鎳棒鎳板等純鎳材料焊接工藝優(yōu)化

1、引言

純鎳是在工業(yè)生產(chǎn)中各種苛刻腐蝕環(huán)境下采用的金屬材料。鑒于石油化工生產(chǎn)過(guò)程中高溫、高壓和介質(zhì)強(qiáng)腐蝕性的特點(diǎn)?石油化工裝置設(shè)備選材的要求很高?燒堿裝置的關(guān)鍵設(shè)備堿蒸發(fā)器就是采用純鎳制造的。我國(guó)石化行業(yè)燒堿裝置的堿蒸發(fā)器過(guò)去基本是隨裝置從國(guó)外引進(jìn)的?近年來(lái)?該設(shè)備已初步進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。由于堿蒸發(fā)器的制造涉及到純鎳材料的焊接?因此?如何對(duì)純鎳材料進(jìn)行焊接工藝優(yōu)化?成為保證設(shè)備制造質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于純鎳材料本身固有的物理、化學(xué)特性?在焊接過(guò)程中極易出現(xiàn)裂紋、氣孔及晶粒粗大等缺陷?嚴(yán)重影響到設(shè)備的制造質(zhì)量及使用性能。我們承接了堿蒸發(fā)器的制造任務(wù)?設(shè)備制造前通過(guò)對(duì)純鎳材料進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)及理論分析?對(duì)純鎳材料的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化?并采取工藝措施?終于成功地制造出合格產(chǎn)品?為今后提高同類國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的制造質(zhì)量積累了經(jīng)驗(yàn)。

2、設(shè)備制造及操作要求

堿蒸發(fā)器是燒堿裝置四效逆流蒸發(fā)工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備。其工作溫度為162.5℃?工作介質(zhì)中的NaOH 濃度43.5％、NaCl 濃度7％、Na₂SO₄ 濃度0.6％?其殼程壓力為0.9MPa。設(shè)備要求優(yōu)良的焊縫外觀質(zhì)量?對(duì)接焊縫100％RT 檢測(cè)按JB4730規(guī)定的Ⅱ級(jí)為合格。堿蒸發(fā)器由蒸發(fā)室、加熱室組成。其中蒸發(fā)室的規(guī)格為：φ4876×3505×10?材質(zhì)為純鎳?型號(hào)為符合ASME 標(biāo)準(zhǔn)的NiSB－162－200?材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

3、純鎳的焊接性分析

純鎳為單相奧氏體組織?液態(tài)凝固過(guò)程中不發(fā)生相變?極易與S、P、B、Pb 等元素形成低熔點(diǎn)共晶體?從而導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋；純鎳固液相溫度區(qū)間小?流動(dòng)性低?液態(tài)時(shí)溶解H₂、O₂、CO₂ 等氣體?在焊接快速冷卻凝固過(guò)程中極易形成氣孔；另外純鎳的電阻率大、熱導(dǎo)率低?焊接過(guò)程中易過(guò)熱?導(dǎo)致焊縫晶粒迅速長(zhǎng)大?純鎳材料晶粒一旦粗化后?很難用熱處理的方法來(lái)改善?嚴(yán)重影響焊接接頭的機(jī)械性能和耐蝕性能。

4、純鎳的焊接性試驗(yàn)

考慮到設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?在進(jìn)行焊接性試驗(yàn)時(shí)?采用手工鎢極氬弧焊（TIG）的方法?試件為650×150×10的板件對(duì)接?單面V 型坡口?角度為60°?坡口間隙為2mm?無(wú)鈍邊。焊絲采用Φ2mm 的TGSNi－1。

其化學(xué)成分見表2。

焊接工藝參數(shù)見表3。

焊后進(jìn)行RT 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)存在氣孔?在RT底片上沒有發(fā)現(xiàn)裂紋?但在進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：

（1）焊縫內(nèi)存在裂紋。

（2）純鎳焊接接頭熔和線附近有晶粒長(zhǎng)大的傾向?且方向性很強(qiáng)。

5、焊接缺陷分析

5.1　裂紋產(chǎn)生的原因

通過(guò)對(duì)鎳棒、鎳板等純鎳焊縫金相的詳細(xì)觀察及理論分析?認(rèn)為產(chǎn)生的裂紋為凝固裂紋和多邊化裂紋。

5.1.1　凝固裂紋

晶間液膜是引發(fā)單相純鎳材料焊縫凝固裂紋的主要因素。高溫時(shí)純鎳極易與S、P、B、Pb 等元素形成低熔點(diǎn)共晶體?這些低熔點(diǎn)組織以液態(tài)膜的形式殘留于晶界區(qū)?在收縮應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂?特別是硫化鎳熔點(diǎn)只有645℃?磷化鎳的熔點(diǎn)880℃［1］。焊接性試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生了熱裂紋?我們認(rèn)為焊縫中的S、P 元素含量高是主要原因。

S、P 元素的來(lái)源主要是母材與焊絲表面的污物?特別是含硫或鉛的一些污物?在焊接過(guò)程中過(guò)渡到焊縫中?但焊絲合金成分中脫硫元素的含量有限?如焊絲中的有益元素錳含量較少?因?yàn)樘岣咤i含量能擴(kuò)大有害元素?如磷等的溶解度極限［2］。因此?焊接前對(duì)母材與焊絲表面進(jìn)行嚴(yán)格清理、提高焊接材料的錳含量?對(duì)防止純鎳焊接產(chǎn)生熱裂紋?是很有必要的。另外?純鎳材料的線膨脹系數(shù)較大?焊接過(guò)程中?易形成較大的焊接應(yīng)力?導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

5.1.2　多邊化裂紋

焊接過(guò)程是一個(gè)不平衡的冶金過(guò)程?焊縫金屬由液相向固相結(jié)晶速度很快?不平衡的結(jié)晶過(guò)程導(dǎo)致晶體點(diǎn)陣原子排列不完整?形成了大量的空位、位錯(cuò)等晶格缺陷。隨著結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行?這些空位、位錯(cuò)逐漸合并、集聚、擴(kuò)大?最后形成了與一次結(jié)晶晶界不同的新網(wǎng)界或亞晶界即多邊化晶界。該多邊化晶界是薄弱的?在一定的應(yīng)力作用下?很容易形成多邊化裂紋。純鎳材料為單相奧氏體組織?其焊縫金屬的多邊化晶界形成和發(fā)展比較順利?因此最后發(fā)展成多邊化裂紋。

多邊化裂紋一般為微裂紋?用一般的RT 射線探傷儀不易檢測(cè)到?更應(yīng)引起足夠的重視。因此?在純鎳材料的單相奧氏體焊縫中加入固溶強(qiáng)化的大原子半徑的Mo、W、Mn、Nb 等元素?來(lái)阻礙空位、位錯(cuò)的移動(dòng)、合并?可有效地防止純鎳材料焊縫多邊化裂紋產(chǎn)生與發(fā)展［3］?且這些大原子半徑的元素能造成晶格點(diǎn)陣畸變?使不理想晶格的定向生長(zhǎng)不易完成?這對(duì)防止多邊化裂紋是很有益的。

5.2　氣孔的成因分析

5.2.1　周圍氣體

和低碳鋼、低合金鋼的焊接相比?純鎳氧化性焊接氣氛更易于導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生?H₂、O₂、CO₂ 在液態(tài)純鎳中溶解度較大（例如O₂ 在1720℃時(shí)溶解度為1.18％）?但在冷卻凝固時(shí)?溶解度大幅度地減少（O₂ 在1447℃時(shí)溶解度僅為0.06％）［2］。高溫溶解的氣體來(lái)不及逸出?便形成氣孔。所以說(shuō)要防止產(chǎn)生氣孔?必須保護(hù)好焊接熔池?采用高純度的焊接材料?添加足夠的脫氧劑?使熔池金屬全面脫氧。在鎢極惰性氣體保護(hù)焊時(shí)?要同時(shí)考慮焊接時(shí)某些合金元素的燒損；添加足量的合金成分。由此可見?焊縫冶金系統(tǒng)中的脫氧反應(yīng)對(duì)仰制氣孔的產(chǎn)生是很關(guān)鍵的。

5.2.2　表面清潔度

我們?cè)诜治鰵饪桩a(chǎn)生的原因時(shí)?認(rèn)為焊材、母材表面的清潔度對(duì)形成焊接氣孔有很大的影響。如焊件、焊絲表面上的水份、油污、焊件坡口及兩側(cè)的油脂、機(jī)械切削液等?這些污物中都含有氫、碳等元素?高溫時(shí)溶入液態(tài)金屬?凝固過(guò)程中便形成氣孔。

5.2.3　氬氣的影響

氬氣是惰性保護(hù)氣體?具有高溫不分解又不與焊縫金屬發(fā)生氧化反應(yīng)的特征。但氬氣的純度對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響?氬氣中的O₂、N₂、H₂O 等雜質(zhì)含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)?會(huì)使焊接電弧不穩(wěn)定?而產(chǎn)生氣孔。同時(shí)?氬氣的流量也是一個(gè)重要的焊接工藝參數(shù)。當(dāng)氬氣的流量太小時(shí)?起不到保護(hù)效果；當(dāng)氬氣流量太大時(shí)?不僅浪費(fèi)氬氣?反而會(huì)產(chǎn)生紊流?將空氣卷入保護(hù) 區(qū)?使焊縫形成氣孔。

5.3　晶粒粗大

鎳棒、鎳板等純鎳材料的熱導(dǎo)率低、電阻系數(shù)大?焊縫和熱影響區(qū)有過(guò)熱傾向。焊接時(shí)采用的焊接線能量較大?所有這兩方面?在首次施焊時(shí)?都沒有從根本上得到重視?促使了粗大晶粒的產(chǎn)生。奧氏體晶粒粗大?既容易使低熔點(diǎn)共晶體在晶界聚集形成熱裂紋?又影響了接頭的耐蝕性能和機(jī)械性能。純鎳材料的晶粒一旦粗化后?很難用熱處理的方法來(lái)消除。焊接過(guò)程中?減少焊縫的熱輸入量?同時(shí)向焊接熔池中添加足量的A1、Ti等細(xì)化晶粒的合金元素?可防止純鎳焊接晶粒粗化傾向。

6、優(yōu)化的焊接工藝

通過(guò)焊接性試驗(yàn)及理論分析?找到了產(chǎn)生焊接缺陷的主要原因?最終得到了純鎳材料優(yōu)化的焊接工藝。

6.1　焊接方法

根據(jù)純鎳的焊接特點(diǎn)?結(jié)合堿蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)?在焊接方法上仍選用TIG 焊?但為了增加焊接區(qū)域的保護(hù)效果?同時(shí)采取背面充氬保護(hù)。

6.2　焊前準(zhǔn)備

由于焊件坡口區(qū)域和焊絲表面存在油污、水分及氧化膜等雜質(zhì)?在焊接過(guò)程中易造成焊接缺陷。因此?焊前必須對(duì)坡口及兩側(cè)50mm 范圍內(nèi)、焊絲表面進(jìn)行嚴(yán)格清理?采用化學(xué)清的方法。其清洗液的配方見表4。

清洗工序：先將焊件、焊絲用熱水沖洗干凈后?浸入酸洗液中5～10min?取出后用熱水沖洗?然后用10％的氨水中和?最后在沸水中清洗并干燥。一般焊件、焊絲清洗完后24h 內(nèi)用完?否則?須再次清洗?避免重新氧化產(chǎn)生氧化鎳薄膜。

6.3　坡口型式

純鎳焊接與低合金鋼相比有低熔透性的特點(diǎn)?但不能采用大線能量來(lái)增加熔透性。坡口型式應(yīng)選擇較大的坡口角度?同時(shí)為減少焊縫金屬的填充量及焊接應(yīng)力?應(yīng)采取雙面V 型坡口。具體的坡口型式為：雙面V 型坡口、角度為75°、鈍邊1mm、間隙2mm。

6.4　焊接材料

6.4.1　焊絲

通過(guò)焊接性試驗(yàn)?認(rèn)識(shí)到填充材料的化學(xué)成分是防止純鎳焊接產(chǎn)生缺陷、保證焊接質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。焊絲TGSNi－l 不是在該條件下焊接純鎳的最佳焊材?同時(shí)?脫硫也不夠充分。最后?選用了冶金成分配置較合理符合AWS 標(biāo)準(zhǔn)的焊絲?型號(hào)為ERNi－l?該焊絲的氣孔敏感性小并能防止產(chǎn)生焊接裂紋。ERNi－l 的化學(xué)成分見表5。

6.4.2　氬氣

氬氣的純度對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響?應(yīng)選用國(guó)家定點(diǎn)生產(chǎn)廠的產(chǎn)品?純度要求達(dá)99.99％?當(dāng)每瓶氬氣用至內(nèi)壓2.0MPa 時(shí)?因?yàn)榇藭r(shí)含水量有所增加?應(yīng)停止使用。同時(shí)?在每瓶氬氣使用前?可先在純鎳試板上進(jìn)行檢驗(yàn)?點(diǎn)焊后焊點(diǎn)外觀銀白如鏡的為最優(yōu)；表面為金紫色、灰褐色的禁止使用。

6.5　焊接工藝參數(shù)

針對(duì)純鎳的導(dǎo)熱率低?容易過(guò)熱?焊縫晶粒易長(zhǎng)大的傾向?嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)是十分重要的。特別是焊接線能量?單純靠減小焊接電流的方法?實(shí)際證明并不是有效的?因?yàn)橐簯B(tài)鎳的流動(dòng)性較差?熔深淺?實(shí)際焊接采用的電流不宜太小?保證焊縫熔合的條件下用提高焊速的方法來(lái)控制熱輸入量。嚴(yán)格控制層間溫度。焊接工藝參數(shù)見表6。

氬氣充量是影響保護(hù)效果的一個(gè)重要參數(shù)。流量大小是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的關(guān)鍵?氬氣的流量過(guò)大?反而易產(chǎn)生焊接缺陷。

氬氣流量可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式確定：

Q＝K·D

式中?Q 為氬氣流量?D 為噴嘴直徑?K 為系數(shù)（0.8～1.2）。而D＝（2.5～3.5）d式中?d 為鎢極直徑?一般為Φ3mm?因此氬氣流量一般在8～10L／min 為宜。

背面氬氣流量4～6L/min。

6.6　操作技術(shù)要求

對(duì)純鎳焊接?操作技術(shù)也是很重要的一個(gè)方面?實(shí)際設(shè)備施焊時(shí)?我們做了如下要求：

（1）施焊操作時(shí)?焊矩不準(zhǔn)擺動(dòng)?采用短弧施焊?弧長(zhǎng)一般控制在1.0～1.5mm 之間?每一段接頭時(shí)?可以回焊一小段?以利氣體排出。

（2）填滿弧孔?以防產(chǎn)生弧孔裂紋。

?斷弧后?要待焊接熔池冷卻后才能切斷氬氣保護(hù)。

（4）背面清根?層間清理要嚴(yán)格進(jìn)行?防止鎳的氧化膜在焊接過(guò)程中進(jìn)入熔池?而形成焊接缺陷。

7、設(shè)備制造質(zhì)量

7.1　設(shè)備焊接結(jié)果

設(shè)備施焊完畢?外觀質(zhì)量完全達(dá)到要求。對(duì)接焊縫經(jīng)100％RT 檢測(cè)?共計(jì)拍片124張?按JB4730的規(guī)定Ⅱ級(jí)均合格（其中Ⅰ級(jí)片76張）。焊縫一次合格率達(dá)到100％。

7.2　產(chǎn)品焊接試板

產(chǎn)品焊接試板焊縫外觀檢查合格后?RT 檢測(cè)達(dá)到JB4730規(guī)定Ⅰ級(jí)。金相試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)裂紋及晶粒粗大現(xiàn)象。機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

產(chǎn)品試板檢驗(yàn)合理。

8、結(jié)論

8.1　堿蒸發(fā)器純鎳材料NiSB－162－200?采用TIG焊接方法?焊絲為ERNi－l?能夠獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

8.2　純鎳焊接時(shí)正確選用與母材匹配的焊接材料是防止產(chǎn)生焊接熱裂紋、氣孔的重要措施；ERNi－l 焊絲比TGSNi－l 更利于消除純鎳焊接過(guò)程中的熱裂紋及氣孔傾向。

8.3　氬氣保護(hù)是影響純鎳焊接質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素?高純度的氬氣及合適的氬氣流量對(duì)獲得良好焊縫外觀質(zhì)量、防止產(chǎn)生氣孔至關(guān)重要。

8.4　純鎳焊接前對(duì)坡口周圍及焊絲表面進(jìn)行嚴(yán)格的清洗?是純鎳焊前準(zhǔn)備的一個(gè)重要工序?這樣可杜絕有害氣體的來(lái)源?防止產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷；適宜焊接線能量?可避免晶粒粗大傾向。

8.5　純鎳的焊接?圍繞防止產(chǎn)生熱裂紋、減少氣孔和防止晶粒粗大三方面進(jìn)行焊接材料及工藝參數(shù)的選擇?是非常重要的。純鎳材料的焊接工藝優(yōu)化?為今后提高同類國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的制造質(zhì)量積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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