Mone1400合金焊接技术研究

2021-09-29王多明张亚森侯彦龙李青春包国强武斌李文强

金属加工(热加工) 2021年9期

王多明，张亚森，侯彦龙，李青春，包国强，武斌，李文强

中核四〇四有限公司第一分公司甘肃兰州 732850

1 序言

耐腐蚀Monel400镍铜合金主要元素为Ni和Cu，由于Ni和Cu能够形成无限固溶体，使其组织可成为单相奥氏体[1]。由于Monel400合金具有优良耐氟、耐氢氟酸性能，具有良好的力学性能和加工性能，能在较为恶劣的腐蚀环境中工作，因此被广泛应用于腐蚀性较强的化工、海洋开发、核工业等领域[2-4]。

反应器器体作为主要核心设备，伴随核工业快速发展，反应器器体在中温状态和强腐蚀的环境下运行，因而对反应器器体焊接性能提出更高的要求。由于反应器器体尺寸较大，焊接坡口不易成形，Monel400合金材料在卷制过程中，延展率较大，因此焊接坡口角度对于焊接质量影响很大，焊接过程中易变形，焊后极易出现裂纹、气孔等缺陷。本文通过对Monel400合金材料进行焊接性分析，在焊接方法、焊接材料、焊接参数等方面进行焊接工艺评定[5]，选择最佳的焊接参数和操作技术，应用于反应器器体的焊接。

2 反应器器体结构和技术指标

（1）反应器器体结构反应器器体结构如图1所示。由于反应器器体焊接坡口不易成形，焊接过程中板材易产生变形，因此焊后极易出现裂纹、气孔等，在实际使用过程中存在焊缝缺陷及焊接质量问题，焊缝易出现腐蚀减薄。通过对Monel400合金材料进行焊接性分析，在焊接方法、焊接材料、焊接参数等方面进行研究，拟解决焊接变形、焊缝缺陷，提高焊接接头质量，降低焊缝腐蚀。

图1 反应器器体结构及主焊缝布局

（2）主要技术指标反应器主要技术指标见表1。另外，反应器焊接接头A、B类焊缝采用NB 47013.2—2015标准进行100%RT检测，技术等级为A、B级。

表1 主要设计参数

3 Monel400合金的焊接特点

由于Monel400合金材料在液态下的流动性及浸润性较差，焊接过程中焊缝极易产生气孔、夹渣、裂纹、未熔合和咬边等缺陷。这些缺陷直接影响着反应器器体的使用寿命，具体Monel400合金材料焊接存在以下特点[6]。

（1）容易氧化镍和铜的互溶性很好，同时与氧的结合力较强，在高温时与氧结合易生成氧化膜，这种氧化膜极易产生气孔、夹渣、裂纹、未熔合和咬边等缺陷，使焊接性能降低。

（2）易产生气孔 Monel400合金的焊接气孔主要为H2气孔、CO气孔和H2O气孔。其中以H2O气孔为主。在焊接过程中，焊缝金属中的镍熔化为液态能溶解大量的氧（1720℃氧在镍合金中的溶解度为1.18%）。当焊缝金属凝固时，氧的溶解度逐渐减小，过剩的氧将镍氧化成氧化亚镍，NiO和Ni与H反应，镍被还原后，而氢与氧反应生成H2O在熔池凝固时来不及逸出，而形成H2O气孔。由于在焊接过程中焊道周边区域冷却快，结晶速度大，造成熔池中的氢来不及逸出，而形成H2O气孔。

（3）焊接接头的力学性能下降 Monel400合金焊后焊接接头的组织发生较大的变化，在焊接应力和电化学腐蚀作用下，焊接接头性能明显下降。这主要体现在Monel400合金在腐蚀介质中首先发生电化学腐蚀，一定时间后，被焊金属表面产生较长的微裂纹，受应力集中和渗入裂纹内部吸附物质的楔入作用，促使裂纹扩张，从而暴露了新鲜的表面，继续在介质中腐蚀，其过程反复进行，直到材料断裂为止。

（4）Monel400合金的耐腐蚀性能下降在生产实际中，焊接接头的耐腐蚀性能会远低于母材，主要原因是焊接的保护不良易产生高温氧化、气孔、裂纹和焊缝表面不平整等缺陷。焊接时合金元素的烧损及脆化等造成其在焊接接头中相对减少，极易降低Monel400合金的耐蚀性。

（5）焊接热裂纹倾向大 Monel400合金中的Cu对O、S、Pb、P等杂质元素很敏感，焊接时易形成焊接热裂纹。在焊接过程中，铜与杂质反应产生低熔点共晶体，低熔点共晶体再结晶过程中分布在晶间或晶界处，使镍铜合金具有明显的热脆性。

（6）存在黏稠和“浅熔深”的特性 Monel400合金焊接时，Monel400合金高温下黏稠度比较大。熔池的合金表面张力非常大和气体电离中多数离子向两侧偏离特点，较多离子不易向下流动，而是从中心向四周流动，形成“浅熔深”现象，这主要是由Monel400合金特性决定的。

4 Monel400合金焊接工艺研究

4.1 试验材料

试验材料为Monel400合金，试板规格为650mm×125mm×12mm，其化学成分、力学性能和物理性能见表2～表4。

表2 Monel400合金材料的化学成分（质量分数）（%）

表4 Monel400合金材料的物理性能

表3 Monel400合金材料的力学性能

4.2 焊接接头形式

由于Monel400合金液态焊缝金属流动性较差，存在“熔深浅”的特性，若单纯通过增大焊接电流来提升焊缝金属流动性和熔池深度，反而不利于焊接。因为增大焊接电流的同时增大了焊接热裂纹的敏感性，所以使焊缝金属中脱氧剂蒸发，造成气孔。为了保证接头的熔透和减少“浅熔深”现象，选择适当增大坡口角度、减小钝边高度的焊接接头形式，对纵、环焊缝采用单面焊双面成形，具体坡口形式如图2所示。

图2 反应器环、纵焊缝焊接坡口形式

4.3 焊前准备

Monel400合金材料焊接关键点是焊接区、填充材料保护。由于Monel400合金材料和焊丝表面存在油污、水分以及被氧化膜覆盖，妨碍焊丝填充金属与Monel400母材金属结合且氧化膜熔点高（约3680℃），易形成微裂纹或隐裂纹等焊接缺陷[7]，因此焊接前必须对焊件表面进行清理，以保持焊件的清洁度。清理方式采用机械方法清理坡口及两侧50mm范围钝边和坡口内杂质，如脂、油、漆、标记用蜡笔、切削液等。并将焊道表面的氧化物使用机械打磨清除后用丙酮清洗。

4.4 焊接方法的选择

由于Monel400合金材料本身对于气体杂质敏感，容易导致局部脆弱形成裂纹和偏吹产生夹渣，因此常规的电弧焊不适用该设备高质量的焊接要求。该设备母材板厚为12mm，为保证内部的焊接质量，提高耐腐蚀性能，同时减小内部焊缝的打磨量，综合考虑，该设备纵、环焊缝焊接接头宜在惰性气体保护气氛进行焊接，最终选择采用手工钨极氩弧焊进行焊接。选择使用TIG焊接设备，是因为TIG焊具有高频引弧和滞后的保护气流。

Monel400合金材料焊接时，应注意以下几个方面：①保护气体流量。②焊枪喷嘴直径。③钨极直径与电流大小。

（1）保护气体氩气是一种无色无味的单原子惰性气体，在焊接高温时不易分解，不易与金属起化学反应，不易溶解于Monel400合金材料熔池金属中。在氩气的氛围中焊接，能有效避免Monel400合金形成氧化膜，防止气孔、夹渣、裂纹、未熔合和咬边等缺陷的产生，提高焊接性能。

该设备焊接接头的保护效果同氩气的流量和焊枪的喷嘴直径相关：①当焊枪喷嘴直径一定时，氩气流量过低时，气流挺度差，排除焊缝熔池周围中空气的能力弱，对焊接接头的保护效果不佳；氩气流量过高时，容易形成紊流，将空气卷入焊缝熔池，容易产生裂纹，降低焊接接头保护效果。②当氩气流量一定时，焊枪喷嘴直径过小，对焊接接头周围保护范围小，并且容易造成氩气气流速度过高而形成紊流；喷嘴直径过大时，妨碍焊工观察，同时造成氩气气流流速降低，降低保护效果。

根据查阅资料，喷嘴直径同气体流量关系见表5，通过试验确定喷嘴直径同气体流量的最佳关系。

表5 喷嘴直径与气体流量关系

（2）钨极直径及端部形状钨极直径与焊接电流大小、电流种类相关；钨极端部形状是钨极直径选择重要的工艺参数。根据所用焊接电流种类，选用不同的端部形状。同样，尖端角度的大小会影响钨极电流、引弧及稳弧性能。钨极直径与电流关系见表6。

表6 钨极直径与电流关系

4.5 焊接材料的选择

Monel400合金间焊接时，应选用的焊丝成分与母材基本接近或优于母材的焊丝，但是为了补充在焊接过程中元素的烧损，控制气孔、裂纹的产生，需在焊丝中加入一些合金元素，如Mo、W、Mn、Cr、Nb等，可有效控制焊缝多边化晶界的产生和发展，提高Monel400合金焊缝抗热裂纹能力。因此，手工钨极氩弧焊选用国际钛合金公司（简称SMC公司）生产的Monel60（φ2.4mm）的填充材料，其化学成分见表7。

表7 Monel60焊丝的化学成分（质量分数）（%）

4.6 焊接参数

通过对Monel400合金间焊接工艺研究和焊接试验，确定该设备直筒段纵焊缝、直筒段与下锥体环焊缝，以及下锥体纵焊缝的焊接参数见表8。

表8 Monel400合金焊接参数

4.7 焊接过程控制

1）由于Monel400镍铜合金的熔敷金属流动性差，因此严禁通过提高焊接电流来增加焊缝金属的流动性，因为焊接热输入过大，焊接接头容易过热，造成晶粒长大，同时会增加热裂纹和气孔产生的概率。

2）在焊接过程中，应避免电弧搅动熔池；加热焊丝端应保护在氩气中，避免热的末端氧化和造成污染；焊接收弧时，熄弧前液态金属应填满弧坑。

3）在焊接过程中，当钨极触及熔池或焊丝熔化端时，应立即停止焊接作业，并清除钨极接触部分的焊缝金属后再继续施焊。

4）填充焊丝应从熔池的前端进入熔池，避免其与钨极接触。

5）为防止焊缝被氧化，应将层间温度控制在100～150℃。

6）焊接过程中保护气体流量选择在8～12L/min，保护气体流量过大时，可能造成气体紊流，影响焊缝的冷却速率，从而对焊缝造成不利影响。

7）选用带垫板焊接工艺，确保根部焊透，提高熔池保护效果。焊接接头的X射线检测、力学性能检测、金相组织检测都满足材料性能指标。

5 试验结果与分析

5.1 无损检测

焊后经过严格的清理后，对试件焊接接头进行外观检测，焊缝成形良好，焊缝表面无明显缺陷，焊接试样如图3所示。反应器器体焊接完毕24h后，按照NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测》对直筒段纵焊缝、直筒段与下锥体环焊缝，以及下锥体纵焊缝进行100%X射线检测，均未发现裂纹等缺陷，焊接质量达到Ⅰ级要求。

图3 Monel400焊接试板

5.2 焊接接头拉伸与弯曲性能分析

按照标准GB 2651—1989《焊接接头拉伸试验方法》对Monel400合金焊接接头拉伸试验进行取样，如图4所示。采用GMT5105型万能试验机和弯曲试验机按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》对Monel400合金焊接接头进行力学性能和弯曲性能检测，试验结果见表9。

表9 Monel400合金焊接接头力学性能数据及结果

图4 焊接接头力学性能取样

Monel400合金母材的抗拉强度为585MPa，焊接接头的抗拉强度为565MPa，相当于母材强度的96.6%，基本达到与母材等强度的要求；焊接接头弯曲（面弯、背弯）180°后均未发现裂纹产生，表明Monel400合金焊接接头的强度和塑性较好，均能满足NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的要求。