哈氏合金加工手册(焊接篇).doc

哈氏抗腐蚀合金的加工对焊接，钎焊，冷热加工，热处理，酸洗以及表面处理的一般方法。简介本书是对哈氏合金公司的抗腐蚀系列合金加工的一般方法。并不能作为一种指导性的手册。本书包含了以下抗腐蚀合金：HASTELLOY B-3HASTELLOY C-2000HASTELLOY C-22HASTELLOY C-276HASTELLOY G-30HASTELLOY B-3 是一种镍钼合金，对各种浓度各种温度下的盐酸腐蚀有极好的抵抗能力。它在其他诸如硫酸，醋酸，甲酸，磷酸等非氧化性介质中也表现很好。B-3合金相对B-2在化学成分上作了一定改进，具有更好的热稳定性。B-3合金对点腐蚀，对在刻痕和热影响区的应力腐蚀断裂都有极好抵抗能力。详情请参阅H-2104.HASTELLOY C-2000，设计来抵抗更大范围的腐蚀化学品，包括硫酸、盐酸和氢氟酸。不同于先前的Ni-Cr-Mo 合金，其同时适用于氧化酸和还原酸。C-2000合金对于这两种酸环境下都有良好的耐腐蚀性能。钼和铜的组合提供了出众的抗还原能力，同时高的铬含量提供了抗氧化能力。C-2000合金还表现出比C-276更好的抗点蚀和缝隙腐蚀的抵抗能力。它的成型，焊接和机加性能和C-276合金相似。请参阅H-2111。HASTELLOY C-22是一种适用范围很广的镍铬钼钨合金，比现在市面上广泛应用的镍铬钼钨合金，包括HASTELLOY C-276，C-4，HAYNES 625，在各方面有更好的总体抗腐蚀能力。C-22合金有着出众的抗点蚀，隙缝腐蚀和应力腐蚀断裂的的能力。因为有着更高的铬含量，C-22在氧化性酸和饱含氧化性残留物，如溶解氧，铁离子和液氯等的酸液中比C-276更耐腐蚀。实际上，该合金的应用范围只比C-2000小。因为它有这种适用范围，它可以用在多目的工艺中最令人头疼的地方。详情请参阅H-2019HASTELLOY C-276，有极好的抗点蚀应力腐蚀断裂和酸环境能力。它对各种各样的化学工艺环境有优异的抵抗能力。 HASTELLOY G-30是一种高铬的镍基合金，其耐商业用磷酸的能力比市场上的目前应用的镍基和铁基合金都要出色，在其他的含有强氧化介质的复杂环境中也表现出色，如HNO3/HCl等。G-30合金能够抵抗在热影响区的晶界析出沉淀相，这使得它一样适合在焊接状况下使用。焊接一般焊接HASTELLOY耐腐蚀合金的焊接性能在很多时候和奥氏体不锈钢相似，只要使用合适的技术和工艺就没有特别的焊接问题。要得到高质量的焊件，我们推荐进行焊接工艺评定。这些工艺在制造过程中通常都是要严格按照标准执行的。这样的一个文件就可以使每一个焊工都达到合适的焊接技术。这些工艺中，应该至少包含如下参数，母材和焊材组合，焊接工艺步骤，坡口设计，电参数，预热/层间温度控制和焊后热处理要求。任何带有合适的输出功率和控制的现代焊接电源就可以用在通常的熔融焊接上了。通常，焊接的热输入都控制在低到中等范围内。不推荐过宽的焊缝。最好在焊接的时候要左右摇摆。通常，镍基合金在焊接中都比较粘，不容易焊透。对坡口的设计和熔池的位置要仔细，保证焊珠完全凝固在合适的位置。镍基合金容易在焊口位置开裂，因此建议在焊缝的开始和结束位置进行打磨。清洁是焊接抗腐蚀镍基合金中一个最重要的方面。油脂，腐蚀产品，铅，硫以及其他低熔点元素的污染物会导致严重的开裂问题。建议焊接时母材要在固溶状态下。如果材料表面有超过7%的冷加工就要在焊接前进行固溶退火。如果焊件带有大量的残余冷加工会导致焊接金属和/或焊接热影响区的开裂。通常用来焊接抗腐蚀合金的焊接方法列于表1表1工艺AWS标准通常使用的材料GTAW手工焊/自动焊GTAW直焊丝GMAW手工焊/自动焊GMAW卷焊丝SMAWSMAW焊条除了这些通常的电弧焊，其他焊接方法，比如激光束焊接、摩擦焊和埋弧焊也可以用来焊接这些合金。由于可能产生热裂，在使用埋弧焊来焊接镍基合金的时候，参数的选择是极其重要的。您可以联系HAYNES INTERNATIONAL公司获取焊接参数和焊材的建议。等离子切割通常用于将板材切割成需要的尺寸以及切割焊接角。不推荐使用氧炔焰进行焊接和切割，因为有很大可能火焰中的碳会被材料吸收。焊材选择焊材的选择是设计焊接结构的关键因素。通常，几种类型的抗腐蚀合金用于一个结构中的不同位置。异型材焊接的焊材选择同样也是非常关键的。有两种选择焊材的方法。一种是和母材匹配，另一种是过合金焊材。使用和母材匹配的焊材时，焊缝的成分和母材是一致的。在异型材的焊接中使用和母材匹配的焊材通常是与高合金母材（有相对较好的抗腐蚀性的）匹配。对过合金焊材的选择来说，通常选择高合金化的高抗腐蚀性的焊材。（图1，2）。选择过合金化的焊材减少了腐蚀从焊缝开始的机会。另外，使用单一的过合金化焊材减少了在现场焊接的时候混淆焊材的机会。HASTELLOY C-2000 和 C-22就是已经被广泛应用的过合金化的焊材。更多的关于过合金化焊材的资料在手册H-2062“通用焊材”中。表2A包含了哈氏合金公司所有的焊接材料。表2提供了选择焊材的建议，包括同种材料/异型材的焊接以及匹配焊材/过合金焊材的选择。通过表2B横列和竖列来选择母材组合，然后通过表2A就可以查到适用的焊材。这里列出的焊材的编号与手册H-3053中是一样的。可以参照手册H-3053以免混淆。当哈氏合金和碳钢或者低合金钢焊接的时候，电弧有倾向钢材一边的趋势。使用好的接地技术，短弧和焊枪/焊条操作才能克服这个问题。附加的关于焊接材料的标准和产品形式在本手册最后的附页中。图1 - GTAW图2 - SMAW表2A焊材AWS A5.11/A5.14合金代号HASTELLOY B-2E*/ER*NiMo-710HASTELLOY B-3E/ERNiMo-1011HASTELLOY C-276E/ERNiCrMo-412HASTELLOY C-22E/ERNiCrMo-1013HASTELLOY C-4E/ERNiCrMo-714HASTELLOY C-2000PS-609215HASTELLOY G-30E/ERNiCrMo-1117HASTELLOY WE/ERNiMo-320HAYNES 625ERNiCrMo-108表2B推荐焊材选择向导针对匹配和过合金焊材母材B-3C-276C-22C-4C-2000G-30N超级不锈钢300SS400SSB-31110C-276111012131213C-22111013131213C-411101413121413131412141312C-200011101513121513131513151415G-3011101713121713131713141715131717N111020122013201320122013201220超级不锈钢111013812138138131481513813178121313178300SS111013812138131281513815138131781213131781312178400SS11101381213813128151317151317131781213131781312813128低合金钢111013812138131281513815138131781213131781312813128碳钢111013812138131281513815138131781213131781312813128焊接坡口设计要得到好的焊件，在加工中必须仔细考虑焊接坡口的形式。即使选择了合适的焊材，坡口设计得不好也不能得到好的焊件。有各种各样的文件可以帮助设计坡口。有这样两本书提供了指导，美国焊接协会“焊接手册”卷1第八版第五章和ASM“材料手册”卷6，焊接、钎焊和锡焊、坡口设计和焊接准备。另外，设计要求可以参照制造标准，比如ASME锅炉管道和压力容器标准。典型的对焊接坡口列于图3（这些坡口常用于钨极气体保护弧焊GTAW，金属极气体保护弧焊GMAW，焊条电弧焊（SMAW）。钨极气体保护弧焊通常用来在坡口I方头部分和坡口II这种只能单面焊接的坡口类型中打底。剩下的部分可以用其他适当的焊接工艺。在厚板上（厚度大于19mm）用开口焊接，通常用U型坡口。这样的坡口减少了焊材用量和焊接时间。其他的坡口设计见图4。实际需要焊接的道层数受到很多因素影响，比如焊材的尺寸（焊丝或焊条的直径），电流强度和焊接速度。需要注意的是，镍基合金很粘（比碳钢或者不锈钢的流动性差）以及不容易流动和润湿侧边。要小心操作电弧和焊材使融化的金属放置在合适的位置。另外由于焊接金属的粘性，这种金属要比典型的碳钢和不锈钢难焊透。由于这种低穿透的特性，熔融不完全的可能性就增大了。在这些因素的影响下，就一定要保证开口要有足够的宽度使焊枪焊条通过合适的操作来保证正确的焊缝位置。焊材的一般用量是板材重量的4-5%，一般焊条的使用量列于表3图3 典型的手工焊坡口特殊情况下的坡口形式 图4 表3板厚（mm）坡口形状根部间距A（mm）根部厚度B（mm）坡口夹角C（度）大致焊材用量(KG/M)1.6I0-1.6N/ANone0.032.4I0-2.4N/ANone0.063.2I0-3.2N/ANone0.096.3II1.6-3.20.8-2.460-750.459.5II0.8-40.8-2.460-750.8912.7II0.8-40.8-2.460-751.4112.7III0.8-40.8-2.460-750.8915.9II0.8-40.8-2.460-752.0815.9III0.8-40.8-2.460-751.2219.1II0.8-40.8-2.460-752.8319.1III0.8-40.8-2.460-751.79清洁，边界准备和定位连接区域的准备工作对焊接抗腐蚀镍基合金来说是非常重要的。可以通过各种机械或者热切割的方法来准备焊接夹角。等离子切割/刨，机加工，磨制，碳弧气刨都是可以使用的。一定要在焊接前使热切割的边界变得光亮。（在使用碳弧气刨的时候这一点尤为重要，因为可能造成在焊接时从碳电极上吸收碳。除了焊接角区域，在焊接区域上表面和下表面（正面和根部）都要用粗沙盘磨出25mm区域的光亮金属。这在用保护金属弧焊焊接HASTELLOY B-2 B-3时是必要的。如果表面的锈垢不除去，焊接金属就会和锈垢连在一起造成母材底部开裂。焊接和相邻区域在焊接之前必须彻底清洁。所有的油脂，粉笔印，机加工溶液，腐蚀产品，颜料，锈垢，探伤染料及其他物质都必须被彻底清除。不锈钢刷子用于GTAW和GMAW的层间清理就足够了。对各种焊接，建议对开头和结束的部分进行打磨。如果使用氧气或者二氧化碳作为保护气体，就会在表面形成氧化膜，因此层间在使用刷子之前打磨是必须的。使用保护金属弧焊留下的熔渣也要去除，打磨后再用刷子刷。和碳钢接触后留下的表面的铁污染（铁锈沾污）并不是什么大问题，所以也不一定要在使用前去除。另外，这种铁污染若有一小部分融化进入焊接金属也不会影响抗腐蚀性能。这些污染并不是什么大问题，只需要小心操作就可以避免，这样就不需要在使用前进行检测。预热，层间温度以及冷却技术对于Hastelloy合金无需预热是相对室温而言的（典型的工厂环境）。层间温度必须低于93。如果低于零度或者需要防止湿气聚集，母材有可能需要加热。在材料从冷的室外仓库拿到温暖的工厂时可能引起湿气聚集。加热尽量用非直接的加热方法。（红外加热，或者自然加热到室温）如果使用氧炔焰加热，要均匀的加热母材而不是焊接区域。火把要经过调整使火焰不能碳化。建议使用“花边”一样的喷嘴使火焰更均匀。一定要小心不要因为加热造成局部融化。可以用辅助冷却方法来控制层间温度。可以用水淬。一定要小心焊接区域不能留有风动设备的油渍、水浸后的油脂和灰尘以及用来冷却焊缝的硬水留下的矿物质沉积。最安全的保证层间温度的方法就是让它自然冷却。如果要在一个薄壁的罐子外面焊接，可以考虑在内部进行冷却来减少焊接影响区。焊后热处理Hastelloy抗腐蚀合金，通常都是在焊接条件下用于腐蚀环境的。针对不同的合金焊后热处理（在1038-1177进行的完全的固溶退火，或者在593-649进行消除应力的退火）都是不必要的。关于热处理要求，在本册的热处理一章予以专门讨论。应力消除热处理通常被认为是对这些合金无效的，只是在某些情况下影响机械性能。例如，我们从不对Hastelloy B-2, B-3合金进行焊后消除应力的热处理（538-816）。您可以联系我们获得更详细的信息。质检和反修建议进行无损检验。对于按标准的制造，有强制规定的无损检验方法。对于非标准制造，无损检验可能只要肉眼检查或者着色检验就可以了。无损检验不仅要作为制造中间步骤的检验，还要作为最终测试的检验。焊接缺陷被认为会影响质量和机械完整性，一定要去除并补焊。去除的方法有打磨，等离子弧刨和碳弧气刨。在使用碳弧气爆的时候一定要非常小心不能在焊接区域发生碳污染。通常间隙可以通过染料穿透检验来确定所有缺陷已经被去除，并在补焊之前彻底清洁。因为这些合金有不容易焊透的特性，所以母材背面的间隙要足够的宽，坡口中要清洁出足够的边墙能让焊丝焊珠进行操作。不推荐通过自身重熔或者在添加新的焊材覆盖在缺陷上来“补缺口”或者“冲刷”缺陷。控制变形 图 5镍基合金的变形特性和奥氏体不锈钢相似。图5包含了焊接坡口形状可能的变化。使用适当的夹具，照明装置和焊珠放置位置/焊接次序来尽可能减小变形。如果可能的话，可以平衡中心线两边的焊缝来帮助减小变形。合适的固定方法及加紧夹具会使焊接更容易并且减小较薄部分的弯曲和扭曲。建议在可能的情况下尽量多买一些材料，这样多出的部分可以裁掉，保证最终需要的尺寸。关于开裂在通常的哈氏合金制造中开裂的情况是很少的，只有在制造大的复杂的组件时才会遇到一些问题。能注意到的制造开裂分为热裂，应力断裂和与热处理有关的断裂。热裂是其中一种情况，通常局限在熔化区域（焊缝），不过偶尔也发生在热影响区。发生热裂有两个必需的条件：应力和“无法产生应变的微观结构”。在焊接中，应力的产生是必然的，因为当金属凝固的时候会产生复杂的热应力。“无法产生应变的微观结构”产生于接近熔点/凝固点的温度（对所有的合金）。表面污染，比如硫，会导致热裂。特定的几何特征比如凹面的焊缝和泪滴状的熔池都会导致热裂。对每一个合金来说，都有一个特定的临界的条件组合能导致热裂。对HASTELLOY抗腐蚀合金来说，在没有污染的GMAW（溅射模式）焊接中，当焊接电流超过350安，焊件位置固定的情况下，热裂发生开始发生。在C-276的埋弧焊中，当电流超过400安时，也会产生热裂。只有在应力超过拉伸强度的情况下，合金才会在凝固的金属或者基材上产生冷裂。对镍基合金来说，典型的氢脆不产生制造开裂问题。焊缝形状也是焊接开裂的一个因素。在根部焊接的焊缝如果是凹形的，就有可能在根部焊接时开裂。这是在很小的焊缝垂直方向上加上超过强度极限的拉力造成的结果。突出的焊缝和夹具能解决这个问题。Hastelloy B-2的焊缝在热处理的时候可能开裂。Hastelloy B-3则是一个标志性的改进。需要更多信息，请联系我们。个别焊接工艺气体保护钨极弧焊（GTAW）气体保护钨极弧焊是一种非常通用的，适用于各种位置的工艺。它可以用来生产也可以用来维修，可以手工焊也可以自动焊来焊接薄板和厚板。这种工艺提供了很好的控制，经常被用在固定焊和根部焊接的时候。这种工艺唯一的缺点就是效率不高。如果是手工焊的话，GTAW的焊接速度是比较慢的。通常，电源最好配备高频启动，前/后喷气和上/下气罩（或脚踏板）控制。GTAW焊枪最好配备气体扩散屏幕（气体镜头），这样保护气可以提供一个适宜的保护。通常，气体罩要越大越好。典型的Hastelloy 抗腐蚀合金焊接参数见表4。电极极性是直流负极(DCEN)。建议使用2%钍钨电极。电极的标准是AWS A5.12 EWTh-2。电极随电流不同而使用不同的直径。通常建议使用的电极直径列于表4。建议把电极磨成锥形，30-60度的斜角，顶端留出1.6mm直径的平头。详细的见图6。图6推荐在一般情况下使用焊接级氩气（最低99.996%纯度），流速大约为25-30立方英尺/小时。如果气体保护做的适当，焊缝金属应该表现得光亮，并且在焊间只需要用刷子轻轻刷一下就可以了。在某些特定情况下，在需要高焊接速度时可以使用氩-氦或者氩-氢保护气，但要有特定的焊接系统。除了对焊枪的保护气外，推荐在根部使用一个背部喷口（焊接级氩气）。通常流速为5-10立方英尺/小时。在GTAW中，通常背衬棒子（通常是铜棒）来帮助根部的焊缝成型。背部气体通常是通过小孔沿着背衬棒子的长度方向吹的。在背衬棒子不能使用时，通常使用对焊焊接。这种情况通常出现在管得环焊缝焊接中。在这种情况下，没有办法达到根部位置，要设置有别于一般工业推荐的保护气流。在这种对焊管件焊接，焊枪处的流速减小到10立方英尺/小时，背部的流速增加到40立方英尺/小时。有一本小册子是专门讲焊接管子时的背部保护气的（H-2065）。建议焊枪在焊接时要尽量垂直于焊件。推荐纵向焊缝技术，只用刚刚够的电流熔化基体金属和焊材。在焊接中，焊材的尖端一定要在保护气中，防止氧化。不推荐停止不动和搅拌熔池，因为这样会增加焊接热输入。因为焊工能控制焊材加入熔池中，一定要小心使最终的焊缝因为母材的融化尽量减少。表4典型手工保护气体钨极弧焊参数（平焊位置）*接头厚度mm钨电极直径mm焊材直径mm焊接电流A焊接电压V0.8-1.61.61.615-609-121.6-3.21.6/2.41.6/2.450-959-123.2-6.32.4/3.22.4/3.275-15010-136.3以上2.4/3.22.4/3.295-20010-13*DCEN保护气体金属极弧焊（GMAW）保护气体金属极弧焊相对保护气体钨极弧焊来说焊接效率有所提高。它可以用作手工焊也可以用作自动焊。用GMAW工艺来焊接时，速度有所提高，但是控制性方面有所下降。在保护气体金属极弧焊中有三种焊材传输模式，它们是短路传输模式，球状传输模式和溅射传输模式。短路传输模式适用于各种焊接位置，有很好的焊缝控制，并且被认为是热输量最小的工艺。然而，因为这种工艺的电流很小，所以这也被认为是一种缺点（产生冷隔）。Haynes公司通常不推荐使用球状传输模式，除非是要进行堆焊的时候。溅射模式只是在平焊的位置很有用，但是因为焊接速度比较快，就有中等程度的热输入量。脉冲溅射模式（一种改进的溅射模式）可以用在各种焊接位置，并且相对短路模式来说冷隔的问题比较少。恒定的电流，固定频率的脉冲，可变的坡度/自感应率和协同的焊接电源可以同时用在GMAW工艺中。焊材传输模式的选择（溅射，协同，脉冲溅射或者短路传输模式）一定要在一开始就决定。这些选择由坡口设计/厚度，焊接位置，需要的焊接速度和焊工的技巧来决定。由这些信息我们就可以制定焊接电源和焊接参数了。各种焊接金属传输模式的典型焊接参数列于表5。电极极性是直流正接（DCEP）表5典型保护气体金属极弧焊参数（平焊位置）*焊丝直径mm保护气*焊接电流A焊接电压V焊丝进给速度m/min坡口厚度mm短路模式0.9Ar+He70-9018-203.8-5.11.3-4.8He+Ar+CO270-9017-20Ar+He+CO270-9017-20Ar+He100-16019-224.4-5.73.2-19.11.1He+Ar+CO2100-16019-22Ar+He+CO2100-16019-22溅射模式1.1Ar190-25030-327.6-8.99.5及以上Ar+He+CO2190-22530-327.0-8.3固定频率脉冲模式（60 & 120 CPS）1.1Ar+He120-15018-204.4-5.73.2-19.1峰值250-300Ar+He+CO2120-15018-204.4-5.73.2-19.1峰值250-300协同模式*0.9Ar+He50-125-1.6及以上Ar+He+CO250-125-1.6及以上1.1Ar+He100-175-4.8及以上Ar+He+CO2100-175-4.8及以上*DCEP* Ar+He=75%氩气+25%氦气； He+Ar+CO2=90%氦气+7.5%氩气+2.5二氧化碳；Ar+He+CO2=69%氩气+30%氦气+1%二氧化碳；Ar=100%氩气*很难给出细节的参数，因为不同的焊机有各自的设置来达到合适的焊接性能对GMAW工艺来说，保护气的选择是很关键的。建议使用以下五种焊接级保护气来焊接哈氏合金。这些保护气是：75%氩气+25%氦气，90%氦气+7.5%氩气+2.5二氧化碳，66.1%氩气+33氦气+0.9%二氧化碳，一种专有的氩气+氦气+二氧化碳混合的NiCoBRITE保护气和100%氩气。通常，保护气流速一般是在35立方英尺/小时。建议焊枪处的气罩要尽可能大，焊枪和焊件几乎垂直。如果焊枪的角度离垂直很远可能造成空气中的氧气进入焊接区域污染融化的金属。可以在表5种看到，无论使用Ar+He+CO2 ，He+Ar+CO2或者NiCoBRITE都能得到一个稳定的电弧，优异的各种位置现场焊接性能，和优异的合金-碳钢焊接性能。然而，因为二氧化碳的存在，焊接金属的表面会被严重氧化。这种氧化会增加产生熔融不够缺点的可能性。因此，强烈推荐在使用二氧化碳气体得多道焊接中，每焊完一次就要磨掉氧化层。在短路模式中使用Ar+He的话，和有二氧化碳的保护气比较就会有一些溅射以及电弧一定程度的不稳定。因为这种保护气是惰性的，所以表面是非常光洁光亮的，几乎没有氧化物。在多道焊接中，就没有必要每道之间打磨。这种情况在其他传输模式使用Ar+He作为保护气时是一样的。在溅射传输模式中即使使用100%氩气保护，也会有一些氧化物或者“黑灰”在焊接表面。建议在层间用重刷毛的刷子刷/或者轻轻打磨（80粒度）。在溅射传输模式焊接中，建议使用水冷焊枪。在协同焊接模式中，建议在电流超过120A时使用水冷焊枪。和GTAW一样，需要使用背面的保护气来保证根部的焊接不被验证氧化。有另一种方法，使很多制造商不使用背部气体保护来焊接。他们在焊完根部时打磨掉氧化金属和缺陷并用染料穿透检验，然后两面都焊。焊丝导管内衬和接触嘴（GMAW焊枪的部件）都是