hastelloy C4哈氏合金焊接工艺

1、化学成分及力学性能

hastelloy C4对应ASME中UNS编号为N06455，其化学成分及力学性能见表1，2［1］。hastelloy C4属于Ni－Cr－Mo类型镍基耐蚀合金，单相奥氏体组织，由于含有较高Cr和Mo，所以既耐还原性介质腐蚀又耐氧化性介质腐蚀，同时在氧化－还原复合介质中也耐蚀。通过降低C，Si，Fe的含量，加入稳定化元素Ti，增加了抗晶间腐蚀能力。其抗点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀能力也较好［2－3］。

表1、C4材料化学成分%

表2、C4材料力学性能

2、hastelloy C4哈氏合金焊接性分析

(1)镍基耐蚀合金具有较高的热裂纹敏感性，焊接过程中容易产生结晶裂纹和液化裂纹。裂纹产生的原因［2］:在高温下镍与硫、磷极易形成低熔点共晶体;当焊接热输入较大时，会导致焊接接头晶粒粗大，晶粒间会存在较多的碳化物和促进液化裂纹的金属间化合物，增大热裂纹倾向。因此焊接时应采取控制焊接热输入，限制焊缝中的S，P，Si含量等措施。（墨?钜）

(2)镍基焊缝金属对气孔比较敏感。

气孔产生的原因:镍基合金液态金属的流动

性比较差，在焊态下气体来不及逸出;镍基合金固液相的温度间距小，氧气、二氧化碳和氢气等气体在液态镍中的溶解度比较大，但当焊缝冷却时，溶解度明显减小，熔池中的气体来不及逸出形成气孔。因此焊接前应将施焊区域的油、水等会引起气孔的杂质去除干净，焊接材料可以加入锰、钛和铌等脱氧元素，焊接过程中应加强焊接熔池的气体保护。

焊接工艺制定

2．1、焊接方法及焊接材料

根据产品结构特点，采用氩弧焊焊接的方法［4－5］，焊接材料选用EＲNiCrMo－7焊丝，直径2．4mm，化学成分见表3［6］。焊接时背面采用氩气保护，Ar纯度为99．99%，流量为8～10L/min。

表3、EＲNiCrMo－7材料化学成分%

2．2、坡口设计

由于镍基合金液态焊缝金属具有流动性较差和熔深较浅的工艺特性，不容易润湿展开，接头需提供足够的空间便于金属填充，坡口应采用较大的根部间隙和坡口角度，较小的钝边高度，以防止焊接时出现未熔合和未焊透缺陷，保证液态焊缝金属布满坡口。（墨?钜）工艺评定试验采用对接接头的坡口形式，如图2所示。

图2坡口形式

2．3、焊前清理

焊前清理工作对焊接镍基耐蚀合金非常重要，在焊接前，焊丝及hastelloy C4和不锈钢S31603的施焊区域必须使用丙酮或无水乙醇等溶剂清洗去除油、水分及其他污物，以避免气孔和裂纹的产生。

2．4、预热及道间温度控制

镍基耐蚀合金焊前一般不需进行预热，室温环境下即可焊接。当焊件温度低于2℃或更低时，焊接坡口及两侧大于300mm的（墨?钜）范围内应加热到15～20℃，以防止湿气冷凝导致气孔的产生。焊接时过大的焊接热输入和道间温度会导致晶粒过大，增大热裂纹倾向和降低耐腐蚀性能，应控制道间温度在100℃以下。

2．5、焊接工艺参数

根据镍基合金焊接特性，为防止其产生热裂纹，应采用较小的焊接热输入，多层多道焊，焊接时不宜横向摆动，尽量直线运动，制定的焊接工艺参数见表4。

表4、焊接工艺参数、

3、hastelloy C4哈氏合金焊接工艺评定试验

按照NB/T47014—2011［7］和技术要求，根据以上拟定的焊接工艺，选用厚度为8mm的S31603和C4(N06455)板材分别进行了两组焊接工艺评定试验。一组为S31603与C4之间焊接，试样编号为863#;一组为C4与C4之间相焊，试样编号为864#。

试件焊后经100%ＲT和100%PT检测无缺陷后进行拉伸、弯曲、晶间腐蚀、焊缝部位化学成分分析等试验项目。其中，晶间腐蚀试验结果为:863#:晶间腐蚀试验(2件)，按GB/T15260—1994［7］标准B法验收合格;864#:晶间腐蚀试验(2件)，按GB/T15260—1994［7］标准B法验收合格。其他项目试验结果见表5～7。

表5拉伸试验结果

表6弯曲试验结果

表7焊缝化学成分%

通过试验结果可以看出，试样编号为863#的抗拉强度值均大于不锈钢S31603标准规定的抗拉强度最低值490N/mm2;试样编号为864#的抗拉强度值均大于固熔状态hastelloy C4标准规定的抗拉强度最低690N/mm2，且均为塑性断裂于焊接接头热影响区。两组评定面弯、背弯试样弯曲到180°后，拉伸面上的焊缝及热影响区内没有开口缺陷，符合NB/T47014标准要求［7］。

晶间腐蚀试验试样在铜－硫酸铜－16%硫酸溶液中连续加热24h后进行弯曲试验，拉伸面无裂纹等缺陷，满足标准［8－9］要求，说明焊接接头耐腐蚀性能良好［10］。

由此可见，试件经无损检测合格后取样进行力学性能检测，焊接接头的抗拉强度、弯曲性能结果均满足NB/T47014—2011要求，焊缝化学成分和晶间腐蚀试验合格，证明制定的焊接工艺良好，可以保证焊接接头的力学性能和耐晶间腐蚀性能。

4、hastelloy C4哈氏合金焊接接头金相检测

为进一步了解所制定焊接工艺对焊接接头的影响，取样进行了宏观金相检测和微观金相检测［11］。两组评定各取一件试样，试样编号分别为863#，864#。

用10倍放大镜进行宏观金相检测，两件试样焊接接头截面均无气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透等缺陷。

微观金相检测如图3，4所示。863#试样检测结果为:S31603母材和热影响区为奥氏体加少量δ铁素体组织，焊缝为奥氏体加微量δ铁素体组织，C4侧热影响区和母材为奥氏体组织。864#试样检测结果为:C4侧母材及热影响区为奥氏体组织，焊缝为奥氏体加微量δ铁素体组织［12－13］。通过微观组织图可以看出，两件试样焊接接头组织细密，没有出现晶粒组大，无有害相的析出，表明焊接工艺性能良好。

(a)S31603母材500×

(b)S31603侧热影响区500×

(c)焊缝100×

(d)C4侧热影响区100×

(e)C4母材100×

图3863#试样微观组织

(a)C4母材100×

(b)C4侧热影响区100×

(c)焊缝100×

图4864#试样微观组织 

5、hastelloy C4哈氏合金焊接结论

(1)hastelloy C4属于Ni－Cr－Mo类型镍基耐蚀合金，单相奥氏体组织，焊接时具有热裂纹和气孔敏感性，采用本焊接工艺进行施焊，可以获得合格的焊接接头。

(2)采用氩弧焊方法，使用EＲNiCrMo－7焊丝，背面采用纯氩气保护，焊前严格清理焊丝及坡口表面，坡口角度适当加大，采用较小热输入，道间温度控制在100℃以下，多层多道焊。经工艺评定试验，C4与C4焊接接头抗拉强度为735N/mm2，C4与S31603焊接接头抗拉强度为620N/mm2，面弯、背弯均合格;晶间腐蚀按GB/T15260—1994标准B法验收合格，表明焊接接头的力学性能和耐蚀性能满足标准要求。

(3)焊接接头中焊缝为奥氏体加微量δ铁素体组织，C4侧热影响区及母材为奥氏体组织，S31603侧热影响区及母材为奥氏体加少量δ铁素体组织，焊接接头组织细密，无晶粒粗大现象，无有害相的析出，焊接工艺性能良好。

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