Monel-400焊制容器的主要缺陷及优化工艺.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 4 3 D O I 1 0 ．3 9 6 9 l ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 7 ．0 1 0 M o n e l 一40 0 焊制容器的主要缺陷 及优化工艺 吕静1 ，李春静1 ，阮鑫1 ，王成君2 1 ．河北化工医药职业技术学院，石家庄0 5 0 0 2 6 ；2 ．河北安装工程公司，石家庄0 5 0 0 3 1 摘要理论上分析M o n e l 一4 0 0 材料焊制容器的主要缺陷及产生原因，并通过多次焊接试验及生产实践， 摸索和总结出化工用蒙乃尔合金容器的焊接工艺。制定相应的焊接工艺评定及专项技术措施，为现场优 质化施焊该类设备及提高返修合格率积累经验．对相关或类似的设备制造焊接亦有积极的指导作用。 关键词金属材料；M o n e l 一4 0 0 ；设备焊接；主要缺陷；优化工艺 中图分类号T G l 3 3 ．4 ；T G 4 5 7 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 7 0 0 4 3 0 5 P r o m i n e n tL i m i t a t i o n so fM o n e l - 4 0 0W e l d i n gC o n t a i n e r a n dT e c h n i c a lO p t i m i z a t i o n I 。VJ i n 9 1 ，L IC h u n - j i n 9 1 ，R U A NX i n l ，W A N GC h e n g - j u n 2 1 ．H e b e iC h e m i c a lP h a r m a c e u t i c a lC o l l e g e 。S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 2 6 ，C h i n a ； 2 ．H e b e iI n s t a l l a t i o na n d E n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 3 1 。C h i n a A b s t r a c t T h et h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ep r o m i n e n tl i m i t a t i o n so fM o n e l 一4 0 0w e l d i n gc o n t a i n e ri sg i v e n ． T h et e c h n i c a la s s e s s m e n ta n dm e a s u r e m e n tf o rt y p i c a lw e l d i n gc r a f t w o r ki nM o n e la l l o yc o n t a i n e r sa r e s u m m a r i z e dt h r o u g has e r i e so ft e s t so fw e l d i n ga n dc o n s t r u c t i n gp r a c t i c e s ，w h i c hm a k e sac o n t r i b u t i o nt O o p t i m i z et h el i v ew e l d i n go fs u c he q u i p m e n ta n dp r o m o t et h er e p a i rr a t ef o rs i m i l a re q u i p m e n ti nw e l d i n g ． K e yw o r d s m e t a lm a t e r i a l ；m o n e l 一4 0 0 ；e q u i p m e n ti nw e l d i n g ；p r o m i n e n tl i m i t a t i o n ；o p t i m i z e dt e c h n i q u e 随着现代工业的快速发展，有色金属的应用愈 加广泛。蒙乃尔合金4 0 0 M o n e l 一4 0 0 为镍一铜合金 系列，具有优良的抗酸、碱等腐蚀的能力。在某些介 质中，甚至超过了钛等其他防腐蚀性能很好的金属， 能在较恶劣的腐蚀介质环境下工作，所以近年来逐 渐被用作抗腐蚀性较强的化工行业的设备和管道等 结构材料。 镍的化学活性低，氧化初期生成的氧化膜能防 止镍进一步氧化和腐蚀，高温时亦保持良好的抗腐 蚀性能。镍与其他金属元素形成合金后，力学性能 和抗腐蚀、抗氧化性能显著改善，但热导率和电导率 有所下降。焊接中也与一般的钢铁材料大不相同， 最易出现的问题是气孔、未焊透及裂纹等缺陷。本 文重点研讨焊接的致命伤即有关焊接裂纹问题L 1 ] 。 M o n e l - 4 0 0 合金在高温下能与空气及空气中的 多种杂质元素发生反应，从而破坏和减损材料焊接 接头的机械特性。所以在焊接过程中选择洁净且干 燥的操作环境，加强焊缝及热影响区部位的隔离保 护至关重要。 作者简介吕静 1 9 8 0 一 ，女，石家庄市人．讲师，主要从事化工原理及设备制造焊接等方面的研究。 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 1 M o n e l 一4 0 0 合金焊接裂纹成因探析 1 ．1 M o n e l - 4 0 0 合金基本特性 ’ 通过表1 至表4 可以看出，M o n e l 一4 0 0 合金的 化学成分、物理性质、力学性能及耐腐蚀性能等材质 方面的特点。 表1M o n e l - 4 0 0 合金的化学成分 T a b l e1P r o m i n e n tc h e m i c a Ie l e m e n t s o fM o n e l 一4 0 0a l l o y 成分 N iCM nF eSS iC u 其他 含量／％6 6 ．5 0 ．21 ．01 ．20 ．0 10 ．23 1 ．5一 表2M o n e l 一4 0 0 合金的基本物理性质 T a b l e2E s s e n t i a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so fM o n e l - 4 0 0a l l o y 表3M o n e l - 4 0 0 合金的常规力学性能 T a b l e3G e n e r a lm e c h a n i c a lp r o f o r m a n a n c e o fM o n e l 一4 0 0a l l o y 焊接M o n e l 一4 0 0 合金通常焊接性能较好，在常 温下的化学性能比较稳定，但在高温时即时环境气 体中的氧、氮、氢以及操作环境中的粉尘、湿度等的 污染都有较强的亲和力。随着温度的升高，其化学 活性急剧增强，在固态下就有很强的吸收空气中多 种杂质元素及粉尘的能力，从而使材料严重脆化或 劣化。M o n e l - 4 0 0 合金的优良抗腐蚀性能来源于其 表面形成的氧化膜，并取决于氧化膜的完整性和牢 固性，当M o n e l 一4 0 0 合金吸收了一定数鼍的O ， H ，C O z 等气体杂质后，其力学性能及抗腐蚀性能 将急剧下降比] 。焊缝之最劣化弱区裂纹或开裂隐患 条件亦相继形成。 表4M o n e l - 4 0 0 合金在一些介质中的耐蚀性 T a b l e4A n t i 。e r o s i o np r o p e r t yo fM o n e 卜4 0 0a l l o yi ns o m em e d i u m 注A 可接受；G E 良好至优良；N R 术推荐使用。 1 ．2 施工环境对焊接裂纹的影响 通常M o n e i 一4 0 0 合金的焊接性能较好，但随着 温度的升高，对环境气体及外界杂质的敏感性，决定 了其焊接过程的复杂性和对焊接条件要求的苛刻 性。由于M o n e l 一4 0 0 合金在高温环境下的特点，在 焊接过程中很容易吸收空气中的一些杂质等，改变 焊缝及热影响区的化学成分，破坏材料表面形成的 氧化膜，从而使焊接接头的脆性增大，塑性和韧性及 抗腐蚀性能降低，进一步发展下去将会在焊缝薄弱 区出现裂纹。因此，M o n e | - 4 0 0 合金焊接过程中对 环境粉尘、湿度及热影响区表面及焊缝背面加强保 护是焊接过程中的关键因素。由于M o n e l 一4 0 0 合金 对环境的苛刻要求，所以在大量焊口施工预制阶段， 需要设置专门的封闭式洁净场地，并严格控制环境 的粉尘污染和空气干燥度∞j 。 1 ．3 母材和焊材污染对焊接裂纹的影响 焊缝坡口表面油污、水分等杂质的存在。在高温 状态下，极易被M o n e l - 4 0 0 合金吸收，破坏其焊缝的 纯度，降低焊缝的力学性能、抗腐蚀能力及抗裂性 能。因此，加强对焊接接头坡口、坡口两侧6 0m m 范围内及焊丝表面清洁度等级的提升及优化，是保 证M o n e l - 4 0 0 合会接头焊接质量的重要因素。 1 ．4 焊缝气孔对焊接裂纹的影响 M o n e l 一4 0 0 合金焊接过程中，气孔是最容易产 生的缺陷之一。气孔多集中在熔合线、焊缝中心线 附近。气孔部位就是最初期最显现的重要裂纹产生 源，尤其是密集型线状分布的气孔危害性极大。防 止焊接气孔缺陷产生最关键的环节就是加强对焊接 环境洁净度、湿度的控制及加强坡口、焊材表面的清 理，提高焊缝区纯氲的内外保护质鼍。 1 ．5 焊接裂纹常见形式及原因分析 由于M o n e l - 4 0 0 合金热膨胀系数低，热变形量 以及相变时产生的体积变化均很小。本身硫、磷、碳 等杂质含量很低，焊接过程中没有形成裂纹的明显 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期4 5 趋势，但当焊接过程焊缝吸收一定数量的气体杂质 时，焊缝及热影响区的性能将变脆，如果焊缝在组对 等环节有应力存在，将会产生焊接冷裂纹。同时，氢 原子具有向较低温度的热影响区内的高应力部佗扩 散及聚集的性能，促使这凿部位形成较为薄弱的环 节，因此町能导致焊接延迟裂纹的产生。当含碳量 和含硅鼍增加到一定程度时，焊接性变得很差，而 硫、磷及低熔点金属以液态薄膜形式存在于界面则 形成很大收缩力，也易促使热裂纹倾向加剧[ 4 ] 。 此外，焊接时的高温波动易引发弧波裂纹 近年 我罔新发现的一种裂纹形式 ，从本质上看，焊缝区 域除了热应力作, t f l 夕t - ，还有材料内在质量的变化，如 化合物逐渐析出、积聚和延伸，出现堆积性薄弱边缘 而致裂。实际上它也含有其他裂纹形式的要素。 2M o n e l 一4 0 0 合金焊接及工艺评定 2 ．1 焊接方法与前期准备工作 由于M o n e l - 4 0 0 合金材料本身对于气体杂质敏 感，易导致局部趋弱而形成裂纹，常规的电弧焊方法 不适用于高质量容器的焊接。故在焊接试验中，选 用焊接线能量低，便于进行焊缝气体保护的手【钨 极氲弧焊，利j } j 较大口径的焊枪喷嘴和焊缝内外表 面保护托罩充氩的方式进行空气隔离，以达到焊缝 不被氧化和吸收有害气体的U 的。 焊接贵重有色金属的关键问题是焊缝防护，尤 其是背面充氲加强保护十分重要。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尤其是微裂纹或隐裂纹。 因此，焊前必须对母材坡口及两侧6 0m m 范围内表 面进行严格清理。现场多采用化学清洗方法，清洗 液的配方见表5 【5 j 。 表5 设备坡口及焊丝化学清洗液配方 T a b l e5C h e m i c a lc l e a n i n gf l u i df o r m u l a t i o nf o r e q u i p m e n tg r o o v ea n dw e l d i n gt h r e a d s 焊接材料的选择很鼋要，M o n e l 一4 0 0 合金焊接 采用的填充焊丝应依据与母材成分相匹配的原则来 选择，匹配的焊丝选择及化学成分如表6 选用焊丝 E R N i C u 一7 为宜 。焊丝表面不得有重皮、裂纹、氧 化膜现象及金属夹杂物等缺陷存在。焊丝在使用前 亦应清洗并十燥。 表6 焊丝E R N i C u - 7 的化学成分 T a b l e6C h e m i c a lc o m p o s i t o no f E R N i C u - 7w e l d i n gt h r e a d s 成分CM nF ePSS iC uN iT iA l 含啦／％0 ．0 33 ．5 0 ．20 ．0 0 51 ．02 7 ．0 6 5 ．02 ．2 2 ．2 坡口形式及其合理组对 M o n e l 一4 0 0 合金焊接虽有低熔透性的特点，但 不能采J { l 大线能量来增加熔透性。坡口形式应选用 较大的坡口角度，对于化工用容器的对接焊缝，一般 取坡口角度7 5 ～8 0 。、钝边1 ．0 ～1 ．5m m 、间隙2 ．0 ～2 ．5m m 为妥。在预制车间，坡加工采J } j 机械 加工为好，其坡f l 表面光滑，组对尺寸控制较好，易 清理。安装现场焊【J ，可以采用专用砂轮机加L [ 。 组对施焊静，须采崩小锈钢丝刷或不锈钢锉刀等，对 焊接坡口及两侧小小于6 0m m 范同内的切削物、氧 化膜、毛刺等进行清理。清理丁具应专用并保持清 洁，防止交叉污染，影响焊缝质量] 。施焊前确认洁 净及干燥达标程度。 焊缝组对应严格控制组对间隙及错边量，对于 不同厚度的两个组对件，需要采用加工内坡口的形 式，保证内部错边量符合要求。容器接口焊缝不得 强力组对。焊缝的点固焊勿随意进行，组对点焊间 距一般为1 0 0 ～1 5 0m m ，点焊的长度以1 0 ～1 5m m 为宜。点焊的焊接工艺条件应与正式焊接相同。 容器焊口组对完成后，应先对焊fJ 内外部托罩 的气体进行置换。为保证气体置换质量，节省氩气， 提高效率，因根据设备的规格及焊口状况设计制作 大小适中的组合托罩，且充分考虑它的密封性、可移 性及后保护性。对于中小型容器，亦町采用容器内 部充氩的方法。对于现场焊口或不易于在焊口内部 进行允氲隔离的情况下，焊口组对前，在焊缝两侧分 别设置易溶纸，组对后从焊缝组对缝隙适当的位置 充人氩气进行置换。为了确保满足高温区气体隔 离、延长氩气保护时间的要求，必须增加特制的容器 内外部气体保护装置，对在高温状态下的焊接熔池、 高温焊道及热影响区进行纯氩隔离保护。焊接试验 中，采用的气体保护托罩，宜随容器的规格不同而有 所变化。气体托罩有外壳、不锈钢丝网、输氩管嘴配 合焊炬等构成。使用时，配备相应的输氩软管，随焊 炬的拖动随之移动。焊缝和热影响区焊后表面颜色 是确认保护质量效果的重要标志，M o n e l 一4 0 0 合金 在高温作用下，表面会形成一层薄的氧化膜，不同保 护程度下所形成的氧化膜颜色不同。通过对表面颜 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 色的识别和判断，来确定焊缝及热影响区的保护效 果，焊后表面以银白色为最佳，其次为淡黄或金黄 色。在多层、多道焊时，不能只凭表面焊缝的颜色来 判断接头部位的保护效果，应以每层焊道的合格为 标准，否则需要采取不同的处理措施“ ] 。 2 ．3 工艺参数及焊接工艺评定 针对M o n e l 一4 0 0 合金的导热率低，容易过热开 裂及晶粒长大的倾向，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，因为液态镍一铜 合金的流动性较差，熔深浅，实际焊接采用的电流不 宜太小，保证焊缝熔合良好的条件下尽可能采用提 高焊接速度的方法来控制热输入量，同时应严格控 制层问温度。一般规格容器推荐的焊接工艺 T I G 参数见表7 。 表7M o n e l - 4 0 0 合金容器的焊接工艺参数 推荐值 T a b l e7 W e l d i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fM o n e l - 4 0 0 a l l o yc o n t a i n e r f o rr e c o m m e n d a t i o n 需要说明的是，氩气充量是影响焊缝保护效果 的一个重要参数。流量适宜是获得优质焊缝的关键， 氩气的流量过大，反而易产生焊接气孑L 、夹渣、裂纹等 缺陷。根据经验氲气流量应控制在8 ～1 2L ／m i n 较 好。施焊操作时，焊炬不要摆动或微摆动，采用短弧 焊，弧长一般控制在1 ．0 ～1 ．5I T l m ，焊每一段接头 时，可以回焊- 4 , 段，以利于气体排除和熔池熔合。 每次收弧时宜填满弧孔，以防止产生弧孑L 和弧波裂 纹。焊接试验结束以后，制作焊接工艺评定。评定 试验的试件采用的焊接方法、工具等与焊接试验过 程完全相同。试件焊接完成以后，通过目测检查，其 内部、外部焊缝及热影响区成形良好，均呈银白色且 无裂纹，说明针对M o n e l 一4 0 0 合金的高温特性采用 的保护措施是可行的。之后对焊接试件进行力学性 能试验。结果表明，达到了标准规定的力学性能指 标，取得满意的效果。 3M o n e l 一4 0 0 合金容器现场焊接及 优化措施 1 根据经试验合格的焊接工艺评定，编制具有 针对性的焊接工艺指导书，用以具体指导现场焊接 作业。需再次说明的是，一定要严格控制焊接线能 量，以减少焊接热输入，控制容器焊口的每层焊接厚 度，有利于把握区域的温度及冷却速度，焊接层间温 度不得大于8 0 ℃。实践证明，过多的焊接层数易导 致弧波裂纹，正确的做法是，在保证晶粒度细小和应 力集中勿过大的基础上尽可能减少焊接层数。这对 焊接效率和焊接质量均为有利，此点过去常被忽略。 焊接过程中岿须确认容器焊缝内外部充氩置换 彻底，制作并正确使用焊道保护拖罩，确保保护氩气 纯度不低于9 9 ．9 9 ％，同时选择焊炬喷嘴直径在2 0 ～2 5m m ，并检查喷嘴溢出的氩气流量保持稳定，从 而使焊接的熔池、焊缝、热影响区得到良好的保护， 从气体隔离方面保证焊接质量，预防和减缓造成焊 接裂纹及其他缺陷的各种因素j 。 焊接过程中，填充焊丝的熔化端须始终处在纯 氩的保护之中，息弧后应待熔化端冷却稳定后，才可 从保护中取出，焊丝头如被污染或氧化，其污染或氧 化部分须予以彻底切除。此外，焊接过程中，应随时 注意观察焊道色泽的变化。如在焊接过程中有明显 的焊缝氧化缺陷，应立即停止作业，待切削或打磨掉 氧化区域，查明氧化原因并采取纠正措施后，方可继 续施焊。施工过程中，应严格控制打磨量和表面温 度，防止坡口表面氧化或变质。安装容器焊口现场 作业时，针对大气环境及灰尘等实际情况，采取必要 的防范措施。现场采用制作帆布篷，以将焊接区域 与外部环境临时隔离开来，产生一个有利于焊接操 作的适度空间，保证焊缝无因环境不适或突变而产 生的意外焊接缺陷及裂纹。 2 焊缝返修及质量控制。对焊缝表面非正常 氧化现象或无损检测发现的不合格部位，必须进行 返修。返修前，应根据具体情况，分析缺陷产生的原 因，并制定针对性的返修方案。焊缝返修必须严格 按照方案要求进行操作，补焊采用与正式焊接相同 或更加严格的工艺。最好由经验丰富的技师予以施 焊难点部位，焊缝同一部位的返修不得超过两次，以 防止弧波裂纹的产生及局部材质大幅恶化。氩弧补 焊时，氩气保护方面，应引起足够的重视。焊接时必 须将焊接接头及附近区域保护到2 0 0 ℃为止。一旦 发现焊后颜色不是银白色，应及时磨去重新焊接。 如出现气孔、裂纹，也应磨去重焊。然而，亦要严格 控制返修与补焊次数 宜远离危险的焊接弧波裂纹 临界次数 ，以防止降低焊缝的疲劳强度和减少焊缝 开裂的町能性。焊缝同一部位的焊补次数如超过两 次，焊补前应经单位技术总负责人批准，并应采取特 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 4 7 殊可靠的技术措施由高级技师予以施焊。 3 其他有关注意事项和技术要点。化工用 M o n e l 一4 0 0 合金容器采用钨极氩弧焊时，还应注意 以下几点。 a 施焊环境温度不得低于5 ℃，相对湿 度在8 0 ％以内。 b 加强焊接区域防护装置，使其 不受风、雨、雪等天气的影响。 c 施工现场应保持 清洁干燥，必要时搭设防尘棚，铺设地板，配备去湿 机。 d 严禁在容器表面任意引弧，焊接前应在引弧 板上试焊，测定提前送氩气，滞后停氩气的数据是否 符合工艺要求。 e 由施工员配合材料员对所进场 的材料进行严格管理，必要时对所进材料进行复验。 f 施工过程中，尽量一次性焊完一道焊缝再进行下 一环节的焊接，以减少焊接接头数量及焊接弧波裂 纹产生的可能性。 g 开始焊时焊速宜稍慢，以后则 适当加快，焊接过程中应注意控制焊缝成形，如发现 气孔或微纹应及时回弧烧熔消除。点固后应把点固 处用不锈钢丝刷处理干净。 h 手工钨极气体保护 电弧焊接M o n e l - 4 0 0 合金，一般均采用直流正极性、 高频引弧以及电流衰减的收弧技术。 i 尖头电极 可保证电弧稳定与足够的熔深。尖部直径约为 0 ．4m m ，夹角3 0 ～6 0 。，如与熔池相接触，尖端受到 污染，必需随即磨掉。 j 焊丝不能用来搅动熔池， 在保证不接触钨极的条件下，应尽町能采用短的电 弧长度施焊。现场施焊时，宜根据实际管材壁厚，选 用相应的焊丝直径及适宜的焊接速度，以保证足够 的熔透、焊缝成形与焊缝致密性。 4结语 研究和探索M o n e l - 4 0 0 合金材料化工容器特定 环境中的焊接特性，制定严密合理的焊接工艺，做好 焊接过程各个阶段的氩气保护工作，是保证优质化 工设备现场焊接的关键冈素。在施焊过程中，严格 遵循各项操作规程，按照。r 艺要求的步骤逐项落实， 是保证M o n e l 一4 0 0 合金容器现场施焊质量的前提和 基础。在某化学工程中对所焊接的三台中小型化工 容器对接焊缝，进行1 0 0 ％的X 射线无损探伤，经查 一次合格率达到9 7 ．6 ％，其缺陷部分经一次性返修 亦全部达到规定要求。实践证明焊接工艺的可行 性，为国内同类材质没备及管道的焊接积累了一定 经验。此外，焊接过程中不断加强焊缝动态性质量 监测和检验也是极重要的环节。 参考文献 [ 1 3 中国机械1 程学会焊接学会．焊接手册一材料的焊接 E M J ．第2 版．北京机械工业出版社，2 0 0 1 7 8 9 3 ． I - z 3 武广昭．蒙乃尔合金管件的焊接[ J ] ．热加工工艺， 2 0 0 7 ，3 6 1 9 9 0 - 9 1 ． [ - 3 3 阮鑫，任丽静，王成君．镍材设备焊接缺陷及质量控 制E J 3 ．压力容器。2 0 0 5 ，2 2 5 3 2 3 4 ． [ 4 ] 张文镀．金属熔焊原理及工艺[ M ] ．北京机械工业出 版社，1 9 8 0 6 9 - 7 4 ． 1 - 5 3 张文钺，周振丰．焊接冶金与金属焊接性E M ] ．第2 版． 北京机械．丁业出版社，1 9 8 7 1 3 2 1 4 2 ． E 6 ] 曾乐．现代焊接技术手册E M ] ．上海上海科学技术 出版社，1 9 9 3 3 4 0 3 4 5 ． [ 7 3 王宽福．压力容器焊接结构工程分析I - M J ．北京化学 工业出版社，1 9 9 8 1 2 0 1 2 3 ． 1 ．8 3 冯兴奎．过程设备焊接E M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 0 3 9 8 1 0 2 ． 万方数据