蒙乃爾合金NCu30材料焊接工藝

趙瑞輝

1. 概述

我公司制作的一臺EDC裂解單元用急冷塔底料汽提塔，主要介質(zhì)為裂解氣，主體材料為Q345R，進(jìn)料管口處考慮到裝配方便、介質(zhì)的腐蝕性等因素，采用了對焊環(huán)松套法蘭（LF/SE）（見圖1），其結(jié)構(gòu)主要由翻邊短節(jié)、帶頸法蘭、接管組成，其中翻邊短節(jié)和接管設(shè)計選用NCu30材料，規(guī)格為φ60.3×5.6mm，帶頸法蘭材料為16MnⅡ鍛件。 翻邊短節(jié)與接管對接連接，接管與產(chǎn)品殼體及補(bǔ)強(qiáng)圈角接連接。

圖1 對焊環(huán)松套法蘭結(jié)構(gòu)形式

該管口涉及到材料NCu30與NCu30，NCu30與16MnⅡ（Q345R）之間的焊接。本文重點(diǎn)介紹NCu30的焊接性，通過焊接工藝評定試驗，確定了合適的焊接工藝，并應(yīng)用于產(chǎn)品焊接生產(chǎn)。

2. 焊接性分析

NCu30材料為Ni-Cu合金，又稱為蒙乃爾合金，該材料與ASME SB127規(guī)范中材料UNS編號N04400相同，兩種材料化學(xué)成分和力學(xué)性能對比如表1和表2所示。蒙乃爾合金是一種以金屬Ni為基體，添加Cu、Fe和Mn等其他元素而成的合金，組織結(jié)構(gòu)為單相奧氏體組織。該合金具有良好的耐蝕性和冷熱加工性能，廣泛應(yīng)用在石油化工及海洋開發(fā)等領(lǐng)域，用來制造各種換熱設(shè)備、石油和化工管線等。

表1 NCu30和N04400材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 NCu30和N04400材料力學(xué)性能

蒙乃爾合金材料焊接時容易產(chǎn)生氣孔和裂紋缺陷，其原因分析如下：

（1）氣孔 蒙乃爾合金焊接產(chǎn)生的氣孔有H2氣孔、CO氣孔和H2O氣孔。H2氣孔和CO氣孔的產(chǎn)生是由于焊前清理不到位，焊接過程中保護(hù)氣體被破壞造成的，H2O氣孔形成于焊道的熔合線附近及起弧和接頭處較多。這是因為在焊接過程中焊道周邊區(qū)域在引弧和接頭處冷卻快，結(jié)晶速度快，加之這些區(qū)域往往保護(hù)較差，母材或空氣中H進(jìn)入熔池來不及逸出，而與NiO反應(yīng)形成H2O氣孔。

（2）裂紋 當(dāng)蒙乃爾合金與Q345R焊接時，在應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生熱裂紋缺陷。另外，由于蒙乃爾合金的導(dǎo)熱性差，焊接時熱量不易擴(kuò)散，易產(chǎn)生過熱，造成晶粒粗大，減弱晶間結(jié)合力，所以也增大了熱裂紋的傾向，降低接頭的塑性和耐蝕性。

3. 焊接工藝試驗

（1）焊接方法 蒙乃爾合金焊接可采用氬弧焊、焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和埋弧焊等各種焊接方法。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于對焊環(huán)松套法蘭中接管與翻邊短節(jié)直徑較小，壁厚較薄，且產(chǎn)品主筒體為φ600mm，內(nèi)部空間較小，所以兩個接頭均采用氬弧焊在外部進(jìn)行單面焊。

（2）焊接設(shè)備 選用威特力WSME—315逆變交直流脈沖氬弧焊機(jī)，直流正接（見圖2）。

（3）焊接材料 為保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性不低于母材要求，NCu30之間焊接選用成分與母材相同的錦州特種焊條有限公司生產(chǎn)的ERNiCu—7焊絲，φ2.0mm，NCu30與Q345R之間焊接選用京群的ERNi—1純鎳焊絲，φ1.6mm。其化學(xué)成分如表3所示。

圖 2

圖3 坡口形式

表3 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

焊接時，接頭正反面均采用氬氣保護(hù)，純度為99.99%Ar，正面流量為8~10L/min，反面流量為6~8L/min。鎢極選用鈰鎢極，規(guī)格為φ2.4mm，尖端磨平形成錐形，直徑約為0.4mm，可保持電弧的穩(wěn)定和足夠的熔深。

（4）坡口設(shè)計 由于鎳基合金液態(tài)焊縫金屬具有流動性較差和熔深較淺的工藝特性，不容易潤濕展開，所以接頭需提供足夠的空間便于金屬填充，坡口應(yīng)采用較大的根部間隙和坡口角度，較小的鈍邊高度，以防止焊接時出現(xiàn)未熔合和未焊透缺陷。工藝評定試驗采用對接接頭的坡口形式。坡口應(yīng)采用機(jī)加工或等離子弧切割，不能采用氧乙炔切割。

（5）焊前清理 焊件表面的清潔性是成功焊接鎳基耐蝕合金的關(guān)鍵。焊前清理應(yīng)在任何形式的加熱之前，清理方法根據(jù)被清理物質(zhì)的種類，采用溶劑、鹽酸溶液或磨削、噴丸、打磨及機(jī)加工等方法。清理內(nèi)容包括接頭表面的氧化物，凡能與Ni形成低熔點(diǎn)共晶的有害元素（如S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb和As等）以及生成物（油污、漆、涂料、標(biāo)記筆痕跡、墨水、測溫筆痕跡、切削液及車間灰塵等）；清理范圍包括焊絲、坡口、坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的材料表面，以及與接頭相接觸的工具等。

（6）預(yù)熱和道間溫度 為防止蒙乃爾合金材料過熱，應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和焊縫道間溫度，道間溫度應(yīng)控制在≤100℃。蒙乃爾合金焊接一般不進(jìn)行預(yù)熱，而當(dāng)母材溫度＜15℃時，可將接頭兩側(cè)250~300mm區(qū)域預(yù)熱到15~20℃，以去除濕氣。

（7）焊接參數(shù) 根據(jù)蒙乃爾合金的焊接性選擇焊接參數(shù)，為防止其產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入，多層多道焊，焊接時為獲得良好焊縫成形，可以適當(dāng)微擺動。制定的焊接參數(shù)如表4所示。

（8）焊接工藝評定 按照NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求，由于NCu30與ASME材料N04400化學(xué)成分和力學(xué)性能相同，所以選用了5.5mm厚的N04400和Q345R板材進(jìn)行了兩組焊接工藝評定試驗，一組為N04400與Q345R異種材料焊接，驗證接管與筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接工藝，評定編號為PQR1311；一組為N04400與N04400相同材料焊接，驗證翻邊短節(jié)與接管的焊接工藝，評定編號為PQR1312。兩組評定試件采用對接接頭形式。

試件焊后經(jīng)100%RT和100%PT檢測，無缺陷后進(jìn)行拉伸、彎曲及沖擊等試驗項目，試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可看出，兩組工藝評定試樣的抗拉強(qiáng)度均大于退火狀態(tài)蒙乃爾合金N04400母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度的最低值485MPa，且為塑性斷裂，面彎、背彎試樣彎曲到180°后，拉伸面上的焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)也沒有開口缺陷，滿足了NB/T47018標(biāo)準(zhǔn)要求。對于N04400與Q345R的異種材料焊接工藝評定，在焊縫及Q345R側(cè)熱影響區(qū)部位取樣進(jìn)行了-20℃沖擊試驗，沖擊吸收能量＞31J，同樣滿足NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求。

由此可見，試件經(jīng)無損檢測合格后取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能和沖擊性能結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，證明制定的焊接工藝可以保證焊接接頭的力學(xué)性能。

表4 焊接參數(shù)

表5 焊接工藝評定試驗結(jié)果

4. 產(chǎn)品焊接應(yīng)用

（1）接管與翻邊短節(jié)焊接 接管與翻邊短節(jié)焊接接頭形式如圖3所示，焊前將坡口及其兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的雜質(zhì)清除，并采用丙酮擦洗母材和焊絲表面。焊接時接管內(nèi)充氬氣保護(hù)，按照正確方法進(jìn)行定位，焊接從定位端開始，焊槍盡量不擺動或微擺，控制焊縫成形，打底層應(yīng)保證焊透，填充層焊接速度要快，控制焊縫道間溫度＜100℃，以免材料過熱。焊接過程中若發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷，應(yīng)及時清除，并重新焊接。焊接后接頭表面進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

（2）接管與筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈焊接 接頭形式如圖4所示，焊前除清除坡口及其兩側(cè)范圍內(nèi)的雜質(zhì)外，坡口還應(yīng)采用火焰適當(dāng)進(jìn)行預(yù)熱至15℃，焊絲表面及接管待焊部位采用丙酮擦洗。焊接時背面通氬氣保護(hù)，試件位置為垂直固定平焊，先焊接接管與筒體焊縫，焊后進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。再進(jìn)行接管與補(bǔ)強(qiáng)圈焊接，焊槍可適當(dāng)微擺，多層多道焊，保證液態(tài)焊縫金屬充滿坡口，防止產(chǎn)生未熔合缺陷?？刂坪缚p道間溫度≤100℃，以免材料過熱，焊接時電弧偏向接管一側(cè)，以減少Q(mào)345R在焊縫中的熔合比。焊接后接頭表面進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

圖3 接管與翻邊短節(jié)焊接接頭形式

圖4 接管與筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈焊接接頭形式

5. 結(jié)語

通過采用上述焊接工藝，獲得了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接接頭，并且此工藝已成功應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)中，取得了良好的效果。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊：材料的焊接[M]. 第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2] 王貴生. 蒙乃爾合金的焊接[J]. 焊管，2000（4）：32-34.