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研制高品质哈氏 、高温 、镍基
由于高压换热器进出口母材材质为12Cr2Mo1，焊前需进行预热、焊后需进行热处理，极大地增加了现场焊接施工的难度，为了解决这一难题，该设备出厂前在其出入管口处堆焊了一层8mm厚的镍 材料，材质牌号为Inconel。镍 Inconel为美国牌号，属于耐高温、抗腐蚀性材料，焊接难度大。本文通过现场的实际施工过程为依据，对镍 Inconel的焊接工艺进行介绍。
1、镍 材料的可焊性分析
镍 具有单向组织，焊接会产生焊缝的宏观裂纹和微裂纹。故Inconel焊接时最常出现的缺陷是热裂纹，主要原因是由于硫、铅、磷或低熔点金属混入，形成晶间薄膜引起高温下严重脆化而引起的，特别是硫、磷共晶物熔点比镍铁低很多，在焊缝结晶时低熔点共晶物的液态膜残留在晶界区。另外焊接热输入大，使焊缝接头过热产生粗大晶粒。在粗大的柱状晶粒边界上集中了一些低熔点共晶体，它们的强度低、脆性大，在焊接应力的作用下很容易形成热裂纹。
焊接时还需避免的另一缺陷是气孔，镍 熔池稠，流动性差，在焊接快速冷却时，极易产生气孔，氧气、氢气、氮气、 化碳、一氧化碳气体在熔化的液态镍基 中溶解度极大，而在固态下溶解度大大减小，镍基 焊接过程从高温变冷时，气体在熔敷金属中的溶解度也随之下降。游离出来的气体在流动性差的液态镍中不能在焊缝凝固前完全溢出而形成气孔。而且流动性差也易产生夹渣缺陷。
结晶裂纹属于焊接热裂纹，一般产生于固、液相线温度区间范围内，即焊缝结晶后期，故以此命名。Inconel焊接时的结晶裂纹敏感性非常高，主要因为结晶过程中，微量元素硫、磷和碳会向晶界聚集，碳促进了硫、磷的偏析，而焊缝中含有大量的镍，它极易在晶界位置与 合生成 镍，镍与 镍混合产物的熔点仅为℃左右，属于低熔共晶物，削弱了晶粒间的相互作用，使得焊缝在拉应力的作用下沿晶界发生开裂。
消除Inconel焊接中的结晶裂纹可采取多种措施：首先，焊前清理十分重要，用砂轮打磨或用 擦拭，去除表面氧化皮、油污和其他污染物，避免硫、磷等杂质混入熔池；其次，制定合理的焊接工艺参数，采用小的焊接电流和焊接热输入； ，可采用抗裂性能较好的焊接材料。
冷裂纹
与结晶裂纹相比，Inconel焊接冷裂纹的倾向并不大，这归因于它在焊接过程中或焊后并没有诱发冷裂纹的因素：Inconel的氢含量非常稀少，加强气体保护就可有效降低氢在熔敷金属中的扩散；Inconel碳含量少，淬硬倾向小，成功抑制了焊后马氏体转变，避免了脆化裂纹；而且Inconel具有一定的塑性，当焊后冷却至室温或更低温度时，其本身的塑性就能够抵抗由于温度降低产生的收缩应力，避免冷裂纹的产生。
气孔
镍基 Inconel对氢、氧形成的气孔十分敏感。氧在镍中的溶解度会随着温度的降低逐渐减少，当温度由℃降为℃时，氧的溶解度可从1.18%减少为0.06%，析出的氧迅速与镍结合，形成氧化镍，但在熔合区附近，液态镍中的氢可使氧化镍中的镍还原，形成气孔。
减少气孔的产生需要通过严格的焊前清理和气体保护来实现。
2、焊接方法
考虑到现场施工特点，焊接时采用钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊填充盖面的方法。氩弧焊打底时，为防止 元素被氧化，背面必须充氩保护。
3、焊材选用
焊材选用根据焊件的化学成分、力学性能、使用条件和施焊条件进行综合考虑。镍 的焊接，宜选用和母材 系统相同的焊接材料，焊材选用。
考虑到国内部份生产厂家焊材质量的不稳定性，建议采用进口焊材或上海电力、四川大西洋品牌的焊材。
4、焊材烘干
焊条使用前应按焊条产品说明书进行烘干。烘干后的焊条应储存在～℃左右的恒温箱内，焊工领用时，应用合格保温筒领取，如领用时间超过4h，应重新烘烤，但重新烘烤次数不得超过2次。焊条烘烤温度。
5、施工环境
高温管道施工时，焊接环境出现如下情况时，必须采用有效保护措施（如篷布，加热等），方可施焊，否则禁止施焊。
（1）环境温度低于0℃；
（2）手工焊时，风速大于8m/s；钨级氩弧焊时，风速大于2m/s；
（3）空气相对湿度大于90％；
（4）雨、雪天气。
6、施工准备
6.1焊工要求
根据有关规定要求，焊接镍基材料的焊工须按GB-《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》中要求的内容、方法和结果进行考试，须按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》进行焊工考试的组织、监督、发证和持证焊工的管理。
焊接镍基材料的焊工必须按评定合格的焊接工艺进行考试，考试合格并取得相应的资质证方可承担相应焊接工程的施工。
6.2焊接工艺卡
现场施焊时，必须依据合格的焊接工艺评定制订焊接工艺卡，指导焊接施工。
6.3焊缝组对
(1)对接焊缝坡口形式及尺寸。
(2)组对错边量要求
管道或焊件组对时，内壁应平齐，内壁错边量不宜超过0.5mm；外壁错边量不宜超过1.0mm。
(3)定位焊接尺寸
焊口定位焊接采用根部定位焊缝形式，定位焊的焊缝长度、厚度、间距，应能保证焊缝在焊接过程中不开裂。
若用实芯焊丝钨级氩弧焊进行定位焊，则焊缝背面应进行充氮保护；焊缝的长度宜为10～15mm，且不超过壁厚的2/3。
7、焊接工艺
7.1焊前清理
铅、硫、磷和某些低熔点元素能增加镍 焊接裂纹倾向，因此，在焊件焊接前，必须完全清除这些杂质。施工前用角向磨光机把坡口内外两侧表面50mm范围内的油、漆、锈、垢、毛刺等杂物清除干净，且不得有裂纹、夹层等缺陷。
7.2焊接工艺要求
（1）焊接时必须保证焊透和熔合性，保证焊缝质量，为了减少热裂纹，在保证焊透的前提下，尽量采用小的线能量、短电弧，不摆动或小摆动的操作方法。
（2）焊缝多层焊时，采用小电流多层多道焊。层间温度须控制在℃以下，层间检查要仔细、清理要彻底，各层各道之间应相互错开。
(3）氩弧焊打底时，背面必须充氩保护，保护措施可采用局部充氩（坡口两内侧贴水溶性）。管道充氩开始时流量适当加大，待管内空气排干净后方可施焊。焊接时氩气流量逐步降低，避免氩气流量偏大，管内压力偏高而造成焊缝背面在成型时出现内凹或根部未焊透现象。
（4）焊接时层间温度必须严格控制，测量采用红外测温仪，低于℃时方可进行下一层焊接。
（5）每一层焊道必须清理干净方可进行下一层焊接；焊后及时将焊缝表面的熔渣和飞溅清理干净，焊接过程中缺陷清理用角向磨光机打磨时，必须防止局部热量过高而产生热裂纹。
（6）由于线能量要求小，采用钨极氩弧焊打完底后，焊肉较薄，为保证焊接质量，打完底后先做渗透检查看是否有裂纹，合格后继续用钨极氩弧焊进行焊接，待采用钨极氩弧焊焊完三层后再做渗透检查，合格后方可用焊条电弧焊进行焊接，焊接完毕后清理干净焊缝表面杂物，再进行渗透检查。
（7）焊接中应确保引弧和收弧质量，收弧时应将弧坑填满。镍 焊接时，在收弧处易产生弧坑裂纹，收弧后应仔细检弧坑处，发现有微裂纹应打磨除去。
7.3焊接工艺参数
本项目采用的焊接工艺参数。
8、焊接接头质量检查
（1）外观质量要求符合GB-《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》与SH/T-《石油化工铬镍奥氏体钢，铁镍 和镍 管道焊接规程》相关要求。
（2）所有对接焊缝％射线探伤。
（3）Inconel打底焊后、钨极氩弧焊焊完后和全部焊接完毕后，必须做％渗透检测，全部合格后，方可进行下一道工序。
（4）执行无损检测标准：JB/T-《承压设备无损检测》。
消应力热处理
堆焊一层后，需要进行消应力热处理，整体加热℃，炉内保温2小时后空冷，以此方法可以消除80%~90%的焊接残余应力，全部焊后将无需再进行任何热处理。
9、焊后组织及性能
金相组织分析
QR基体、HAZ、熔合区和Inconel堆焊层组织轮廓清晰，无裂纹、气孔和夹渣等缺陷。 酒精对铁素体的腐蚀性较弱，呈白色，渗碳体呈黑色，从A中可观察到整个QR基体呈规律的片层状珠光体组织。从HAZ到熔合区，铁素体晶粒热受到焊接热的影响而长大，由于熔合线两侧的碳化物形成元素含量差异较大，尤其是铬与钼的差异造成了较大的化学势梯度，引起碳向堆焊层的迁移，但堆焊层中镍含量很高，可有效阻止碳的迁移，及时避免了珠光体侧脱碳层和焊缝侧的增碳层的形成，致使碳扩散的迁移层仅在珠光体侧的熔合线附近形成。堆焊层D为树枝状的奥氏体组织，说明焊缝在形成过程中，液相温度梯度小，固-液相界面前沿存在较大的成分过冷度，堆焊层与基体熔合良好，未见分离现象。
10、硬度检测
采用维氏硬度检测方法，设定载荷gf，压力0.N，压制持续时间10S，平均硬度值的分布见图5。Inconel堆焊层中大量的 元素发挥了重要的作用，显著提高了焊缝的强度，HAZ组织部分粗化，但并未出现严重的分布不均，致使其硬度高于基体，最终堆焊试样的硬度呈现出一个逐渐上扬的趋势。
