INCONEL600镍基合金堆焊技术的应用分析及其堆焊层焊接工艺的研究

INCONEL600镍基合金堆焊技术的应用分析及其堆焊层焊接工艺的研究

张金龙

（山东电力建设第三工程有限公司山东青岛266100）

摘要：在石油化工行业、船舶、电站、热交换器等产品中经常会遇到焊缝腐蚀失效现象，很容易造成巨大的损失和浪费，甚至出现安全事故。镍基合金一般都有很好的耐腐蚀性能，特别是Ni-Cr、Ni-Cr-Mo合金等常用于金属表面堆焊，其中Ni-Cr组合主要用于耐氧化性腐蚀，Ni-Cr-Mo组合主要用于耐还原性腐蚀。本文针对摩洛哥努奥II期200MW光热电站中油盐换热器设备接口SA508Gr.3Cl.1钢进行INCONEL600镍基合金的堆焊技术的应用做了研究分析，并通过各项材料的焊接性分析，充分考虑影响其焊接质量的各项不利因素并合理选择焊接工艺参数及热处理控制工艺，通过采用钨极氩弧焊（GTAW）工艺模拟INCONEL600镍基合金堆焊试验以及镍基合金堆焊层与碳钢SA516Gr.70管道焊接工艺评定试验，通过各项力学性能试验来验证该焊接工艺的合理性与正确性。

关键字：腐蚀失效镍基合金堆焊技术焊接工艺

1引言

Inconel600合金是镍-铬-铁基固溶强化合金，其高镍成分使合金具有非常强的抗氯化物应力裂变腐蚀能力，以及在还原状态下可维持其高耐蚀性及在碱溶液中亦具有很强的耐腐蚀能力。同时因含铬，所以在氧化性环境下耐腐蚀性更胜纯镍，有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能且具有优良的冷热加工和焊接性能，在700℃以下具有满意的热强性和高的塑性。

Inconel600适合采用任何传统焊接工艺与同种材料或其他金属焊接，如钨电极惰性气体保护焊、等离子弧焊、焊条电弧焊、金属极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊等，焊接性能良好。

通过在金属表面堆焊镍基合金来曾强其相应耐腐蚀性能被广泛应用于石油化工、海洋工程、电站安装等行业的腐蚀性环境中，因此，对镍基合金堆焊工艺及性能的研究具有十分重要的意义，本文从实际应用的角度出发，对摩洛哥努奥II期200MW光热电站中油盐换热器设备接口进行INCONEL600镍基合金的堆焊工艺与应用进行了详细的分析，并对该接口镍基合金堆焊层与碳钢管道GTAW焊接工艺评定进行了相关研究、试验。

2材料化学成分与力学性能分析

摩洛哥努奥II期200MW光热电站中油盐换热器设备接口材料采用高温强度高和抗疲劳强度高、抗低温冲击性能优良且具有较高的抵抗应力释放和层下裂纹扩展能力的SA508Gr.3Cl.1低合金钢材料；接口连接管道采用美国ASMESA516Gr.70钢材料，该材料具有抗冲击性能好、温度性变小、焊接性能好、抗疲劳性能好、防层状撕裂性能好等特点。

油盐换热器接口管道规格为Φ508×9.53mm，连接管道内部介质为HTF导热油（组分73.5%联苯醚+26.5%联苯，纯度99.9%）/熔盐（60%NaNO3，40%KaNO3），温度最高可达391℃，高温环境下具有较强氧化性。现场对设备接口采用ERNiCr-3（Inconel600型）焊丝通过钨极氩弧焊（GTAW）工艺进行25mm的镍基合金堆焊，然后与碳钢管道（材质SA516Gr.70）进行焊接，以达到加强接口处焊口耐氧化性腐蚀的性能。

3影响基体镍基合金堆焊及堆焊层焊接控制因素的分析

3.1Inconel600镍基合金堆焊的焊接性分析

基体材料SA508Gr.3Cl.1属于Mn-Mo-Ni系低合金高强度钢，由于其对焊接热输入较为敏感，热输入过大，会使焊接热影响区（HAZ）晶粒粗化，焊接接头韧性下降；热输入过小，则工件冷却速度过大，易淬硬而增大其冷裂倾向。另外，在该基体上堆焊Inconel600镍基合金后堆焊层组织具有较高的内应力，在外力作用下极易产生裂纹缺陷，危害很大。

3.2接口堆焊层与SA516Gr.70连接管道焊接性分析

接口堆焊层与SA516Gr.70连接管道焊接采用与堆焊焊丝一致的ERNiCr-3型镍基氩弧焊丝。SA516Gr.70钢碳当量CE=0.348%＜0.4%，可知其淬硬倾向较小，故室温下焊接时不易产生冷裂纹；且由表1得知钢中S、P等杂质的含量较低，也不易产生热裂纹，因此SA516Gr.70钢的焊接性良好，当焊件厚度＜20mm时，焊前不需要预热，焊后不需要进行热处理。

ERNiCr-3焊丝用于焊接镍基合金，高温和搞蠕变钢、耐热钢和低温钢、异种钢焊接，低合金钢修复等。工作温度大于+300℃的铁素体奥氏体钢联接以及不需焊后热处理的焊接应用。ERNiCr-3焊接性良好，但在焊缝根部焊接时，为得到最佳的根部焊缝质量，防止根部氧化需进行相应的背部保护措施。

4试验过程

试验选用规格为Φ219.1×15.09mm两段管接头，材质分别为SA516Gr.70与SA508Gr.3Cl.1。本次试验分为两部分，第一部分先对SA508Gr.3Cl.1管接头一端进行Inconel600镍基合金堆焊，堆焊层厚度25mm；第二部分将SA508Gr.3Cl.1试件的堆焊端与SA516Gr.70管接头进行焊接。焊接均采用GTAW焊接工艺来完成。

4.1焊接过程控制要点

充分考虑影响焊接接头性能的各项不利因素，采取以下相应措施来保证镍基合金堆焊及堆焊层与SA516Gr.70管接头焊接的质量：

4.1.1，第一步堆焊过程中主要采取以下控制措施来保证堆焊质量：

1）严格控制堆焊焊丝和母材中的S、P等有害元素的含，减少或者避免低熔点共晶物质的生成；

2）采取焊前预热、焊后高温回火热处理以及优化焊接热输入的工艺：

a焊前对堆焊基体材料预热温度不低于100℃，避免焊缝冷却速率过快增大冷裂倾向；

b合理控制层间温度，不高于170℃，避免热输入过大带来的不利影响；

c堆焊完成后，对堆焊层焊缝立即进行高温回火热处理，来减少焊接残余应力，而且也能使组织成分均匀化，减小偏析，进一步降低裂纹倾向。热处理恒温温度：620±10℃，恒温时间：1h。

4.1.2镍基合金堆焊层与SA516Gr.70管接头的焊接考虑到两侧母材良好的焊接性，不需要进行焊前预热及焊后热处理，层间温度控制不高于250℃。过程控制中主要是做好根部焊接时的背部保护措施：采取背部充氩保护措施，建议氩气纯度不低于99.99%，这样在根部焊接完成后焊缝就不易产生氧化物，同时焊接热影响区产生的颜色要在焊缝区域未冷却时用不锈钢钢丝刷刷去。

5试验结果

试件焊接完成后，按《ASMEV无损检测-2013》进行X射线探伤，结果满足标准要求；其力学性能测试结果依据《ASMEIX焊接和钎焊评定标准-2013》进行。

通过测试结果与油盐换热器的技术要求进行对比，发现采用上述堆焊工艺及焊接工艺要求所得的焊缝完全满足换热器的使用要求。

6结论

a在高温氧化性腐蚀环境下，基体母材SA508Cr.3Cl.1通过表面堆焊Inconel600镍基合金后可以有效提高焊缝的抗腐蚀特性，避免使用过程中因氧化腐蚀开裂造成失效。

bSA508Cr.3Cl.1钢焊接对热输入及S、P等杂质元素比较敏感，镍基合金堆焊过程中，可以通过严格控制焊材中的有害杂质，选择合理的焊前预热、焊后热处理工艺及严格控制焊接工艺参数来得到满足工程需求的焊缝组织。

cSA516Gr.70钢的焊接性良好，室温下在与镍基焊材ERNiCr-3配合使用时，一般不采用焊前预热及焊后热处理工艺，厚大件除外。管道焊接时需要做好根部焊接时的背部保护措施，合理控制层间温度即可得到良好性能的焊接接头。

参考文献

[1]陈裕川.钢制压力容器焊接工艺[M].2版,北京：机械工业出版社，2007:59～60.

[2]王祖滨,东涛.低合金高强度钢.原子能出版社，1996.

[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）：材料的焊接[M].3版.北京：机械工业出版社.2007:957-962.

作者简介

姓名：张金龙，工作单位：山东电力建设第三工程有限公司，职务：QC焊接工程师。