铁镍基INCOLOY825合金焊接工艺研究.pdf
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王体刚,等:
铁镍基INCOLOY825合金焊接工艺研究2012年全国钢结构设计与施工技术学术交流会论文集2012-12铁镍基INCOLOY825合金焊接工艺研究铁镍基INCOLOY825合金焊接工艺研究王体刚韦生陆传航汪彬吕增蔡新荣丛立志(海洋石油工程(青岛)有限公司山东青岛,266520)摘要:
摘要:
本文介绍了LNG项目中应用的镍基INCOLOY825合金,分别从化学成分,物理性能和力学性能进行分析,以此开发焊接工艺。
通过评定试验,研究GTAW(钨极氩弧焊)+SMAW(焊条电弧焊)探索出了最佳焊接工艺参数,并提出了焊接过程中的质量控制措施。
关键词:
关键词:
INCOLOY825铁镍基合金;LNG;焊接工艺;ASTMB424RESEARCHONTHEWELDINGPROCEDUREOFTHEIRON-NICKEL-BASEDALLOYINCOLOY825WangTigangWeiShengLuChuanhangWangBinLvZengCaiXinrongCongLizhi(OffshoreOilEngineering(Qingdao)CO.LTD.Qingdao,Shandong266520)ABSTRACT:
ThispaperintroducedtheapplicationoftheINCOLOY825alloyinLNGproject.Thechemicalcomposition,physicalpropertiesandmechanicalpropertieswereanalyzedseparately.TheoptimalweldingparameterwasexploredandtheweldingqualitycontrolmeasuresintheprocesswereputforwardthoughtheweldingprocedurequalificationtestofGTAW+SMAW,KEYWORDS:
TheIron-Nickel-BasedAlloyINCOLOY825;LNG;WeldingProcedure;ASTMB4240前言0前言INCOLOY825铁镍基合金是一种典型的耐热合金,服役环境一般为高压、强热腐蚀介质环境,在低温环境下服役也能表现出良好的韧性,尤其具有抗Cl离子腐蚀的能力,因此对焊接接头性能要求较高。
本文依据GORGONLNG项目,对其焊接性进行了分析,INCOLOY825铁镍基合金焊接性又远不如碳钢、低合金钢和不锈钢材料,因此对于焊接材料的选择以及焊接过程质量的控制显得尤为重要。
1母材焊接性分析1母材焊接性分析焊接工艺评定用母材为服役温度196的ASTMB424UNSN08825(INCOLOY825)镍基合金,其化学成分与力学性能见表1、21所示。
与不锈钢以及碳素钢相比,INCOLOY825物理性能具有以下特点:
一是熔点较低;二是线膨胀系数介于奥氏体不锈钢与碳素钢之间;三是导热系数比碳素钢低得多,这些都会不同程度地影响其焊接性。
因此,我们对其焊接特性作了进一步的分析:
表1INCOLOY825合金的化学成分(质量分数,%)材料CSiMnNiMoCuSCrTiFeAlINCOLOY8250.050.51.038462.53.51.53.00.0319.523.50.4220.2表2INCOLOY825合金的力学性能材料屈服强度MPa抗拉强度MPa断后伸长率%INCOLOY825241586301.1热裂纹问题铁镍基合金具有很大的热裂纹倾向,其产生原因有冶金因素和工艺因素,其中以冶金因素为主。
INCOLOY825合金焊接时,由于S、Si等杂质在焊缝金属中偏析,S和Ni形成NiNiS低熔点共晶,在焊缝金属凝固过程中,这种低熔点共晶在晶界间第一作者:
王体刚,海洋石油工程(青岛)有限公司,青岛经济技术开发区连江路492号,邮编:
26652Email:
收稿日期:
20121112385其它篇2012年全国钢结构设计与施工技术学术交流会论文集2012-12形成一层液态薄膜,在焊接应力的作用下形成晶间裂纹。
在焊接过程中Si和氧等形成复杂的硅酸盐,在晶界间形成一层脆的硅酸盐薄膜,在焊缝金属凝固过程中或凝固后的高温区,形成高温低塑性裂纹。
同时,INCOLOY825合金导热性差,焊接热量不易及时扩散,容易出现过热,造成晶粒粗大,使晶间夹层增厚,减弱了晶间结合力,还能使焊缝金属的液固时间加长,促进了热裂纹的形成2。
1.2氧化问题对于INCOLOY825合金(化学成分见表1)由于合金成分多而易氧化,若保护不良易导致氧化烧损,将会严重降低接头使用性能,同时氧化生成难熔的Cr的氧化物,可使液体金属流动性变坏,致使焊缝成形不良,如焊缝背面出现皱皮等。
1.3气孔问题焊接INCOLOY825合金时,若工件的坡口及其附近的油类和污垢没有清除干净,大量H2进入焊接熔池,当熔池凝固时氢气来不及逸出,形成氢气孔;焊接时如保护不好,空气中的氧进入熔池与金属中的碳化合形成CO气孔;焊接时,液态熔池内金属镍能溶解大量氧,凝固时氧的溶解度大幅度减小,过剩的氧和镍生成NiO,NiO又与镍中的H2反应,镍被还原,氢和氧生成H2O,H2O在熔池凝固时来不及逸出而产生H2O气孔,这是INCOLOY825合金焊接时最易出现的气孔。
2焊接工艺方案设计焊接工艺方案设计针对以上分析,选定的工艺方案如下所述:
2.1焊接方法及材料试验材料采用国外进口INCOLOY825合金板材,焊接试板长800mm、宽200mm、厚64mm。
焊接方法选择钨极氩弧焊(GTAW)+焊条电弧焊(SMAW)进行焊接。
选用的焊接材料为直径2.0mm与2.4mm的ERNiCrMo3焊丝,直径3.2mm与4.0mm的ENiCrMo3的焊条,其烘烤温度为250350,保温1h。
焊接过程中要求存放在120150的保温筒,4h内用完焊材。
焊材对应的主要化学成分见表3所示,均符合焊材化学成分的要求。
表3焊接材料的主要化学成分焊接材料直径(mm)化学成分(%)CMnSiSPMoNiFeCrTiAlNb+TaCu氩弧焊丝2.40.010.10.060.0010.0038.7964.190.3622.690.220.143.490.02氩弧焊丝2.00.010.010.050.0010.0018.7664.340.2722.710.200.103.510.01焊条3.20.0770.020.330.0010.0158.9464.420.4122.183.500.01焊条4.00.020.010.290.010.0018.9564.160.4122.513.510.012.2合理设计坡口角度INCOLOY825合金的液体金属的流动性(尤其是润湿性)不如一般钢铁材料,坡口角度不合适,很容易产生未融合现象,通过加大电流即增加金属的流动性,其效果不大而且还会造成过热的影响。
由于其流动性较差,焊接时的熔深较浅,故在保证融合良好且有一定的熔深的前提下,同时考虑到节约焊材,采用组合坡口,坡口示意图如图1。
图1坡口加工示意图2.3保护气体的选择焊接保护气的作用是确保全焊透和焊缝成形,并防止氧化。
为加强焊接区的保护效果,在焊嘴后侧加一保护施罩。
用GTAW施焊时,保护气为Ar气,纯度99.99%;施焊时母材金属背部先通高纯氩气(纯度99.9995%)进行保护,直至焊缝金属厚度达到6.4mm,以最大限度的保证焊缝金属不被氧化。
背部通氩气装置示意图见图2。
背部氩气保护装置为规格10008040mm的不锈钢槽,在左右两侧进行定位焊,且用耐高温胶带贴紧密封,同时在正对着焊道部分均匀开3个尺寸为5030mm孔洞,安装透明玻璃片进行焊道背部成形监测,用耐高温胶带做好玻璃片的密封。
用测氧仪进行测定,内部气体的氧含量在0.5%以下时方可进行焊接。
2.4焊件清理工作12.53019mm37.52mm64mm2mm386王体刚,等:
铁镍基INCOLOY825合金焊接工艺研究2012年全国钢结构设计与施工技术学术交流会论文集2012-12INCOLOY825合金表面存在难熔的氧化膜,如NiO的熔点为2090,而Ni的熔点只有1446,焊前不去除表面难熔的氧化物,焊接时焊缝易生成夹杂物,妨碍焊接正常进行。
将坡口两侧各50mm范围内外表面用不锈钢丝刷打磨至露出金属光泽,用丙酮或者无水乙醇擦拭磨刷部位,待干后,用不锈钢丝轮轻微打磨一遍。
焊接过程中,每层每道间要用未在碳钢上使用过的不锈钢砂轮片进行打磨,以避免夹渣,同时每层焊道焊完后要用无水乙醇擦拭。
焊接方向Ar气进口Ar气出口Incoloy825合金监视孔图2背部充氩保护示意图3焊接工艺评定试验3焊接工艺评定试验3.1工艺参数详细的焊接工艺参数见表4所示,控制热输入1.5KJ/mm。
焊接过程中严格控制层间温度175。
GTAW焊接时,正面保护Ar气流量为1622L/min,背部保护Ar气流量为20L/min;64mm厚板材用焊枪喷嘴尺寸为13mm。
3.2试验结果焊缝外观经检查无气孔、裂纹、弧坑、夹渣等缺陷;焊后进行100%X射线探伤,结果一次合格,均为I一级片;按照标准34进行理化试验,截取拉伸试样4件,截面规格为25*32mm;侧弯试样8件,截面规格为10*32.5mm;冲击试样9件,规格为10*10*55mm。
对试样进行试验后,其主要的理化试验结果见表5。
拉伸试验断口均在母材处,侧弯(弯曲角度180)结果均合格,196侧向膨胀值大于标准要求的至少0.38mm4。
由此证明,该焊接工艺完全满足相关标准要求。
3.3焊接工艺的应用以评定合格的焊接工艺参数为依据,编制了相关的焊接工艺,并完成了一个产品焊缝,经检验,各项试验结果均达标准要求,表明选择的工艺能保证接头的性能,为焊接INCOLOY825合金提供了经验。
表4GTAW+SMAW焊接工艺的主要参数焊层焊接方法填充金属电流极性焊接电流(A)焊接电压(V)焊接速度(mm/min)型号直径(mm)打底GTAWERNiCrMo32.0DCSP1001209104565填充GTAWERNiCrMo32.4DCSP130160101360100填充SMAWENiCrMo33.2DCRP70110222790150盖面SMAWENiCrMo34.0DCRP80130222995145表5拉伸、冲击试验结果值拉伸强度(MPa)-196侧向膨胀值(mm)编号数值编号数值1数值2数值3位置C4-1660C10.920.800.96焊缝中心C4-2630C21.861.841.76熔合线C5-1660C32.262.222.16熔合线+2mmC5-16304焊接过程质量控制措施4焊接过程质量控制措施鉴于INCOLOY825合金材质的特殊性,根据其焊接特性以及焊接施工难度,要想获得高的焊接就必须有相应的焊接措施来保证质量,特提出以下保护措施:
4.1焊接之前的准备1)接头两侧50mm的范围内都需要用不含氯387其它篇2012年全国钢结构设计与施工技术学术交流会论文集2012-12化物的溶液进行清洗;2)背面焊接区域的氧含量必须小于0.05%;3)就相关工艺、特殊技术要求等做好技术交底,专门组织焊工进行有针对性的操作技能培训,使其提前对此有一定的熟知度;4)母材表面有水或者温度低于5,不允许施焊,水源必须找到并去除;5)对于镍基合金的清理,应该使用未在碳钢或低合金钢上使用过的氧化铝/碳化硅砂轮片或者不锈钢钢刷。
4.2焊接过程中的控制1)氩弧焊丝在使用前,要保证用无水乙醇进行擦洗;焊条要使用真空包装的焊材,且要放在保温桶中保证处于保温状态,若是打开真空包装后剩余的焊条,要求进行250350烘干1h后方可使用;2)焊接过程中要尽可能的用短弧焊接,收弧时填满弧坑,待弧坑冷却后再切断保护气;3)所有的引弧点和熄弧点都需做打磨处理;4)焊接过程中不要做大幅摆动,要用小细焊道直线焊接;并要求焊道为凸断面。
5结论5结论1)采用焊丝ERNiCrMo3和焊条ENiCrMo3焊接INCOLOY825合金,其热输入,层间温度,坡口角度以及焊接参数的选择是可行的;2)采用此焊接工艺,焊接接头的力学性能完全满足产品的技术要求,保证了196下的此类镍基合金的焊接质量;3)提出了保证焊接质量和焊接接头性能的控制措施。
参考文献参考文献1StandardSpecificationforNi-Cr-Mo-CuAlloy(UNSN08825andUNS08221)Plate,Sheet,andStripS.20092于世行,郝丁华.镍基耐蚀合金焊接工艺.石油化工应用.2008,27(3),87893AmericanSocietyofMechanicalEngineers.ASMEBoiler&PressureVesselCodeSectionIXWeldingandBrazingQualificationsS.20074AmericanSocietyofMechanicalEngineers.ASMECodeforPressurePiping,B31.3S.2007388
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- 铁镍基 INCOLOY825 合金 焊接 工艺 研究