研製高品質哈氏合金、高溫合金、鎳基合金
由於高壓換熱器進出口母材材質為 12Cr2Mo1，焊前需進行預熱、焊後需進行熱處理，極大地增加了現場焊接施工的難度，為了解決這一難題，該設備出廠前在其出入管口處堆焊了一層 8mm 厚的鎳合金材料，材質牌號為 Inconel 625。鎳合金 Inconel 625 為美國牌號，屬於耐高溫、抗腐蝕性材料，焊接難度大。本文通過現場的實際施工過程為依據，對鎳合金 Inconel 625 的焊接工藝進行介紹。
1、 鎳合金材料的可焊性分析
鎳合金具有單向組織，焊接會產生焊縫的宏觀裂紋和微裂紋。故 Inconel 625 焊接時最常出現的缺陷是熱裂紋，主要原因是由於硫、鉛、磷或低熔點金屬混入，形成晶間薄膜引起高溫下嚴重脆化而引起的，特別是硫、磷共晶物熔點比鎳鐵低很多，在焊縫結晶時低熔點共晶物的液態膜殘留在晶界區。另外焊接熱輸入大，使焊縫接頭過熱產生粗大晶粒。在粗大的柱狀晶粒邊界上集中了一些低熔點共晶體，它們的強度低、脆性大，在焊接應力的作用下很容易形成熱裂紋。
焊接時還需避免的另一缺陷是氣孔，鎳合金熔池稠，流動性差，在焊接快速冷卻時，極易產生氣孔，氧氣、氫氣、氮氣、二氧化碳、一氧化碳氣體在熔化的液態鎳基合金中溶解度極大，而在固態下溶解度大大減小，鎳基合金焊接過程從高溫變冷時，氣體在熔敷金屬中的溶解度也隨之下降。游離出來的氣體在流動性差的液態鎳中不能在焊縫凝固前完全溢出而形成氣孔。而且流動性差也易產生夾渣缺陷。
結晶裂紋屬於焊接熱裂紋，一般產生於固、液相線溫度區間範圍內，即焊縫結晶後期，故以此命名。Inconel625焊接時的結晶裂紋敏感性非常高，主要因為結晶過程中，微量元素硫、磷和碳會向晶界聚集，碳促進了硫、磷的偏析，而焊縫中含有大量的鎳，它極易在晶界位置與硫化合生成硫化鎳，鎳與硫化鎳混合產物的熔點僅為630℃左右，屬於低熔共晶物，削弱了晶粒間的相互作用，使得焊縫在拉應力的作用下沿晶界發生開裂。
消除Inconel625焊接中的結晶裂紋可採取多種措施：首先，焊前清理十分重要，用砂輪打磨或用丙酮擦拭，去除表面氧化皮、油汙和其他汙染物，避免硫、磷等雜質混入熔池；其次，制定合理的焊接工藝參數，採用小的焊接電流和焊接熱輸入；最後，可採用抗裂性能較好的焊接材料。
冷裂紋
與結晶裂紋相比，Inconel625焊接冷裂紋的傾向並不大，這歸因於它在焊接過程中或焊後並沒有誘發冷裂紋的因素：Inconel625的氫含量非常稀少，加強氣體保護就可有效降低氫在熔敷金屬中的擴散；Inconel625碳含量少，淬硬傾向小，成功抑制了焊後馬氏體轉變，避免了脆化裂紋；而且Inconel625具有一定的塑性，當焊後冷卻至室溫或更低溫度時，其本身的塑性就能夠抵抗由於溫度降低產生的收縮應力，避免冷裂紋的產生。
氣孔
鎳基合金Inconel625對氫、氧形成的氣孔十分敏感。氧在鎳中的溶解度會隨著溫度的降低逐漸減少，當溫度由1720℃降為1470℃時，氧的溶解度可從1.18%減少為0.06%，析出的氧迅速與鎳結合，形成氧化鎳，但在熔合區附近，液態鎳中的氫可使氧化鎳中的鎳還原，形成氣孔。
減少氣孔的產生需要通過嚴格的焊前清理和氣體保護來實現。
2、 焊接方法
考慮到現場施工特點，焊接時採用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充蓋面的方法。氬弧焊打底時，為防止合金元素被氧化，背面必須充氬保護。
3 、焊材選用
焊材選用根據焊件的化學成分、力學性能、使用條件和施焊條件進行綜合考慮。鎳合金的焊接，宜選用和母材合金系統相同的焊接材料，焊材選用。
考慮到國內部份生產廠家焊材質量的不穩定性，建議採用進口焊材或上海電力、四川大西洋品牌的焊材。
4、 焊材烘乾
焊條使用前應按焊條產品說明書進行烘乾。烘乾後的焊條應儲存在 100～150℃左右的恆溫箱內，焊工領用時，應用合格保溫筒領取，如領用時間超過 4h，應重新烘烤，但重新烘烤次數不得超過 2 次。焊條烘烤溫度。
5 、施工環境
高溫管道施工時，焊接環境出現如下情況時，必須採用有效保護措施（如篷布，加熱等），方可施焊，否則禁止施焊。
（1） 環境溫度低於0℃；
（2） 手工焊時，風速大於 8m/ s；鎢級氬弧焊時，風速大於2m/ s；
（3） 空氣相對溼度大於90％；
（4） 雨、雪天氣。
6 、施工準備
6. 1 焊工要求
根據有關規定要求，焊接鎳基材料的焊工須按GB50236- 1998《現場設備工業管道焊接工程施工及驗收規範》中要求的內容、方法和結果進行考試，須按《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規則》進行焊工考試的組織、監督、發證和持證焊工的管理。
焊接鎳基材料的焊工必須按評定合格的焊接工藝進行考試，考試合格並取得相應的資質證方可承擔相應焊接工程的施工。
6. 2 焊接工藝卡
現場施焊時，必須依據合格的焊接工藝評定製訂焊接工藝卡，指導焊接施工。
6. 3 焊縫組對
(1) 對接焊縫坡口形式及尺寸。
(2) 組對錯邊量要求
管道或焊件組對時，內壁應平齊，內壁錯邊量不宜超過0. 5mm；外壁錯邊量不宜超過 1. 0mm。
(3) 定位焊接尺寸
焊口定位焊接採用根部定位焊縫形式，定位焊的焊縫長度、厚度、間距，應能保證焊縫在焊接過程中不開裂。
若用實芯焊絲鎢級氬弧焊進行定位焊，則焊縫背面應進行充氮保護；焊縫的長度宜為10～15mm，且不超過壁厚的 2/ 3。
7 、焊接工藝
7. 1 焊前清理
鉛、硫、磷和某些低熔點元素能增加鎳合金焊接裂紋傾向，因此，在焊件焊接前，必須完全清除這些雜質。施工前用角向磨光機把坡口內外兩側表面 50mm 範圍內的油、漆、鏽、垢、毛刺等雜物清除乾淨，且不得有裂紋、夾層等缺陷。
7. 2 焊接工藝要求
（1） 焊接時必須保證焊透和熔合性，保證焊縫質量，為了減少熱裂紋，在保證焊透的前提下，儘量採用小的線能量、短電弧，不擺動或小擺動的操作方法。
（2） 焊縫多層焊時，採用小電流多層多道焊。層間溫度須控制在100℃以下，層間檢查要仔細、清理要徹底，各層各道之間應相互錯開。
(3） 氬弧焊打底時，背面必須充氬保護，保護措施可採用局部充氬（坡口兩內側貼水溶性）。管道充氬開始時流量適當加大，待管內空氣排乾淨後方可施焊。焊接時氬氣流量逐步降低，避免氬氣流量偏大，管內壓力偏高而造成焊縫背面在成型時出現內凹或根部未焊透現象。
（4） 焊接時層間溫度必須嚴格控制，測量採用紅外測溫儀，低於100℃時方可進行下一層焊接。
（5） 每一層焊道必須清理乾淨方可進行下一層焊接；焊後及時將焊縫表面的熔渣和飛濺清理乾淨，焊接過程中缺陷清理用角向磨光機打磨時，必須防止局部熱量過高而產生熱裂紋。
（6） 由於線能量要求小，採用鎢極氬弧焊打完底後，焊肉較薄，為保證焊接質量，打完底後先做滲透檢查看是否有裂紋，合格後繼續用鎢極氬弧焊進行焊接，待採用鎢極氬弧焊焊完三層後再做滲透檢查，合格後方可用焊條電弧焊進行焊接，焊接完畢後清理乾淨焊縫表面雜物，再進行滲透檢查。
（7） 焊接中應確保引弧和收弧質量，收弧時應將弧坑填滿。鎳合金焊接時，在收弧處易產生弧坑裂紋，收弧後應仔細檢弧坑處，發現有微裂紋應打磨除去。
7. 3 焊接工藝參數
本項目採用的焊接工藝參數。
8 、焊接接頭質量檢查
（1） 外觀質量要求符合 GB 50236- 1998《現場設備工業管道焊接工程施工及驗收規範》與SH/ T 3523- 1999《石油化工鉻鎳奧氏體鋼，鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規程》相關要求。
（2） 所有對接焊縫 100％射線探傷。
（3） Inconel625打底焊後、鎢極氬弧焊焊完後和全部焊接完畢後，必須做100％滲透檢測，全部合格後，方可進行下一道工序。
（4） 執行無損檢測標準：JB/ T4730- 2005《承壓設備無損檢測》。
消應力熱處理
堆焊一層後，需要進行消應力熱處理，整體加熱620℃，爐內保溫2小時後空冷，以此方法可以消除80%~90%的焊接殘餘應力，全部焊後將無需再進行任何熱處理。
9、焊後組織及性能
金相組織分析
Q345R基體、HAZ、熔合區和Inconel625堆焊層組織輪廓清晰，無裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。硝酸酒精對鐵素體的腐蝕性較弱，呈白色，滲碳體呈黑色，從A中可觀察到整個Q345R基體呈規律的片層狀珠光體組織。從HAZ到熔合區，鐵素體晶粒熱受到焊接熱的影響而長大，由於熔合線兩側的碳化物形成元素含量差異較大，尤其是鉻與鉬的差異造成了較大的化學勢梯度，引起碳向堆焊層的遷移，但堆焊層中鎳含量很高，可有效阻止碳的遷移，及時避免了珠光體側脫碳層和焊縫側的增碳層的形成，致使碳擴散的遷移層僅在珠光體側的熔合線附近形成。堆焊層D為樹枝狀的奧氏體組織，說明焊縫在形成過程中，液相溫度梯度小，固-液相界面前沿存在較大的成分過冷度，堆焊層與基體熔合良好，未見分離現象。
10、硬度檢測
採用維氏硬度檢測方法，設定載荷100gf，壓力0.981N，壓制持續時間10S，平均硬度值的分布見圖5。Inconel625堆焊層中大量的合金元素髮揮了重要的作用，顯著提高了焊縫的強度， HAZ組織部分粗化，但並未出現嚴重的分布不均，致使其硬度高於基體，最終堆焊試樣的硬度呈現出一個逐漸上揚的趨勢。