严重影响焊接接头的机械性能和耐蚀性能 。 4 纯镍的焊接性试验
考虑到设备的结构特点 ,在进行焊接性试验时 ,采 用手工钨极氩弧焊 ( TI G) 的方法 ,试件为 650 ×150 × 10 的板件对接 ,单面 V 型坡口 ,角度为 60°,坡口间隙 为 2 mm ,无钝边 。焊丝采用 Φ2 mm 的 T GSNi - 1 。 其化学成分见表 2 。
表 2 TGSNi - 1 的化学成分 (质量分数) ( %)
C Si Mn S
P Ni Cu Ti Al Fe
0. 06 0. 41 0. 24 0. 001 0. 03 96. 23 0. 01 3. 02 0. 02 0. 01
焊接工艺参数见表 3 。
表 3 焊接工艺参数
焊接层数 1 、2
2002 年第 24 卷第 5 期 姜家仪 郑世锋 :纯镍材料焊接工艺优化
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纯镍材料焊接工艺优化
姜家仪 郑世锋
(齐鲁石化公司工程管理部 ,淄博 255408)
1 引言 纯镍是在工业生产中各种苛刻腐蚀环境下采用的
金属材料 。鉴于石油化工生产过程中高温 、高压和介
质强腐蚀性的特点 ,石油化工装置设备选材的要求很 高 ,烧碱装置的关键设备碱蒸发器就是采用纯镍制造 的 。我国石化行业烧碱装置的碱蒸发器过去基本是随
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化 工 建 设 工 程 2002 年第 24 卷第 5 期
对防止纯镍焊接产生热裂纹 ,是很有必要的 。另外 ,纯 镍材料的线膨胀系数较大 ,焊接过程中 ,易形成较大的 焊接应力 ,导致裂纹的产生 。 5. 1. 2 多边化裂纹
焊接过程是一个不平衡的冶金过程 ,焊缝金属由 液相向固相结晶速度很快 ,不平衡的结晶过程导致晶 体点阵原子排列不完整 ,形成了大量的空位 、位错等晶 格缺陷 。随着结晶过程的进行 ,这些空位 、位错逐渐合 并 、集聚 、扩大 ,最后形成了与一次结晶晶界不同的新 网界或亚晶界即多边化晶界 。该多边化晶界是薄弱 的 ,在一定的应力作用下 ,很容易形成多边化裂纹 。纯 镍材料为单相奥氏体组织 ,其焊缝金属的多边化晶界 形成和发展比较顺利 ,因此最后发展成多边化裂纹 。
通过焊接性试验 ,认识到填充材料的化学成分是 防止纯镍焊接产生缺陷 、保证焊接质量的一个关键因
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素 。焊丝 T GSNi - l 不是在该条件下焊接纯镍的最佳 焊材 ,同时 ,脱硫也不够充分 。最后 ,选用了冶金成分 配置较合理符合 AWS 标准的焊丝 ,型号为 ERNi - l , 该焊 丝 的 气 孔 敏 感 性 小 并 能 防 止 产 生 焊 接 裂 纹 。 ERNi - l 的化学成分见表 5 。
6. 3 坡口型式 纯镍焊接与低合金钢相比有低熔透性的特点 ,但
不能采用大线能量来增加熔透性 。坡口型式应选择较
大的坡口角度 ,同时为减少焊缝金属的填充量及焊接 应力 ,应采取双面 V 型坡口 。具体的坡口型式为 : 双 面 V 型坡口 、角度为 75°、钝边 1mm 、间隙 2mm 。 6. 4 焊接材料 6. 4. 1 焊丝
应停止使用 。同时 ,在每瓶氩气使用前 ,可先在纯镍试 板上进行检验 ,点焊后焊点外观银白如镜的为最优 ;表 面为金紫色 、灰褐色的禁止使用 。
6. 5 焊接工艺参数 针对纯镍的导热率低 ,容易过热 ,焊缝晶粒易长大
的倾向 ,严格控制焊接工艺参数是十分重要的 。特别 是焊接线能量 ,单纯靠减小焊接电流的方法 ,实际证明 并不是有效的 ,因为液态镍的流动性较差 ,熔深浅 ,实 际焊接采用的电流不宜太小 ,保证焊缝熔合的条件下 用提高焊速的方法来控制热输入量 。严格控制层间温
≥99. 5 0. 2 0. 2 0. 08 ≤0. 01 ≤. 035 ≥380 ≥140 ≥30
3 纯镍的焊接性分析 纯镍为单相奥氏体组织 ,液态凝固过程中不发生
相变 ,极易与 S、P 、B 、Pb 等元素形成低熔点共晶体 ,从 而导致产生热裂纹 ; 纯镍固液相温度区间小 ,流动性 低 ,液态时溶解 H2 、O2 、CO2 等气体 ,在焊接快速冷却 凝固过程中极易形成气孔 ;另外纯镍的电阻率大 、热导 率低 ,焊接过程中易过热 ,导致焊缝晶粒迅速长大 ,纯 镍材料晶粒一旦粗化后 ,很难用热处理的方法来改善 ,
时 ,氩气的流量也是一个重要的焊接工艺参数 。当氩 气的流量太小时 ,起不到保护效果 ; 当氩气流量太大 时 ,不仅浪费氩气 ,反而会产生紊流 ,将空气卷入保护 区 ,使焊缝形成气孔 。 5. 3 晶粒粗大
纯镍材料的热导率低 、电阻系数大 ,焊缝和热影响 区有过热倾向 。焊接时采用的焊接线能量较大 ,所有 这两方面 ,在首次施焊时 ,都没有从根本上得到重视 , 促使了粗大晶粒的产生 。奥氏体晶粒粗大 ,既容易使 低熔点共晶体在晶界聚集形成热裂纹 ,又影响了接头 的耐蚀性能和机械性能 。纯镍材料的晶粒一旦粗化 后 ,很难用热处理的方法来消除 。焊接过程中 ,减少焊 缝的热输入量 ,同时向焊接熔池中添加足量的 A1 、Ti 等细化晶粒的合金元素 ,可防止纯镍焊接晶粒粗化倾 向。 6 优化的焊接工艺
焊接电流
I/ A 100～120
电弧电压
焊速
U/ V υ/ ( mm·min - 1)
12～14
50～60
3 、4
120～140 12～14
60～70
氩气流量 (L·min - 1)
12 14
焊后进行 R T 检测发现焊缝区存在气孔 ,在 R T 底片上没有发现裂纹 ,但在进行微观金相检验时发现 :
通过焊接性试验及理论分析 ,找到了产生焊接缺 陷的主要原因 ,最终得到了纯镍材料优化的焊接工艺 。 6. 1 焊接方法
根据纯镍的焊接特点 ,结合碱蒸发器的结构 ,在焊 接方法上仍选用 TI G 焊 ,但为了增加焊接区域的保护 效果 ,同时采取背面充氩保护 。 6. 2 焊前准备
由于焊件坡口区域和焊丝表面存在油污 、水分及氧 化膜等杂质 ,在焊接过程中易造成焊接缺陷。因此 ,焊 前必须对坡口及两侧 50 mm 范围内、焊丝表面进行严 格清理 ,采用化学清的方法。其清洗液的配方见表 4 。
器的制造任务 ,设备制造前通过对纯镍材料进行焊接 工艺试验及理论分析 ,对纯镍材料的焊接工艺进行优 化 ,并采取工艺措施 ,终于成功地制造出合格产品 ,为 今后提高同类国产化设备的制造质量积累了经验 。
2 设备制造及操作要求 碱蒸发器是烧碱装置四效逆流蒸发工艺流程中的
关键设备 。其工作温度为 162. 5 ℃, 工作介质 中 的 NaOH 浓度 43. 5 %、NaCl 浓度 7 %、Na2SO4 浓 度 0. 6 % ,其壳程压力为 0. 9 MPa 。设备要求优良的焊缝外 观质量 ,对接焊缝 100 %R T 检测按 JB4730 规定的 Ⅱ 级为合格 。碱蒸发器由蒸发室 、加热室组成 。其中蒸
装置从国外引进的 ,近年来 ,该设备已初步进行国产 化 。由于碱蒸发器的制造涉及到纯镍材料的焊接 ,因 此 ,如何对纯镍材料进行焊接工艺优化 ,成为保证设备 制造质量的关键 。
由于纯镍材料本身固有的物理 、化学特性 ,在焊接 过程中极易出现裂纹 、气孔及晶粒粗大等缺陷 ,严重影 响到设备的制造质量及使用性能 。我们承接了碱蒸发
我们在分析气孔产生的原因时 ,认为焊材 、母材表 面的清洁度对形成焊接气孔有很大的影响 。如焊件 、 焊丝表面上的水份 、油污 、焊件坡口及两侧的油脂 、机 械切削液等 ,这些污物中都含有氢 、碳等元素 ,高温时 溶入液态金属 ,凝固过程中便形成气孔 。 5. 2. 3 氩气的影响
氩气是惰性保护气体 ,具有高温不分解又不与焊 缝金属发生氧化反应的特征 。但氩气的纯度对焊接质 量有较大的影响 ,氩气中的 O2 、N2 、H2O 等杂质含量超 过标准规定时 ,会使焊接电弧不稳定 ,而产生气孔 。同
发室的规格为 :<4876 ×3505 ×10 ,材质为纯镍 ,型号为 符合 ASM E 标准的 NiSB - 162 - 200 ,材料的化学成 分及力学性能见表 1 。
表 1 纯镍材料的化学成分 (质量分数) ( %) 及力学性能
化学成分 ( %)
力学性能
Ni Mn Fe
C
Sห้องสมุดไป่ตู้
P σb/ MPaσ0. 2/ MPa δ5 ( %)
多边化裂纹一般为微裂纹 ,用一般的 R T 射线探 伤仪不易检测到 ,更应引起足够的重视 。因此 ,在纯镍 材料的单相奥氏体焊缝中加入固溶强化的大原子半径 的 Mo 、W 、Mn 、Nb 等元素 ,来阻碍空位 、位错的移动 、 合并 ,可有效地防止纯镍材料焊缝多边化裂纹产生与 发展[3 ] ,且这些大原子半径的元素能造成晶格点阵畸 变 ,使不理想晶格的定向生长不易完成 ,这对防止多边 化裂纹是很有益的 。 5. 2 气孔的成因分析 5. 2. 1 周围气体
度 。焊接工艺参数见表 6 。
表 6 焊接工艺参数
焊接层数
1 2～4
焊接电流
I/ A 90～110 100～120
电弧电压
焊速
U/ V 12～14 12～14
表 5 ERNi - l 的化学成分 (质量分数) ( %) 3
C Mn Fe P
S
Si Cu Ni Ti Al
0. 15 1. 0 1. 0 0. 03 0. 015 0. 75 0. 25 ≥93. 0 2.0～3.5 1. 5
3 :其它元素总量 0. 5 %
6. 4. 2 氩气
氩气的纯度对焊接质量有较大的影响 ,应选用国 家定点生产厂的产品 ,纯度要求达 99. 99 % ,当每瓶氩 气用至内压 2. 0 MPa 时 ,因为此时含水量有所增加 ,
表 4 化学清洗液配方
H2O/ ml
H2SO4/ ml
HNO3/ ml
NaCl/ g
1000