Ni-Cr-Fe系镍基合金的焊接特点分析

Ni-Cr-Fe系镍基合金的焊接特点分析

关旭东

中国核工业第五建设有限公司工程研究院上海市金山区201512

摘要：本文简要介绍了镍基合金的特点、分类和其在AP1000核电中的应用。以SB168UNSN06690镍基合金为代表，分析了Ni-Cr-Fe合金的焊接性，从焊接工艺特点和焊接接头性能方面分析了其焊接特点，针对焊接难点，总结了各难点的解决措施。并结合SB168UNSN06690的焊接性和工艺试验，总结了几点关于今后现场施工中应注意的建议。

关键词：Ni-Cr-Fe系镍基合金；焊接性；焊接难点；解决措施

0.前言

随着科技的进步，不锈钢的应用越来越广泛，但在某些特殊的领域，一般不锈钢已经无法满足其特殊要求，故一些特种不锈钢便随之而出，镍基合金就是这种特殊钢种之一。镍基合金在海洋领域、环保领域、能源领域、石油化工领域及食品领域应用都非常广泛，这些领域中，普通不锈钢304是无法胜任的，在这些特殊的领域中，特种不锈钢是不可缺少的，也是不可被替代的。

1.概述

镍基合金是指在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照性能要求，镍基合金可分为镍基耐蚀合金，镍基耐热合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金，镍基形状记忆合金。按照化学组成，镍基合金可分为哈氏（Hasteolly）合金，蒙乃尔（Monel）合金，英科耐尔（Inconel）合金，因瓦（Invar）合金，纳什（NAS）合金等。

其中哈氏（Hasteolly）合金，蒙乃尔（Monel）合金，部分英科耐尔（Inconel）合金为耐蚀合金，以其独特的物理、力学和耐蚀性能在化学、石油、冶金和核电等领域得到了广泛应用；特别是其耐蚀性，可以解决一般不锈钢和其他金属材料无法客服的腐蚀问题，在200~1090℃，镍基耐蚀合金对各种腐蚀介质，都有很好的耐蚀性。在核电站蒸发器管板耐蚀层堆焊，堆芯支撑块[1]等关键部位得到了广泛的应用。

2.Ni-Cr-Fe系镍基合金在AP1000核电中的应用

AP1000核电反应堆堆内构件安装工作主要包括上部堆内构件、下部堆内构件（包括辐照监督管）、压紧弹簧、控制棒导向筒组件、热电偶柱组件等。现场施工含有永久连接的螺纹紧固件、定位销等防松、锁孔的点焊，以及能量吸收器、顶部流量管嘴和起吊旋入件止动块等，涉及材料有304L和SB168UNSSB168UNSN06690。其中U型嵌入键和冷装销焊接、U型嵌入键和锁紧杆焊接及FlowSkirt和压力容器支撑焊接均为Ni-Cr-Fe系镍基合金SB168UNSN06690焊接。

3.SB168UNSN06690系镍基合金焊接性分析

3.1化学成分和力学性能

SB168UNSN06690属于镍-铬-铁（58Ni-29Cr-9Fe）合金，P-NO.43，是一种典型的Inconel耐蚀合金，俗称Inconel690或690，与国产NS315近似，具有优异的耐蚀性，特别是对硝酸、盐酸、铬酸等强酸有很好的耐蚀性。较Inconel600，其碳含量有所降低，铬含量有所增加，Inconel690的抗氯化物腐蚀性、抗高温氧化性和热强性均有所提高。其化学成分和力学性能分别见表1和表2。

3.1焊接工艺特点

3.3.1金属流动性差

镍基合金金属液态流动性差，较难获得满意的焊缝外观，且焊接时，容易造成咬边，焊缝直线度差，焊缝表面凹凸不平等缺陷。焊接时可选用适当的摆动焊，提高焊缝金属流动性，严禁通过增大焊接热输入的方式提高金属流动性，焊接热输入过大，易造成晶粒粗大，焊接热裂纹更敏感。

3.3.2焊接熔深浅

焊接熔深浅是镍基合金焊接的固有特点，镍基合金的密度较大，熔敷金属中含镍量高，熔敷金属流动性差，渗透力小，故在相同的焊接参数下，镍基合金的熔深只有碳钢的一半。在钨极氩弧焊时，在保护气体中可添加适量的氦气，氦气的热导率大，且氦弧挺度好，有利于增大焊缝熔深。

3.3.3焊接预热、后热

镍基合金一般不需要焊前预热和焊后热处理。为了防止试件过于潮湿产生气孔，当环境温度低于15℃时，可对焊缝周围进行适当加热，加热温度一般为15~20℃。为了防止焊接温度过高，导致晶粒粗大，焊接时应尽量降低其层间温度。

4.焊接工艺

由于SB168UNSN06690镍基合金是单一的奥氏体相金属，故一般用于奥氏体不锈钢的焊接方法均可用于焊接SB168UNSN06690，结合AP1000堆内构件的施工条件和对焊缝质量的要求，综合考虑各种焊接方法的优缺点，堆内构件采用手工钨极氩弧焊（GTAW），本节主要就手工钨极氩弧焊（GTAW）针对以上焊接工艺特点进行分析。

4.1焊材选用

根据3.1.1条，为保证焊缝性能，选择和母材化学成分近似的焊丝ERNiCrFe-7。

从焊缝质量和经济成本的角度出发，选用纯氩为保护气。

4.2施焊

根据堆内构件焊接接头形式，采用对接试板，在横焊位置（2G）焊接验证其工艺。施焊环境温度为30℃，环境相对湿度为48%。最大焊接线能量为21.09KJ/cm。焊接参数见表3。

4.1检测

4.3.1NDE检测

1）根据ASMENB-53501998＆2000add.进行渗透检测，没有缺陷显示符合标准要求。

2）根据ASMEⅢNB-分卷1998＆2000add.进行射线检测，无超标缺陷，符合标准要求。

4.3.2理化检测

理化检测类型及试样数量，侧弯4个，拉伸2个，冲击3组，微观1个。

1）取样

根据ASMEⅨQW-463的要求（如图1所示），截取试样。

2）检测结果及分析

a）侧弯

弯曲180°后，受拉面和热影响区无裂纹，无因气孔、夹渣等引起的缺口。b）缩断面拉伸

缩断面拉伸试验结果见表6。拉伸应力-应变图如图4所示。

C）冲击

冲击温度为室温，冲击试验结果，焊缝区（W-1：206J，W-2：190，W-3：236J）；热影响区（H-1：198J，H-2：217，H-3：192J）；母材区（B-1：225J，B-2：224，B-3：219J）

d）微观检测

微观检测结果没有裂纹。Ni-Cr-Fe系镍基合金和奥氏体不锈钢一样，母材组织为单一的奥氏体相。在热影响区组织中，碳作为间隙强化元素，在焊接过程中，以碳化物的形式析出，将会影响热影响区晶间腐蚀性能及韧性，故选用焊材时，应尽量选择含碳量较低的焊材。焊缝区组织也是奥氏体组织，但是晶粒较粗大。建议在今后的施工中，严格控制焊接热输入，限制单层熔敷金属厚度，控制在1.5~2mm之间，并限制焊接层间温度，建议在150℃以下，以控制晶粒成长和晶界碳化物析出。微观组织也验证了冲击试验结果，母材区均为奥氏体组织，且晶粒均匀，较热影响区细小，故其冲击韧性较好，且比较均匀，焊缝区和热影响区，奥氏体晶粒较粗大，且在晶界有碳化物析出，故冲击韧性不均匀。

5.总结

根据对SB168UNSN06690焊接性的分析，以及工艺试验，对其焊接注意事项总结如下：

1.对于Ni-Cr-Fe合金焊接，焊前清理是获得优质焊接接头的前提，可以降低气孔和焊接热裂纹倾向。

2.焊接时，保证熔合良好的前提下，应尽量采用小规范焊接短弧焊，尽可能降低焊接热输入，避免造成焊缝及热影响区晶粒粗大，影响其性能。

3.镍基合金液态金属流动性差，故焊接时应尽量采用摆动焊，在摆动极限位置处稍作停顿，以保证熔池边缘的完全融化，避免咬边。

4.镍基合金焊接时，熔深较浅，可尽量采用小钝边或无钝边坡口，不得采用加大焊接电流的方法以求增大焊接熔深。

5.由于镍基合金焊接时，需采用摆动焊，故应采用大角度坡口。

6.镍基合金焊前一般不需要预热，但可适当进行加热，以干燥接头周围，降低气孔倾向。

7.建议控制每层焊缝金属厚度在1.5~2.5mm之间，并将焊接层间温度控制在150℃以下。

参考文献：

[1]张茂龙.压水堆核容器中的镍基合金焊接[J].锅炉技术，1995年8月，第28卷：15-20.

[2]刘恩青、祁恒江、宋忠臣等.堆蕊支撑块大厚度镍基合金的焊接[J].一重技术，1997年2月，11-13。

[3]ASMEⅨ2010版2011增补

[4]张文钺.焊接冶金学[M]，机械工业出版社，1999年12月.

[5]李亚江.焊接冶金学-材料焊接性[M]，机械工业出版社，2006年10月

[6]熔焊方法及设备，王总杰，机械工业出版社，2006年12月

[7]于世行、郝丁华.镍基耐蚀合金焊接工艺[J].石油化工应用，2008年6月，第27卷，第3期：87-89.