HastelloyC―276合金焊接性研究

摘 要：Hastelloy C-276合金是一种耐腐蚀型合金，具有优秀的耐点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂性能，在航天、能源、化工、核电、环保等领域有着巨大的应用潜力。文章介绍了Hastelloy C-276合金的组织结构，分析其焊接性，依据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》和ASTM G28A标准对其进行焊接工艺评定及力学性能检验，最终制定合理的焊接工艺，为该合金的生产加工提供理论依据。

关键词：Hastelloy C-276；镍基合金；焊接性；焊接工艺评定

1 概述

21世纪以来，随着我国航天、能源、化工、核电、环保等各个领域的飞速发展，对耐腐蚀材料需求量逐年增多[1]。自20世纪60年代Hastelloy C-276合金被美国汉斯公司研发出后，以其优异的抗腐蚀性能（可耐湿氯、各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐、中低温盐酸等）及焊后无需进行固溶处理的加工特性，广泛应用于各种苛刻腐蚀工况[2]，如石油化工、烟气脱硫、纸浆和造纸、环保等工业等领域。国内对于该合金焊接特性研究起步较晚，为了充分掌握并优化Hastelloy C-276材料的焊接性能，故对该材料焊接性进行深入分析，结合实际焊接工艺试验，最终提出合理焊接工艺参数，为该材料的应用提供可靠保障。

2 组织结构

Hastelloy C-276为Ni-Cr-Mo系镍基合金，其化学成分和力学性能见表1。其中Ni、Cr、Mo元素使其在氧化性和还原性介质中均具有较好的耐腐蚀性能，W元素的添加进一步提高材料抗局部腐蚀的能力，较低的Si、C元素含量保证了焊接热影响区的耐腐蚀性能，面心立方晶格结构形成的奥氏体组织赋予该合金良好的塑韧性。

3 焊接性

Hastelloy C-276因使用过程中更注重耐腐蚀性，故不像碳钢或不锈钢材料那样要求熔敷金属强度等于或高于母材，而是以腐蚀性能为出发点，要使焊缝金属与母材具有相当或优异的防腐蚀能力。

3.1 液态焊缝金属流动性差

镍基合金焊缝金属不像普通钢材质焊缝金属那样容易润湿展开。即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性，反而易引起有害作用。焊接电流过大不仅使熔池过热，增大热裂纹敏感性，晶粒粗大降低耐腐蚀性，还会引起焊缝金属中的脱氧剂蒸发，产生气孔。要获得良好的焊缝质量，需要采用摆动焊工艺，但这种摆动是小摆动，摆动距离不超过焊丝直径的三倍。

3.2 焊缝金属熔深浅

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65°～70°，焊缝间隙大约在2mm～3.5mm，钝边大约在0.5mm～1mm。从而保证有效的焊缝熔深。

3.3 焊接热裂纹

镍基耐蚀合金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。结晶裂纹易发生在焊缝弧坑处形成火口裂纹[3]。结晶裂纹多半沿焊缝中心纵向开裂。液化裂纹多出现于紧靠熔合线的热影响区中，还可能出现在多层焊的前焊缝中。高温失塑裂纹既可能产生于热影响区中，也可能存在于焊缝中。各种热裂纹有可能单一，也有可能伴生出现，使得焊缝质量可控性变差。

3.4 易于发生敏化现象

Hastelloy C-276合金在650～1090℃热稳定性较差，长时间时效处理后，会在晶界析出碳化物或伴生金属间化合物μ相（Co2Mo6），在焊缝中的铸造组织形成元素偏析，产生敏化现象，熔点较高的Mo、W元素凝固较早，焊缝熔敷金属中的合金元素浓度梯度分布不均匀，使其抗晶间腐蚀性能下降。因此该合金热加工温度范围1200℃～950℃，冷却方式为水淬或在760℃～540℃之间尽量快速冷却，以防止产生焊缝腐蚀。

4 焊接工艺评定

4.1 焊接方法

钨极氩弧焊已广泛用于镍基合金的焊接[4]，特别适用于薄板、小截面、接头不能进行背面焊的封底焊以及不允许有残留熔渣的结构件。

4.2 保护气体

推荐使用氩气或氦气，与氩气相比用氦气保护有如下特点：（1）氦气热导率大，向熔池热输入也比较大；（2）有助于清除或减少焊缝中的气孔；（3）焊接速度比用氩气时提高40%；（4）氦气成本约是氩气的25倍。

4.3 焊材

镍基合金焊丝成分大多与母材相当，但焊丝中一般多加入一些合金元素以补偿某些元素的烧损，同时可抵消焊缝熔敷金属凝固所产生的偏析。依据ASME第二卷材料C篇SFA-5.14《镍和镍合金光填充丝和焊丝标准》Hastelloy C-276选用ERNiCrMo-4牌号的φ2.4mm焊丝，其化学成份见表2。

4.4 坡口加工

焊接坡口应采用机械方法冷加工成型，以保证母材组织无变化，加工表面的形状、尺寸和光洁度应满足焊接要求，不应有分层、折叠、裂纹、撕裂等缺陷，坡口形式如图1所示。

4.5 焊接清理与焊接保护

焊前对坡口及其两侧50mm范围的母材表面进行修磨去除氧化皮，使用丙酮或乙醇对坡口及焊丝表面擦洗，清除油脂、水分等污染物。为保证焊缝得到充分的保护，用δ1mm铜板制作专用的保护拖罩，对焊缝正反面进行保护。

4.6 焊接工艺试验

试件规格：δ8mm×125mm×400mm板材，焊接位置采用平焊；焊接前焊缝不预热，采用高频起弧，过程中控制层间温度≤100℃，同时注意焊枪角度，控制熔池大小，保证氩气均匀保护熔池减少氧化。镍基材料熔池流动性不佳，所以焊接时需增加摆动，摆幅不易过大，两边应稍作停顿，确保焊缝熔合区质量，焊接工艺参数见表3。

4.7 焊缝检验

焊接完毕后，依据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》及ASTM G28A法对试件进行无损检测、力学性能试验、腐蚀率检验。

4.7.1 无损检测

对焊接试件按照JB/T4730.2-2005进行100%RT检测，未发现未熔合、裂纹等缺陷；焊缝表面未见气孔、焊瘤、凹陷、咬边等缺陷。

4.7.2 力学性能试验

依据NB/T47014-2011规定取拉伸、弯曲试样，分别按照GB/T228、GB/T2653规定的试验方法进行试验，结果见表4。

4.7.3 腐蚀率

分别对焊缝及母材按照ASTM G28方法A进行腐蚀率测定，焊缝腐蚀率略高于母材，其结果见表5。

5 结束语

Hastelloy C-276合金以其优异的抗均匀腐蚀、局部侵蚀、晶间腐蚀能力和易于的加工性，在各行各业广泛应用。文章对该材料组织结构及焊接性进行深入分析，结合实际焊接工艺评定试验，最终提出合理焊接工艺参数以及焊接过程中的操作技巧和操作要点，通过力学性能试验和腐蚀率试验，结果表明，制定的焊接工艺方案对于Hastelloy C-276合金同种金属之间的焊接是可行的，焊缝各项性能得到保证，为镍基耐腐蚀合金的焊接提供参考。

参考文献

[1]刘士博.Hastelloy C-276与316L激光异质焊接机理与工艺研究[D].大连理工大学，2013.

[2]邢卓.Hastelloy C系列合金综述[J].化工设备与管道，2007，44（02）：51-58.

[3]周生华.镍基合金C-276的焊接工艺[C]//.华东地区第九届焊接技术交流会论文，2009：85-89.

[4]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第3版[M].材料的焊接，北京：机械工业出版社，2007.

作者简介：王阳阳（1988-），女，籍贯：西安，工学硕士，毕业于西安理工大学，就职于西安思源学院机电工程学院，助教，研究方向：材料加工工程。