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，主要介質為裂解氣，主體材料為Q345R，進料管口處考慮到裝配方便、介質的腐蝕性等因素，采用了對焊環松套法蘭（LF/SE）（見圖1），其結構主要由翻邊短節、帶頸法蘭、接管組成，其中翻邊短節和接管設計選用NCu30材料，規格為φ60.3×5.6mm，帶頸法蘭材料為16MnⅡ鍛件。 翻邊短節與接管對接連接，接管與產品殼體及補強圈角接連接。

圖1 對焊環松套法蘭結構形式

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，并應用于產品焊接生產。

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規范中材料UNS編號N04400相同，兩種材料化學成分和力學性能對比如表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，組織結構為單相奧氏體組織。該合金具有良好的耐蝕性和冷熱加工性能，廣泛應用在石油化工及海洋開發等領域，用來制造各種換熱設備、石油和化工管線等。

表1 NCu30和N04400材料化學成分（質量分數） （%）

表2 NCu30和N04400材料力學性能

蒙乃爾合金材料焊接時容易產生氣孔和裂紋缺陷，其原因分析如下：

（1）氣孔 蒙乃爾合金焊接產生的氣孔有H2氣孔、CO氣孔和H2O氣孔。H2氣孔和CO氣孔的產生是由于焊前清理不到位，焊接過程中保護氣體被破壞造成的，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域在引弧和接頭處冷卻快，結晶速度快，加之這些區域往往保護較差，母材或空氣中H進入熔池來不及逸出，而與NiO反應形成H2O氣孔。

（2）裂紋 當蒙乃爾合金與Q345R焊接時，在應力的作用下容易產生熱裂紋缺陷。另外，由于蒙乃爾合金的導熱性差，焊接時熱量不易擴散，易產生過熱，造成晶粒粗大，減弱晶間結合力，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、熔化極氣體保護焊和埋弧焊等各種焊接方法。根據產品結構特點，由于對焊環松套法蘭中接管與翻邊短節直徑較小，壁厚較薄，且產品主筒體為φ600mm，內部空間較小，所以兩個接頭均采用氬弧焊在外部進行單面焊。

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

（3）焊接材料 為保證焊接接頭的力學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。其化學成分如表3所示。

圖 2

圖3 坡口形式

表3 焊接材料化學成分（質量分數） （%）

焊接時，接頭正反面均采用氬氣保護，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，可保持電弧的穩定和足夠的熔深。

（4）坡口設計 由于鎳基合金液態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。坡口應采用機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鍵。焊前清理應在任何形式的加熱之前，清理方法根據被清理物質的種類，采用溶劑、鹽酸溶液或磨削、噴丸、打磨及機加工等方法。清理內容包括接頭表面的氧化物，凡能與Ni形成低熔點共晶的有害元素（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、坡口兩側各50mm范圍內的材料表面，以及與接頭相接觸的工具等。

（6）預熱和道間溫度 為防止蒙乃爾合金材料過熱，應嚴格控制預熱溫度和焊縫道間溫度，道間溫度應控制在≤100℃。蒙乃爾合金焊接一般不進行預熱，而當母材溫度＜15℃時，可將接頭兩側250~300mm區域預熱到15~20℃，以去除濕氣。

（7）焊接參數 根據蒙乃爾合金的焊接性選擇焊接參數，為防止其產生熱裂紋，應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，可以適當微擺動。制定的焊接參數如表4所示。

（8）焊接工藝評定 按照NB/T47014標準要求，由于NCu30與ASME材料N04400化學成分和力學性能相同，所以選用了5.5mm厚的N04400和Q345R板材進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、補強圈的焊接工藝，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100%RT和100%PT檢測，無缺陷后進行拉伸、彎曲及沖擊等試驗項目，試驗結果如表5所示。

由表5可看出，兩組工藝評定試樣的抗拉強度均大于退火狀態蒙乃爾合金N04400母材規定的抗拉強度的最低值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內也沒有開口缺陷，滿足了NB/T47018標準要求。對于N04400與Q345R的異種材料焊接工藝評定，在焊縫及Q345R側熱影響區部位取樣進行了-20℃沖擊試驗，沖擊吸收能量＞31J，同樣滿足NB/T47014標準要求。

由此可見，試件經無損檢測合格后取樣進行力學性能檢測，焊接接頭的抗拉強度、彎曲性能和沖擊性能結果均滿足標準要求，證明制定的焊接工藝可以保證焊接接頭的力學性能。

表4 焊接參數

表5 焊接工藝評定試驗結果

4. 產品焊接應用

（1）接管與翻邊短節焊接 接管與翻邊短節焊接接頭形式如圖3所示，焊前將坡口及其兩側30mm范圍內的雜質清除，并采用丙酮擦洗母材和焊絲表面。焊接時接管內充氬氣保護，按照正確方法進行定位，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。焊接過程中若發現氣孔等缺陷，應及時清除，并重新焊接。焊接后接頭表面進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

（2）接管與筒體、補強圈焊接 接頭形式如圖4所示，焊前除清除坡口及其兩側范圍內的雜質外，坡口還應采用火焰適當進行預熱至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，試件位置為垂直固定平焊，先焊接接管與筒體焊縫，焊后進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。再進行接管與補強圈焊接，焊槍可適當微擺，多層多道焊，保證液態焊縫金屬充滿坡口，防止產生未熔合缺陷?？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，以減少Q345R在焊縫中的熔合比。焊接后接頭表面進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

圖3 接管與翻邊短節焊接接頭形式

圖4 接管與筒體、補強圈焊接接頭形式

5. 結語

通過采用上述焊接工藝，獲得了滿足標準要求的焊接接頭，并且此工藝已成功應用于產品生產中，取得了良好的效果。

[1] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：材料的焊接[M]. 第3版.北京：機械工業出版社, 2008.

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