镍基20合金等离子焊裂纹分析及解决方案
文章摘要：（由ai生成）在镍基20合金管道项目中，采用PAW和GTAW焊接方法时，管子端部近息弧板处出现裂纹。20合金是耐腐蚀的镍基合金，适用于500℃以下。裂纹分析确定为焊缝凝固裂纹，与液态薄膜、杂质元素及拘束有关。为解决问题，采取了减少合口间距、加长点焊焊点、牢固焊接息弧板等措施，有效预防了裂纹产生。
项目背景：今年我司镍基20合金(UNS N08020)管道项目，规格φ323.8×9.53mm，单根长度6000mm，板材制造商为日本冶金工业株式会社，炉号51455。管子采用板卷制焊接成形，焊接方法为等离子（PAW）+机械氩弧焊（GTAW），其中PAW自熔打底，GTAW加丝填充盖面。在PAW自熔打底时发现多根管子端部接近息弧板处焊后开裂，裂纹沿焊接方向，居中分布，如图1所示：
图1 镍基20合金等离子焊裂纹
材料介绍：20合金(UNS N08020)是一种低碳、铌稳定化的奥氏体镍-铁-铬、同时添加铜和钼的固溶强化镍基合金。具有优良的抗磷酸、硫酸和有机酸腐蚀性能；良好的抗晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性能，同时具有优良的抗氯离子诱发应力腐蚀开裂性能；由于其在500℃及以下抗拉强度、屈服强度下降值很少，所以此材料可在500℃及以下的温度范围内使用。具体化学成分见表1所示，铁为余量：
焊接工艺：PAW 焊接电流240~250A，焊接速度27~28cm/min，离子气95%Ar+5%H2，流量6~7L/min.，不加丝自熔打底，坡口型式见图2所示：
裂纹分析：在PAW自熔打底时发现多根管子端部接近息弧板处焊后开裂，如图1所示。根据固溶强化镍基合金焊接裂纹的分类，我们采用了排除法进行对裂纹进行定性。
1. 液化裂纹。液化裂纹又分为热影响区液化裂纹和焊缝金属液化裂纹，其开裂一般要求三个条件，首先在显微组织中必须发生局部液化；第二，液相和晶界相互作用、润湿晶粒；第三，有一定的拘束度（拘束度一般指焊接接头的综合受力情况）。
我们这个裂纹在焊缝中间，所以显然不是热影响区液化裂纹。而焊缝金属液化裂纹是指再次加热的焊缝金属（如多层多道焊缝）所特有的，我们现在只有一道打底焊，也不符合焊缝金属液化裂纹特性，所以排除液化裂纹可能性。
2.失塑裂纹。失塑裂纹是指在合金在固相线温度与接近一半固相线温度的范围内，塑性快速下降，此时如果在拘束度的作用下塑性全部耗尽，就会产生裂纹。对于镍基合金来说失塑裂纹温度范围一般在800~1150℃，多发生在焊缝金属中，具有固态失塑特性材料的塑性—温度关系如图3所示：
失塑裂纹对粗晶、平直、干净的晶界最为敏感，而具有弯曲状晶界的焊缝金属对失塑裂纹抵抗力最强。
20合金含有Nb，在焊缝凝固末期通过共晶反应会生成NbC析出相，这些析出相会钉扎住焊缝金属的晶界防止其迁移变直，这样就形成了弯曲状的晶界，所以20合金对失塑裂纹有一定的抵抗力；另外产生失塑裂纹的拘束度来自多层多道焊的残余应力积累，在后续焊道加热时应力释放导致晶界开裂，与应力松弛裂纹较像，但应力松弛裂纹需要的时间很长。以上分析可以排除失塑裂纹的可能性。
3.焊缝凝固裂纹。焊缝凝固裂纹是指焊缝在凝固时晶界存在液态薄膜，在拘束度的作用下开裂。液态薄膜是富镍的共晶液体，如Ni-S等。拘束因素包括内在和外在两个方面，内在的拘束产生于凝固期间的自然收缩，因为所有金属在凝固期间均会发生体积上的缩小，此外材料的强度、工件尺寸和厚度、接头设计、焊道尺寸和形状也会影响内在拘束；外在拘束主要由机械夹具、工装所导致。
焊缝凝固裂纹在焊后立即出现，并优先沿凝固晶界发生，即焊缝的中心线位置。一是因为此处是最后凝固的，杂质元素S、P、B在此偏析聚集，促使形成低熔点液态薄膜，提高开裂敏感性；二是因为内、外拘束均在中心线处达到最大。此外焊缝深宽比对凝固裂纹影响较大，如图4所示。
裂纹定性：对比管子端部焊接裂纹出现的时间、位置、焊缝形状、深宽比及焊缝凝固裂纹的特性，我们判断其应该属于焊缝凝固裂纹。
解决方案：要想避免出现裂纹，就要找到产生裂纹的原因，才能更有针对性的采取措施。我们判断其属于焊缝凝固裂纹，那么我们就从影响焊缝凝固裂纹的因素分析。
首先，焊缝金属成分对凝固裂纹有着决定性的作用，它在冶金过程中决定着液态薄膜的形态、数量及分布。我们这个焊缝属于自熔型焊缝，成分基本与母材一样，如果母材成分有问题，比如杂质含量过高，那么应该在其他位置也会出现同样的裂纹，而不是全部出现在管子端部接近息弧板处，况且母材已然既定，无法更改成分。
第二，焊缝的深宽比，由于我们采用PAW焊接，就是为了加大熔深，提高焊接效率，节省焊材，这是这种焊接方法的本质特性，也不方便调整。
第三，焊接工艺参数，低的热输入可以导致小的焊缝尺寸和焊缝晶粒度，同时也降低凝固收缩应变。但是PAW要一次焊透8mm的钝边，必须要有足够的电流和速度的匹配，所以焊接参数也没有太多的调整余量。
那么剩下的就只有拘束度的问题。拘束度是所有裂纹产生的重要和直接原因，因为没有力就不会开裂。我们的管子规格φ323.8×9.53mm，采用折弯成形，但不可能折到完全和管径一样，总会有20~30mm的间距，然后再通过合口机强力挤压、点焊来达到要求的管径尺寸。此时焊缝中间必然受到拉应力，间距越大，拉应力越大。另外在焊接时焊缝金属凝固体积收缩量一般在3~8%，也会对焊缝中心产生拉应力。而焊缝中心的压应力只有焊点和引、息弧板的作用。在管子焊接时，一开始焊缝受到其前方焊点、和息弧板的压应力作用，保持不开裂，但随着焊接的进行，此压力应越来越小，当抵消后拉应力大于凝固晶界的结合力时，就会造成开裂。所以裂纹都出现在靠近息弧板的管端部。
根据以上分析，我们采取了四个措施来预防其开裂，第一，管子折弯成形要求尽量减少合口间距；第二，点焊时加长焊点；第三，将息弧板与管端焊接更加牢固，以前只是浮焊；第四，加长在息弧板上的焊接距离，以前过息弧板10mm就停止焊接，后来我们要求至少过25mm才能停止焊接。以上四个措施都是为了减少拉伸拘束，经实践证明完全有效，很好的解决了这个问题。
来源：压力容器焊接
