哈氏C-合金无缝管耐腐蚀性能/物理性能/焊接工艺的综合阐述
1、前言
随着化工生产工艺技术的发展，对化工设备用材料的要求也越来越苛刻，近年来在强腐蚀介质中使用哈氏合金系列材料越来越多。哈氏C-合金是一种超低碳Ni-Cr-Mo合金，它是在哈氏C合金的基础上降低碳(由C≤0.12%降至C≤0.02%)和硅(由Si≤1.0%降至Si≤0.08%)含量形成的，因而比哈氏C合金具有更好的抗晶间腐蚀性能。
哈氏C-合金具有优秀的耐中度氧化性酸和强还原性酸腐蚀的性能，能耐盐酸、硫酸、氢氟酸等的混合酸腐蚀。在酸性介质中，该金属表现出很强的抗局部腐蚀的性能，如点蚀、缝蚀等，它是为数不多的几种抗湿Cl-腐蚀合金之一。
因此该合金被用在多种苛刻的化工过程，如烟气脱硫系统、氢氟酸生产中。某铜业公司的一级动力波洗涤器中的过渡段底部衬环，其主要作用是将电解铜的混合废酸从设备中排放出来。该部件原来的材料是环氧树脂，因不耐冲刷腐蚀，使用周期短，从而影响正常生产。由我厂与合肥通用机械研究所合作，用哈氏C-合金制作该过渡段底部衬环。过渡段底部衬环由内环、内侧锥、底环、外侧锥和外环5部分组成，结构和尺寸见图1，其中外环外径mm，内环内径mm，所有板厚均为6mm，属于典型的大型薄壁耐蚀构件。
要求制成后的过渡段底部衬环必须非常紧密地贴合在原过渡段底部构件上，因此对尺寸和形状要求很高:局部不平度在1/以内，整个板面的翘曲度不超过3mm。该构件板薄、直径大、刚性小，以及全奥氏体材料的焊接变形量大，焊后难以矫形，因此必须采取有效的防焊接变形措施。
再加上哈氏C-合金焊接气体保护、防污染等要求，使得这一构件的制造显得尤为困难。
2、哈氏C-合金工艺性能分析
2.1化学成分和机械、物理性能
哈氏C-合金板材化学成分见表1，供货状态为热轧成型后固溶+酸洗状态，金相组织为全奥氏体。机械和物理性能见表2，验收标准为ASTMB-。
2.2材料冷加工工艺性能分析
哈氏C-合金比一般铁基奥氏体材料有较强的冷作硬化倾向，对于成形后纤维延伸率大于15%的该类材料，在冷成形过程中应进行中间回火，成型后再进行固溶处理以恢复性能。机械加工应在固溶状态下进行。切削速度要低，以减小冷作硬化倾向;进刀量要大，以避免刀具切削硬化层。
2.3材料热加工工艺性能分析
哈氏C-合金也可进行热成型。热成型应在～℃温度区间进行，随后水冷或空冷。必要时进行固溶处理以恢复材料耐蚀性能和机械性能，防止析出σ相，导致贫Cr、Mo化而引起晶间腐蚀和使材料脆化。
由于C、P、S等杂质会增大哈氏C-合金的晶间腐蚀倾向，而且C、S、P和某些低熔点杂质也会增加焊接热裂纹倾向，必须严格控制。这些元素经常存在于正常制造工艺过程中所用的一些材料中，例如脂、油漆、标记用墨水、成形润滑剂、切削冷却液以及测温笔迹等。在加热前必须完全清除这些杂质，以防止这些杂质元素在热加工过程中渗入到材料中去。
加热时应控制加热火焰气氛中的硫含量，使用低硫燃料。若用天然气，其硫含量应低于0.1%(体积比)，而用燃油，硫含量应低于0.5%(体积比)。火焰应为中性或轻微的还原气氛，避免火焰直接对着工件加热，最好采用电加热。
2.4焊接性能分析
2.4.1焊接热裂纹
从表1可以看出哈氏C-合金Ni含量高达近60%;表2可见该合金导热系数小、热膨胀系数大，具有较高的焊接热裂纹敏感性。因此应严格控制母材和焊材杂质元素含量，同时在切割下料、加工及材料摆放、焊前或进炉前表面检查清理等方面都要注意，以确保材料不受污染。
焊材选择上，适当提高锰含量，以提高对有害元素如磷的溶解度。通过在单相奥氏体焊缝中加入Mo、W、Ta、Mn、Cr、Nb等固溶强化元素，以达到提高焊缝的抗热裂和耐腐蚀能力。
焊接工艺方面，应选择较小的线能量，层间温度在℃以内，采用窄焊道，据此选择适当直径的焊条或焊丝。为确保焊缝金属中合金元素的纯洁性，最好选用GTAW焊方法，以防止焊条药皮或焊剂中有害元素的侵入。
2.4.2焊接气孔哈氏C-合金由液相转变为
固相的温度差较小，使得溶池流动性很差，在焊接快速冷却凝固结晶条件下，极易产生气孔，因此必须保证母材和焊材的纯度和清洁度，同时焊接过程中加强对熔池的保护及对保护气的监控，以降低产生气孔的条件，确保获得优质焊缝。
2.4.3焊接区的腐蚀倾向
Ni、Cr、Mo等对保证焊缝金属的抗腐蚀性能是至关重要的，而C、P、S等杂质会增大哈氏C-合金的晶间腐蚀倾向。所以应选择合适的焊材，同时对母材和焊材应进行严格的进货验收，焊接前进行彻底清理。
通过减小焊接热输入量、加快焊后冷却速度，使得焊缝和热影响区金属在敏化温度区间停留时间减短，从而减少σ相与Cr6C的析出，以减小晶间腐蚀倾向。
此外，引弧点、铁素体污染点以及飞溅均是腐蚀发生源。所以不能在非焊接区引弧，材料摆放及焊接同碳钢严格隔离开，焊接时严防焊接飞溅落在母材表面上。
3、制造
根据上述对哈氏C-合金加工工艺性能的分析和过渡段底部衬环部件的特点，我们采取了以下制造工艺。
3.1下料
哈氏C-合金对加工清洁度要求很高，而且机加工难度大。为防止热切割对材料的污染，同时避免切割后的二次机械加工，我们选择水下数控等离子切割工艺。这种切割工艺尺寸精确、切口热影响区很小，只需用砂轮稍加修磨，就可消除热影响区，达到规定尺寸要求。下料排版采用CAD计算和画图，再将数据输入数控切割机电脑中实现切割过程自动控制，提高了下料准确性。
3.2成形
内、外侧锥为锥体。一个锥体由四块圆弧板拼焊而成，先将等分的四块圆弧板分别在滚板机上滚到规定形状和尺寸，待组焊。锥体直径最小端为φmm，材料厚度为6mm，卷板时材料变形不大，纤维延伸率仅为1.5‰以下，成形时冷作硬化倾向不明显。因此成型没有什么困难，也不用担心材料组织的变化。
成型时需要注意的是:滚板机的辊子、吊钩要用橡皮套，防止铁素体污染。由于直径大、壁薄，卷板时应用尼龙绳在上方将工件吊住，防止由于工件自重引起的变形过度以及因此产生的材料组织变化。
3.3组对和装配
为保证底部衬环的几何尺寸和形状要求，控制焊接变形，我们制作了一套专用工装，如图2。将整个部件一次组装到位，并用GTAW焊将构件点焊在工装上，使得工件与工装成为一整体。
由于焊接时工件背面要进行Ar气保护，故在工装上布置了一条环形保护气体通道。焊接时间通道内通Ar气，在背面保护焊接区。
工件正面焊完后，将工件从工装上拆下。工装改成如图3所示，背面形成保护气盒。把工件翻身后固定在工装上焊接反面。
焊接工作完成后，将工件与工装固定在一起吊到钻床上钻制92个φ16mm的螺栓孔。最后将工件从工装上拆下，正反面用砂轮打磨、整形。注意应避免用火焰进行矫形，以防引起耐蚀性能的降低。
为防止运输变形，用螺栓将工件固定在工装上，连同工装一起发运安装现场。经现场验收，尺寸和形状精度完全满足设计要求。
3.4、焊接
3.4.1焊接材料
根据对哈氏C-合金焊接工艺分析，为防止焊接热裂纹、气孔和焊接变形，提高焊接区抗腐蚀能力，我们选择GTAW焊方法。相匹配的焊丝ERNiCrMo-4，直径2.4mm，标准为AWS/SFA5.14，化学成分见表1。从表中可以看出，焊材中有害元素含量很低，适当提高了Mn含量，Mo、W、Cr等元素都维持在一定水平，并且添加了Ta元素，这有利于提高抗焊接热裂纹和焊接区抗腐蚀能力。
3.4.2焊前准备和清理
由于哈氏C-合金对焊接热裂纹、气孔敏感及对耐腐蚀的要求，焊接前必须将焊接区清理干净，减少杂质对焊接质量的影响。先用不锈钢丝刷清理焊缝坡口及其两边50mm范围内的内外表面，然后再用丙酮或酒精清洗坡口及距坡口25mm范围内的区域的油脂、粉尘等。
不锈钢丝刷为哈氏C-合金专用，不能用于其他材料的清理。
3.4.3焊接工艺和技术
根据焊接性能分析，哈氏C-合金焊接工艺和技术的核心问题是使用小线能量。我们采取以下几方面措施。
(1)由于哈氏C-合金导热系数小、热膨胀系数大，所以应尽量降低焊接热输入量，减少焊缝金属的填充量，并设法使施焊区有利于散热，及降低焊接拘束度。因该结构件母材厚度为6mm，所以用单V形坡口，坡口角度为55°，坡口间隙1mm。
(2)影响线能量的直接因素是电流、电压和焊速，间接因素是预热温度、层间温度和后热处理。为此我们选择热输入量相对较小的GTAW焊，相应的焊丝直径为φ2.4mm，焊接参数见表3。
(3)焊接技术上用窄焊道，焊后风冷。另外，每一焊道用专用的不锈钢丝刷刷去所有的氧化物，然后再熔敷下一焊道。
焊接在专用区域内，同碳钢区隔开，并且防尘。背面气体保护问题在3.3部分已经介绍过了，在此不再重复。
3.4.4焊接变形的控制
焊接变形的控制主要通过3种措施:利用工装进行整体组装焊接、较少焊接热输入量和合适的焊接顺序。前两种措施前面已经详细介绍，不再重复，对于第三种措施，由于该工件焊缝比较多，且都是均匀分布，所以可以选择对称焊接的顺序进行焊接即可。
3.5、机械加工
在钻制92个φ16mm的螺栓孔时，开始按正常工艺钻削，根本无法施工，连续烧毁了数支钻头，加冷却液也无济于事，即使将孔钻通，也使得孔径不符合尺寸要求，直径减少1～2mm，后采用低速度大进刀量切削，有效地克服了冷作硬化倾向，顺利地加工出符合要求的螺栓孔。
4、耐晶间腐蚀性能试验
耐晶间腐蚀性能试验采用硫酸—硫酸铁晶间腐蚀倾向试验方法。哈氏C-合金的晶间腐蚀是由于晶界处贫Cr、Mo和σ相引起的，用硫酸—硫酸铁晶间腐蚀倾向试验检验晶间腐蚀敏感性，试验灵敏，时间短。该试验标准为ASTMG28《压力加工含铬的高镍合金晶间腐蚀敏感性的测定方法》相当于GB.2《硫酸-硫酸铁腐蚀试验方法》。
ASTMG28和GB.2是以腐蚀率来评定晶间腐蚀倾向的，但对合格指标没有规定，一般由用户来确定。有的工程将哈氏C-材料的合格指标定为12mm/a。
5、结论
(1)水下数控等离子切割工艺可以保证下料尺寸，热影响区小，不需要机加工。
(2)母材和焊接材料清洁程度对焊接质量影响极大。应在专用区隔离焊接，防止铁素体、灰尘及水、锈、油的污染，焊前要对焊接部位进行清理。
(3)严格控制母材和焊接材料的化学成分，适当提高Mn含量，以减少P等有害元素过渡到熔敷金属。
(4)焊接使用小参数，减少热输入量。
(5)利用工装采取整体组装焊接，并合理安排焊接顺序，可以防止焊接变形，保证尺寸和形状精度。
(6)可以采用硫酸—硫酸铁腐蚀试验来评定哈氏C-合金晶间腐蚀敏感性。原材料进货验收时必须进行腐蚀试验。
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