N08020ALLOY20NS143的性能与焊接技术培训资料.docx

N08020ALLOY20NS143的性能与焊接技术

精品文档
N08020/ALLOY20/NS143的性能与焊接技术
  合金20Cb-3，UNS系统编号：N08020，符合ASTM B729及ASME SB729标准，在ASME-2001第IX卷《焊接和钎焊评定标准》中材料类别为P No.45，国内尚无对应牌号。该项目输送硫酸的管道所用管材、管件（材质为合金20Cb-3）均为国外供货，国内较为少见，其焊接资料也极为缺乏。提供以下资料以供参考。
ALLOY20是具有很多优异性能的耐蚀合金，对氧化性和中等还原性腐蚀有很好的抵抗能力，具有优异的抗应力腐蚀开裂能力和好的耐局部腐蚀能力在很多化工工艺介质中有满意的耐蚀特性。
UNS: N08020 /NS143
ALLOY20 的化学成分（图一）
合金
%
镍
铬
铜
钼
铁
碳
铌+钽
锰
磷
Inconel 20
最大
38
21
4
3
余量
0.07
1
2
0.045
最小
32
19
3
2

合金
%
硫
硅

Inconel 20
最大
0.035
1

最小

ALLOY20的物理性能
密度
8.08 g/cm3
熔点
1357-1430℃
Inconel 20的常温机械性能
合金状态
抗拉强度(MPA)
Rm N/mm2
屈服强度（MPA)
RP0.2N/mm2
延伸率
A5 %
Inconel 20
620
300
40
ALLOY20的应用：
ALLOY20可以用来湿法冶金及硫酸工业装置等等。在材料领域中,可以用来制作钢材、锻件、带材、丝材、螺栓、螺母等等。
1化学成分及其力学性能
合金20Cb-3是一种专门设计的用于抗硫酸腐蚀的Ni-Cr-Mo系奥氏体不锈钢，其化学成分见表1。其力学性能为：抗拉强度σb≥551MPa，0.2%屈服强度σs≥331 MPa， 延伸率δ%≥30％，最大布氏硬度217HB。从化学成分分析，由于Ni、Cr、Mo、Cu等合金元素特别是Nb＋Ta（Nb，铌，旧名钶，元素符号Cb，名称中的Cb也因此而来）的加入使得合金20的耐腐蚀性特别是耐热硫酸腐蚀性能非常优良，常用来代替316不锈钢用于应力腐蚀较严重的场合，一般不需焊后热处理即可用于腐蚀环境下。但与其它高镍奥氏体不锈钢一样，合金20Cb-3在焊接时存在一些问题。
1 Inconel 20的化学成分参考上述图一。
2 焊接性能分析
合金20Cb-3材料本身耐腐蚀性能十分优良，但如果焊接接头存在缺陷将直接导致焊缝被优先腐蚀造成事故。由于合金20Cb-3镍含量高，而镍的焊接性能较差，同其它高镍合金一样，合金20Cb-3在焊接过程中易出现焊接热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀裂纹等问题。所以，在制定焊接工艺时均需考虑。
2.1焊接热裂纹
合金20Cb-3在焊接时产生的焊接热裂纹主要有3种：结晶裂纹(也称凝固裂纹)。由于焊缝结晶偏析，造成在结晶后期以液态膜形式存在于晶界间的低熔点共晶削弱了晶粒间的联接，在拉应力的作用下发生开裂。液化裂纹。形成机理在本质上与结晶裂纹相同，都是由于晶间有脆弱低熔相或共晶，在高温下承受不了力的作用而开裂，区别仅在于结晶裂纹是液态焊缝金属在凝固(或结晶)过程中形成的，而液化裂纹则是固态的母材受热循环的峰值温度作用下使晶间层重新熔化后形成的。多边化裂纹。已凝固的结晶前沿在高温和应力的作用下，晶格缺陷由高能部位向低能部位转化，即发生迁移和聚集，形成了二次边界，又叫多边化边界，在焊后的冷却过程中，因其热塑性降低，在应力作用下沿多边化的边界产生裂纹。这3类裂纹中结晶裂纹产生的频数最高。
2.2晶间腐蚀
晶间腐蚀是指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接遭到破坏。其实质是在焊接高温下，碳元素不断地向晶粒边界扩散，并和Cr结合形成Cr23C6，造成晶粒边界贫铬，在腐蚀介质作用下，即可产生晶间腐蚀。
2.3应力腐蚀开裂
由于合金20Cb-3合金含量高，与碳素钢、普通奥氏体不锈钢比较，其密度较大，比热小，热导率低，线胀系数大，焊后存在较大的焊接残余应力，为应力腐蚀开裂创造了必要条件。此外，由于焊接热过程导致接头碳化物析出敏化，促进了应力腐蚀的发生。
3 焊接工艺
3.1防止焊接缺陷的工艺措施
（1）防止热裂纹 焊接时严格控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量，改善焊缝结晶形态，选用的焊材中含微量的细化晶粒元素Mo，以提高其抗裂性能。在焊接工艺上采用小电流短电弧不摆动或小摆动的多层多道焊，严格控制热输入，降低接头的刚度和拘束度，减小结晶过程的收缩应力。
（2）防止晶间腐蚀 严格控制焊材的碳含量，通过焊接材料使焊缝金属成为超低碳(C％<0.003％)的奥氏体，选用含有Nb或Ti等稳定化元素的奥氏体焊接材料。在工艺方面，焊接时尽量减少过热，采用小焊接热输入，避免交叉焊缝，增大焊后冷却速度，同时严格控制焊接过程中焊缝区渗碳。
（3）防止应力腐蚀的措施 采用合理的焊接顺序、焊接中尽量减小接头拘束度以及管道无应力组对均可缓解或防止焊缝金属的应力腐蚀。
3.2 焊接方法
钨极氩弧焊焊接线能量小，过热区小，冷却速度快，高温区间停留时间短，可满足上述要求，故选用手工钨极氩弧焊。
3.2焊接材料
焊材选用ER320LR（符合AWS A5.9-1993），其化学成分见表2。
表2 ER320LR焊丝的化学成分
元素
Ni
C
Cr
Cu
Mo
Mn
P
S
Si
Fe
Nb＋Ta
化学组成%
33.71
0.005
20.44
3.53
2.40
1.8
0.002
0.004
0.05
R
0.16
3.3焊接工艺试验
根据合金20Cb-3钢材及焊丝ER320LR的工艺性能，结合相类似材料的焊接经验参数，经过反复试验,确定试验焊缝的工艺参数如表3所示,焊接工艺要点如下：铈钨极直径2.5mm，喷嘴直径14mm，层间温度不大于100℃，坡口形式为V形坡口，角度（65±5）°，钝边1 mm，间隙2.0~2.5 mm。据此进行现场焊接工艺试验,焊接试件数量3件。实际焊接参数记录见表4，焊后经24h自然冷却，进行外观检查和X射线检测，并依据ASME-2001第IX卷《焊接和钎焊评定标准》及JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》的要求对试件进行力学性能试验，结果见表5。

表3 合金20Cb-3钢管焊接工艺参数范围
焊接层数
焊接
方法
填充金属
工艺参数
氩气流量/L·min-1
焊接速度/cm·min-1
焊丝牌号
直径/mm
电流/A
电压/V
1
GTAW
ER320LR
φ2.0
65～100
9~12
正：8～12
背：10～15
7～15
≥2
GTAW
ER320LR
φ2.0
70～100
9~12
7～15

表4 试件焊接过程中工艺参数
焊接层数
焊接
方法
填充金属
工艺参数
氩气流量
/L·min-1
焊接速度
/cm·min-1
焊丝牌号
直径/mm
电流/A
电压/V
1
GTAW
ER320LR
φ2.0
70
10
正：9 背：15
8
2
GTAW
ER320LR
φ2.0
80
11
正：10 背：11
9
3
GTAW
ER320LR
φ2.0
80
11
正：9
9

表5 试件外观检查、射线检测及力学性能试验结果
试件编号
宏观检查
无损检测
拉伸试验
弯曲试验
片数
级别
σb/MPa
断裂部位
结果
类别
弯曲角度
结果
ALLOY20-1
合格
6
Ⅰ
569、
576
母材
合格
面弯2件
180°
合格
背弯2件
180°
合格
ALLOY20-2
合格
6
Ⅰ
575、
566
母材
合格
面弯2件
180°
合格
背弯2件
180°
合格
ALLOY20-3
合格
6
Ⅰ级5张
Ⅱ级1张
573、
578
母材
合格
面弯2件
180°
合格
背弯2件
180°
合格
从表5结果可知，三个试件的外观检查、射线检测及力学性能试验结果均满足相关规范要求，该工艺参数可用于现场施工。
4 焊接
4.1焊材管理
建立严格的焊材保管、发放和回收制度，保证在整个施工过程中始终处于受控状态。焊材入库前，按比例进行光谱分析，确认无误后做好材料标识。领用时由施焊焊工填写焊材领用申请单，由焊接技术员审核，焊接工程师确认后由保管员发放，施焊过程中由焊接检查员检查执行情况。
4.2焊接注意事项
在合金20Cb-3管道的焊接过程中，除严格执行工艺参数外①施工场地保持清洁，严禁管材与碳钢直接接触，所有管材及管道组件放置在木方或不锈钢垫板上。②组焊前，坡口两侧各50mm范围内清理干净，坡口及焊丝用丙酮清洗干净。③焊工必须使用专用的刚玉砂轮片打磨坡口，所用的钢丝刷及其它工具全部由不锈钢制成。④严格控制组对质量，禁止强力组对，组对错边量应不大于0.5mm。⑤所有焊机应带有高频控制箱，焊接时使用高频引弧，严禁钨极直接接触母材引弧，焊接息弧时应填满弧坑，并磨去弧坑缺陷。⑥焊接时管内充氩气保护，气体纯度不小于99.99%。⑦焊接时焊丝的加热端应置于氩气的保护内，每层焊道的接头应错开，层间温度不大于100℃后方可进行下一层焊道的焊接。⑧为避免焊缝在热敏感区停留时间过长，焊接时可用湿布擦拭焊缝两侧，加快焊缝冷却速度，但水中氯离子质量分数不得超过25×10-6。⑨焊件表面不得有电弧擦伤，不得打焊工钢印，只能用记号笔标明焊工号和焊缝号。⑩管道焊接完成后，及时对焊缝进行酸洗、钝化处理。
4.3 施焊
根据表4的工艺参数及各注意事项制订了严格的合金20Cb-3管道焊接工艺和焊接规程，并按此焊接工艺和焊接规程对该项目的所有合金20Cb-3管道焊接接头施焊。为确保焊接质量，在施焊前由焊接工程师组织对所有作业人员进行技术交底；在施焊过程中加强现场检查力度，确保焊接工艺和焊接规程的严肃执行；在焊接完成后，在作业班组“自检、互检”的基础上，由专职焊接检查员及时进行“专检”，合格后方可进入下道工序。
4.4检验
焊接完成后，将焊缝表面清理干净，依据GB50236-1998《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》及JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》对焊缝进行外观检测。主要通过用放大镜或目测来检查焊缝的表面缺陷，检查是否有裂纹、烧穿、弧坑、咬边、表面气孔等缺陷。焊缝外形尺寸用焊缝检验尺检查是否符合规范要求。在外观检查合格后按照设计要求按比例依据JB4730-94《承压设备无损检测》进行无损检测。在焊接接头全部完成且其它检验项目已全部合格后，对整个管道系统用液体做强度试验，以检验管道及焊接接头的强度。
上海屹禾合金材料科技有限公司在从事镍基合金生产和销售十几年中，总结出20合金的
特殊性能与应用技术，特别是在管道焊接方面的应用技术已趋于成熟。上海屹禾合金材料科技有限公司技术顾问刘建群欢（18217538983）迎镍基合金生产方面同仁和压力管道元件、化工设备制造者共同探讨；希望在材料的使用与供应过程中带给你帮助！

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除