镍基合金UNSNO6600的焊接

镍基合金UNSNO6600的焊接

王光智

中天建设集团浙江安装工程有限公司浙江杭州310000

摘要：根据镍基合金UNSNO6600材料的特点，针对有害气体对镍基材料焊接时的影响、焊缝金属流动性差、焊接熔深浅等分析该材料的焊接性能，论述UNSN06600的焊接工艺。

关键词：镍基合金UNSN06600；焊接性能分析；焊接工艺

一．概述

公司2018年承接内蒙古久泰能源（准格尔）有限公司甲醇深加工空分装置安装项目中，有一条管线氧气管道，工作压力为9.7MPa，工作温度为60℃，管道采用UNSN06600材料，主要规格为：φ219.1×12.7mm。针对UNSN06600材料焊接难度大，合格率偏低的现象，进行焊接性能分析、制定出焊接工艺并指导实际焊接工作。

二、材料特性

镍基合金UNSN06600材料是Inconel系列中的Ni-Cr-Fe固溶强化耐蚀合金，在化学、石油、湿法冶金、航天等许多领域广泛应用。其特点是熔点高、耐热、耐腐蚀、强度高，具有良好的抗氧化性能、力学性能和加工性能；其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1UNSN06600材料的化学成分（质量分数）（％）

三、焊接性分析

UNSN06600焊接时，有害气体对焊缝金属性能有很大的的影响，焊件表面的杂质对焊缝金属性能有很大的的影响，焊接时容易产生热裂纹，熔池流动性差，熔深较浅等特点，应限制热输入，控制线能量。

1．有害气体对镍基合金材料焊接时的影响

常温下，镍基合金材料是比较稳定的，随着温度升高，它的性能开始变化，其吸收氮、氢、氧的能力随之上升。镍基合金材料在500℃高温空气中出现轻度氧化，当温度达到750℃时，则剧列氧化。随着焊缝含氧量上升，焊缝的抗拉强度和硬度明显上升，而塑性明显下降，焊缝因氧的污染而变脆。同时由于镍的氧化物的熔点比镍本身的熔点高出了近45％，即当镍熔熔化（熔点1446℃）的时候，氧化镍（熔点2090℃）还远远没有达到其熔点。所以，在表面上没有完全清除的氧化镍，掺杂在熔池中就会形成夹渣。为防止焊接区域表面的氧化物和避免脆化元素溶入其中，焊接区域表面的清洁工作必须清理彻底。

氮在高温液态金属的溶解度随氧的分压增加而增大，氮对焊缝强度、硬度、塑性的影响比氧更为显著，就是说氮的污染脆化作用比氧更为严重，氮对焊缝的影响主要是对冲击韧度降低。

考虑到这些因素，采用钨极氩弧打底焊和焊条电弧焊盖面是比较合理的焊接方法，手工钨极氩弧焊焊接时，应提前送气，滞后停气。在重新起弧前剪去焊丝末端，以免将残留在末端上的氧化物带入熔池。采用较大型号的气罩以便保护好熔池。

2.焊件表面的杂质对镍基合金焊接时的影响

焊件表面的清洁是非常重要的因素，表面的污染物主要是氧化皮和引起脆化的元素；镍基合金表面氧化皮的熔点比母材高得很多，常常在焊缝金属中可能形成夹渣或细小的不连续氧化物，这类氧化物一般含有S、P、Pb、Sn、Zn等元素，焊接时它们易与Ni形成低熔点共晶物，产生热裂纹。

3.焊接热裂纹

镍基合金具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹一般分为结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。

4．UNSN06600材料焊接时熔池流动性差

镍基合金焊缝金属不像普通材质容易润湿展开。即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性。焊接电流太大不仅使熔池过热，增大热裂纹敏感性，晶粒粗大，降低耐腐蚀性，而且使焊缝金属中的脱氧剂蒸发，出现气孔。

由于焊缝金属流动性差，不易流到焊缝两边。为获得良好焊缝成形，采用小摆动工艺。摆动参数不超过焊丝或焊条直径的3倍。摆动到每一侧母材位置时，要稍停顿一下，以便足够的时间使熔化的焊缝金属与母材充分熔合。

5．焊接时熔深较浅

焊接过程中，镍基合金固有特性决定了其熔深较浅，单纯靠调整焊接参数不能解决这个问题。根据反复试验克服熔深浅的方法是修改传统的坡口形式，坡口角度在55°～65°，焊缝间隙大约在2～2.5mm，钝边大约在0.5～1.0mm。

6.限制热输入，控制线能量

高热输入对焊缝金属的影响很大，会使焊缝晶粒粗大，影响焊接接头的力学性能，因此要严格控制焊接线能量。

7．焊接时其他注意事项

镍基合金焊接过程中的层间温度不宜过高，在100℃以下，一般不需要预热和焊后热处理。

四、镍基合金UNSN06600的焊接工艺

1.焊接工艺和焊材选用

管道施工中焊接是非常重要的工序，直接影响管道的安装质量，为提高焊接质量，焊接时采用钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面的焊接工艺。焊丝选用ERNiCr-3，焊条选用ENiCrFe-3。焊条烘烤200～250℃，使用保温筒保持焊条干燥。采用钨极氩弧焊打底焊时，正面增加一个保护罩，背面也必须用氩气保护。表3为焊接材料的选择，表4为焊接工艺参数；表5为镍基焊材化学成分，表6为镍基焊材的力学性能。

表3焊接材料选择

2.坡口形式的选择

坡口应选用大角度和小钝边的形式，采用等离子加工或机械加工，管道坡口表面应无油、水、裂纹、毛刺、凹凸、熔渣、氧化物等。焊前将坡口内外壁50mm范围内用不锈钢丝刷、砂轮片打磨干净，去除污物毛刺等，并用丙酮清洗坡口表面，层道间彻底清理熔渣等。坡口形式如下图所示。

c=2～2.5mm，p=0.5～1mm，α=55ο～65ο，δ=12.7mm

3.焊件的组对

管材内、外表面的坡口两侧50mm范围内不得有油污、毛刺、锈斑、氧化皮等有害物质。焊缝组对时，应使内壁平齐，其错边量不得超过壁厚的5%。

4.定位焊

定位焊要求与正式焊接工艺相同，定位焊长度一般为5～10mm，点焊高度不超过管壁的2/3，焊肉不应有裂纹等缺陷，在施焊第一层前用磨光机将定位焊焊肉两侧磨成缓坡型。

5．手工钨极氩弧焊打底焊

（1）采用直流正接方法，选用Φ2.4mm的钨极，钨极伸出长度3～5mm，焊缝不预热，层间温度≤100℃，喷嘴直径12mm。焊接前应先用氩气将管内的空气置换干净后再进行焊接。采用高频引弧，焊枪在焊接时要尽量垂直于焊件，这样能更好的控制熔池的大小，而且可使喷嘴氩气均匀的保护熔池不被氧化。镍基材料导热性、铁水流动性不好，容易热量集中。所以，焊接时采用小电流、摆幅不要过大，两边应稍作停顿，确保两边溶好。

（2）焊接时钨极端部离焊接件距离2mm左右，焊丝要顺着坡口沿着管子的切点送到熔池的前端，利用熔池的高温将焊丝融化，两边稍作停顿，焊丝均匀的、连续送进熔池向前施焊。

（3）在填丝过程中，焊丝不能与钨极接触或直接深入电弧的弧柱区，否则造成焊缝夹钨和破坏电弧稳定；焊丝端部应置于保护气氛中，重新焊接前焊丝端部应剪去。管子对接固定焊缝全位置焊接时，为防止仰焊内部焊缝内凹，打底层采用仰焊位置内填丝，立、平焊部位外填丝方法进行施焊。

（4）收尾处打磨成斜坡形，焊至斜坡时，暂停给丝，先用电弧把斜坡出预热并融化成熔孔，迅速加焊丝使焊缝封闭。收弧时要填满弧坑，气体延时保护，避免焊缝在高温下被大气污染。

6.焊条电弧焊填充、盖面焊接

（1）焊接前和层间必须进行坡口处理，每一层焊道完成后均应彻底清除焊道表面的熔渣并进行检查，消除各种表面缺陷，检查合格后方可焊接下一层。严禁采用普通砂轮片进行修磨，以免坡口处理不干净，杂质熔入熔池。由于镍基合金成分特性、熔点等有区别，当电流过大时熔池高温区间停留过长，使低熔点物聚集，在拉伸应力作用下形成开裂。

（2）焊接时应采用较小热输入、短弧、小摆动的操作方法以保持电弧电压的稳定，层间温度应在100℃以内。镍基合金焊材所形成的熔池流动性差，焊接电流不宜过大，所以熔池搅动困难。由于电流较小，如果焊条角度不正确，熔池热量保证不了，电弧熔深较浅，造成熔池两边夹渣。所以焊接过程中，焊条角度必须保证80°～100°，采用轻微摆动焊把来搅动熔池，但搅动的幅度不要超过焊条直径的3倍。

（3）由于镍基材料熔深浅、铁水粘稠、流动性不好等特点，严禁采用大的焊接工艺参数进行焊接。否则熔池高温停留时间过长，使弧坑内铁水出现成分偏析和较大的内应力，造成星状热裂纹。

（4）焊缝表面严禁有电弧擦伤，且不得有焊件表面引弧或试弧，在焊接中确保起弧的质量，收弧时应在弧坑点焊几点，将弧坑填满，使弧坑不要急速冷却，防止弧坑热裂纹。多层焊的层间接头应相互错开，每条焊缝应一次连续焊完。

五、结束语

根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准的要求提前制作了工艺评定试件，按照NB/T47013-2015《承压设备无损检测》的标准经过外协无损检测单位100%RT检测，焊缝全部I级合格。随后又委托浙江省特种设备检验研究院进行力学性能检测，检测项目为拉伸、弯曲、冲击，检测数据全部合格。根据评定合格的报告编制了焊接工艺指导书，为久泰能源（准格尔）有限公司甲醇深加工项目上的管道焊接施工提供了指导文件，也为类似的镍基合金材料的焊接起到了一定的指导作用。

参考文献：

[1]陈祝年主编，焊接手册，机械工业出版社，2009

[2]顾纪清主编，管道焊接技术，化学工业出版社，2005

[3]上海市焊接协会，现代焊接生产实用手册，机械工业出版社，2005