蚀或应力腐蚀需要热处理。 5.7 坡口形式及定位焊 线膨胀系数大,焊后焊缝收缩严重。若坡口角度和间隙过小,打底焊道最后焊接 的部分将出现没有间隙的情况,导致无法完成该焊缝的焊接。选择坡口角度为 65~70 °,组对间隙为 2.5~3mm。见图 1,在装配后的试板在坡口两侧距端头 20mm 处进行定 位焊,定位焊缝厚度 1~2mm,试板预留反变形 5~6°。 5.8 焊接 镍基耐蚀合金的焊接工艺与获得高质量的不锈钢焊缝的焊接工艺相似。 5.9 打底焊 选用手工钨极氩弧焊,具体为:电极为铈钨极,型号为 WCe-20,规格为φ2.5mm, 圆锥角为 30~60°,尖端磨平,直径约 0.4mm。氩气保护,其纯度为 99.99%,喷嘴直 φ12。
35 32.5~
°

1~2mm

2.5~3mm

图1

坡口简图
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焊接过程中背部用凹形槽的铜垫、并通过保护气,保护焊缝背面,防止氧化。为 保证与根部熔合良好,打底焊时焊缝不能太厚。收弧时要成缓坡形,熄弧时填满弧坑, 如出现收弧缩孔或弧坑裂纹,应用角磨机磨掉重焊。具体焊接参数如表 6:
表6 层 次 1 焊丝直径 (mm) φ2.4 极 性 电流 (A) 95~110 焊接参数 焊接速度 (㎝/min) 10~15 正面氩气流量 (L/min) 12~14 背部氩气流量 (L/min) 8~10 电压 (V) 10~12

直流正接

手工钨极氩弧焊的关键问题是背面保护问题,倘若背面保护有一点不到位,就会 导致背面成形不良,并形成渣状的过烧组织。经试验,采用左焊法时,背面熔敷金属沿 母材两侧呈分开趋势,无法收拢;而采用右焊法,可避免这一现象,取得很好的背面 成形。 另外,背面还可以采用“太阳”保护剂,可以在焊接背面形成保护焊涂层从而有 效地防止氧化,同时其润湿行为可保证熔化的焊缝金属完全穿通焊缝根部,且在热作 用熔化后其表面粘附力对熔化金属具有支托作用起到了背面衬垫作用。采用背面保护 剂时,电流须略微加大到 110A 左右,采用内填丝的技术。 而打底焊采用焊条电弧焊时,焊缝背面就不会出现无法收拢的情况。 5.10 其它层 选用焊条电弧焊,镍基合金的焊接工艺与获得高质量的不锈钢焊缝的焊接工艺相似。 层间温度控制在 150℃以下。由于液态镍基合金的熔深更浅及液态焊缝金属流动性差, 在焊接中必须严格控制焊接参数的变化。一般要求焊接中要适当的摆动焊条,摆幅不 超过焊条直径的 3 倍,尽量采用平焊位置,且须短弧焊,断弧时要稍微降低电弧高度 并增大焊速以减小熔池尺寸,这样可减小火口裂纹。具体参数如表 7:
表7 层次 2~5 焊条直径 φ3.2 极 性 焊接参数 电流(A) 80~110 电压(V) 22~24 焊速(㎝/min) 15~20

直流反接

5.11 焊接接头检测结果 5.11.1 外观检验 外观检验无气孔、焊瘤、凹陷及咬边等缺陷,焊接接头成形良好,焊缝表面光滑。 外观经检验合格后,方可送检其他项目的检验。 5.11.2 射线检验

采用上述工艺措施及焊接参数施焊的焊缝经射线探伤(射线探伤按 DL/T821-2002
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《钢制承压管道对接焊接接头射线检验技术规程》达到 JB4730-94 规定的Ⅰ级片要求, ) 没有未熔合、裂纹等缺陷。对试件进行拉伸试验 Rm 均大于 800MPa;面弯、背弯试验 也都符合性能要求。

6

结论
C-276 镍基合金的流动性差,为避免焊接缺陷的产生,需要低热输入量,采取多层

多道焊以及短弧焊,手工氩弧焊时必须采取严格的背面充氩保护或使用背面保护剂等 工艺措施防止背面焊缝氧化。经实践检验,这些工艺措施达到了预期的效果。 参考文献
《焊接手册》材料的焊接——机械工业出版社,中国机械工程学会焊接学会编

(上接第 98 页)

6.返修
焊口经无损探伤,主要存在根部生焊丝、内凹、层间未熔合等缺陷,都属于手工 操作方面的问题,随着焊工对 T91 母材和焊接材料的焊接特性的熟悉和掌握,以上缺 陷出现的概率都明显降低。缺陷去除的方法为使用角向磨进行机械打磨,直至找到缺 陷,然后将开挖处修磨成圆弧形,不得有尖角、尖沟、尖槽存在,因为这些结构的存 在易产生层间未熔合。补焊前必须进行预热,温度为 100-150℃,然后利用图三所示的 方法对焊缝根部充混合气体,气体保护到位后,即可进行补焊,然后重做热处理、硬 度检查和无损探伤。如果焊口存在的缺陷长度超过焊口周长的四分之一,则必须将焊 缝割除,重新焊接,所有的工艺程序与要求和焊接一个焊口完全一样。

7.结论
1.严格检查焊接坡口的制备,特别是钝边厚度应控制在 1mm 左右,降低焊工手工 操作的难度,确保焊缝根部熔合良好。 2.严格控制对口间隙和焊缝错口,为内加丝焊法创造良好的焊接条件。 3.最优的焊缝根部混合气体的充气方法, SA213-T91 钢的焊接关键是打底, 而打底 的好坏取决于混合气体在焊缝根部保护效果。 4.氩弧焊打底优先选用内加丝焊法, 这种方法有利于确保焊缝根部焊透并可防止内 凹。 5.焊接过程中,严格控制焊缝层间温度,不得高于 300℃,否则会造成焊缝熔敷困 难,严重情况为无法进行焊接,更谈不上合格的金相组织和机械性能了。 6.优化焊后热处理工艺,确保获得金相组织和机械性能合格的焊接接头。 参考文献
[1] T91/P91 钢焊接工艺导则.北京:国家电力公司电源建设部,2002.(10) [2] 杨富 章应霖 任永宁 李为民.新型耐热钢焊接.太原.中国电力出版社,2005.(8) 89

镍基合金C-276的焊接工艺
作者: 作者单位: 周生华 安徽电力建设第二工程公司(232089)

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