Monel 400與16MnDR異種鋼SMAW/GTAW焊接分析

路言

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 宜興 214200)

鎳銅合金主要應用于氟化工、石油機械、精細化工、化肥等領域的設備及部件之中，這些行業使用的設備大都屬于特種設備范疇之內的壓力容器，壓力管道。Monel400鎳銅合金是一種已經證明的在壓力容器、壓力管道行業氟介質中廣泛使用的最具有優異耐腐蝕性能的特殊材料，在中高溫的強酸、強堿中也表現出較好的耐腐蝕效果。隨著經濟不斷發展，鎳銅合金使用更為廣泛，最常用的是采用碳鋼材料為基體保證其強度，Monel400合金保證其耐強酸腐蝕性能，該種應用不可避免地存在異種金屬焊接，尤其在低溫工況下，不可避免地使用到抗低溫材料。目前手工電弧焊、鎢極氬弧焊，僅有“GB/T15620-2008”鎳及鎳合金焊絲，“GB/T13814-2008”鎳及鎳合金焊條兩份國家標準作為推薦性標準，與異種鋼低溫鋼的焊接工藝，缺乏相關的技術規范。為此，對Monel400與16MnDR異種鋼的焊接進行分析研究，分別用焊條、焊絲進行對比試驗，確定其焊接方法、焊接工藝，為今后該兩種金屬在低溫工況下的異種鋼焊接提供數據支撐。

1 試驗材料

一塊試板為Monel400合金，一塊試板為16MnDR，試板厚度為6mm，尺寸如圖1、圖2所示。

圖1

圖2

兩種異種鋼材料質保書化學成分及力學性能如下表1，表2所示。

鎢極氬弧焊與手工電弧焊所使用的焊絲與焊條化學成分如下表3所示。

2 焊前準備

依據特種設備行業標準NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》、NB/T47015-2011《壓力容器焊接規程》，制定Monel400合金與16MnDR焊接工藝作業指導書。

表1 Monel400與化學成分 %

表2 Monel400與16MnDR鋼板力學性能

表3 焊條ENiCu-7與焊絲SNi4060化學成分 %

表4 16MnDR與Monel400異種鋼鎢極氬弧焊（采用SNi4060焊絲）對接焊接參數1#

表5 16MnDR與Monel400異種鋼手工電弧焊（采用ENiCu-7焊條）對接焊接參數2#

（1）坡口加工。制備坡口采用冷加工去除影響焊接質量的表面層，坡口表面應保持平整、不應有裂紋、分層、夾雜物等缺陷。

（2）施焊環境。相對濕度不能大于90%，雨雪大風等天氣時，如無有效防護不得施焊。氬弧焊風速在大于2m/s禁止施焊，手工電弧焊在風速在大于10m/s禁止施焊。

（3）焊前清理。離坡口兩側各25mm范圍內的材料表面進行嚴格的機械清理，應將水、銹、油污、積渣和其他有害雜質清理干凈。

（4）焊接事項。最低預熱溫度15℃，控制道間溫度不宜大于300℃，不得使用鉛錘錘擊焊接區。

（5）焊工培訓。參照TSG Z6002-2010《特種設備焊接操作人員考核規則》，選用已通過該項目測試合格的焊工進行施焊。

3 施焊過程

兩塊試板分別標記為1#、2#，對應的具體焊接方式為：

1#：16MnDR與Monel400異種鋼手工電弧焊（采用ENiCu-7焊條）對接。

2#：16MnDR與Monel400異種鋼鎢極氬弧焊（采用SNi4060焊絲）對接。

由于鎳合金的導熱性能差，液態焊縫金屬流動性差，與低溫鋼焊接時，焊縫和基體金屬容易過熱，造成晶粒粗大，使接頭的塑形和韌性下降。因此，在選取焊接工藝參數時，采用小線能量焊接、窄焊道，嚴格控制層間溫度。施焊記錄如表4、表5。

表6 焊接接頭力學性能結果

4 焊后檢驗

（1）外觀檢查。對兩組焊接試板進行外觀檢查，焊縫表面未出現裂紋、未熔合、夾渣、夾鎢、氣孔、焊瘤和未焊透等缺陷，手工電弧焊表面未出現咬邊和凹坑，焊縫余高、焊縫邊緣直線度、比坡口增寬等尺寸均符合焊工考試規則要求。

（2）力學性能。經測試的焊接接頭的力學性能符合NB/T47016-2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》及相關標準要求，焊接接頭力學性能測試結果見表6所示，拉伸試樣斷裂區如圖3所示。

圖3

5 結語

通過上述的試驗結果分析，兩種焊接材料只要按照常規的焊接工藝參數、嚴格的施焊工藝準備，均能焊接出合格的焊接產品。但是，由于鎳及鎳合金的焊縫金屬流動性差，且基體為低溫材料，采用小電流、多層多道焊可以有效地控制熔敷金屬的稀釋，從而保證焊縫金屬的力學性能以及耐腐蝕性能。