公司承接的延安煤油氣資源綜合利用項目罐區裝置盤管採用了N04400與06Cr19Ni10焊接接頭。管子規格:φ32×3.5。N04400屬於Ni-2類鎳基合金(Ni-Cu類),06Cr19Ni10屬於Fe-8類Fe-8-1組別奧氏體不鏽鋼。N04400焊接性較差。
1.焊接性分析
1.1 化學成分和物理性能對比
N04400屬於鎳基鎳銅類合金,鎳和鐵的二元共晶物中有較多的低熔點金屬共晶物和非金屬共晶物。特別是硫磷共晶熔點比鎳鐵低的多;06Cr19Ni10屬於18-8型奧氏體不鏽鋼。兩者的化學成分和物理性能對照表如表1和表2所示:
表1 N04400與06Cr19Ni10化學成分對照表(質量分數,%)
C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Cu | |
N04400 | 0.002 | 0.3 | 1.35 | 0.003 | 0.001 | 65 | -. | 31.15 |
06Cr19Ni10 | 0.044 | 0.48 | 1.36 | 0.008 | 0.009 | 8.22 | 18.26 | - |
表2 N04400與06Cr19Ni10物理性能對照表
材質 | 最低抗拉強度 | 屈服強度 |
N04400 | ≥480 | ≥195 |
06Cr19Ni10 | ≥520 | ≥205 |
1.2 鎳基合金的物理特性
鎳基合金與不鏽鋼及碳素鋼相比較其物理性質有以下特點:
1.2.1熔點低;
1.2.2線膨脹係數介於奧氏體不鏽鋼與低合金鋼之間(用於異種材料焊接的重要原因);
1.2.3導熱係數低,電阻高;
1.3 鎳基焊接材料及與奧氏體不鏽鋼焊接的選擇原則
1.3.1化學成份儘可能相近;
1.3.2焊接材料特殊性。如抗裂性要求;
1.3.3就高不就低原則。如Incoloy 800H應選用Ni625焊材;
1.3.4儘可能用鹼性藥皮焊條;
1.3.5儘可能選擇抗裂性好的材料。
1.4鎳基合金焊接材料的特點
1.4.1單相奧氏體組織
1.4.2焊接熱循環的冷卻過程無組織變化
1.4.3與母材相比一般加入了抗裂元素
1.4.4抗裂主要靠第二相和大原子元素(如W,Mo,Nb等)
1.5 鎳基及鐵鎳合金常見的焊接問題
1.5.1焊接熱裂紋特別是弧坑裂紋[1]
熱裂紋——低熔點共晶物的液態膜殘留在晶界區,同時線膨脹係數大,焊接時易產生較大的應力,焊縫結晶時低熔點共晶物的液態膜在收縮應力作用下易產生開裂。
1.5.2容易產生氣孔、未熔合和夾渣(特別純鎳和哈氏B)
固液相温度間距小,流動性偏低,在快速冷卻結晶條件下,氣體來不及逸出極易在焊縫中產生氣孔。
措施:小線能量、降低層間温度、加快焊縫冷卻速度。
1.5.3 對油污更為敏感
1.6 鎳基及鐵鎳合金焊接工藝要點
1.6.1要求焊接件表面清潔,防止表面的氧化和避免有害元素混雜其中;
1.6.2儘可能採用小規範焊接,控制線能量(小線能量)和層間温度;
1.6.3坡口要適當加大角度。由於鎳合金焊材所形成的熔池十分粘稠,形成淺熔深,通過修改坡口形式來改變這種淺熔深;
2、焊接工藝評定
由於之前沒有類似材質焊接經驗,故需做焊接工藝評定試驗。N04400和06Cr19Ni10管子規格為φ32×3.5,其焊接接頭簡圖如圖1所示:
2.1 焊接坡口的製備
坡口角度60±5°,鈍邊0-1mm,組對時間隙2-3mm。
2.2 焊前清理
焊件組對前,應對坡口兩側各50mm範圍進行清理。在清理過程中,可應用不鏽鋼刷,以避免鐵污染。在使用前對焊絲用砂紙打磨,使其露出金屬光澤。
2.3 焊接參數
採用φ2.5mm的ERNiCu-7焊絲,屬於Ni-Cu類鎳基焊絲。適用於蒙乃爾400合金自身的焊接,同時也適用與蒙乃爾400合金與不鏽鋼的焊接。鎢極材料為鈰鎢極,噴嘴直徑φ8.0mm。層間温度≤150℃。保護氣體為純氬,純度為99.99%。
其具體焊接參數如表3:
表3:焊接參數
焊道/焊層 | 焊接 方法 | 填充金屬 | 氣體流量L/min | 焊接電流 | 電壓 (V) | 焊速 (cm/min) | 線能量 (KJ/cm) | |||
型號 | 直徑 | 正面 | 背面 | 極性 | 電流(A) | |||||
1 | GTAW | ERNiCu-7 | φ2.5 | 12-15 | / | 正接 | 65-75 | 11-13 | 6-8 | ≤10 |
2 | GTAW | ERNiCu-7 | φ2.5 | 12-15 | / | 正接 | 65-75 | 11-13 | 6-8 | ≤10 |
2.4焊接操作要點
2.4.1 施工現場GTAW方法,若風速≥2m/s,相對濕度≥90%,温度低於0℃,沒有采取相應措施不允許施焊;
2.4.2 對於小直徑薄壁管,焊接過程中採用濕布擦拭焊縫兩側,減少焊縫的高温停留時間,增加焊縫的冷卻速度;
2.4.3 焊接必須管內充氬保護,氬氣純度不得低於99.99%;
2.4.4 焊工在施焊前,必須進行考試,具有NiⅡ類和FeⅣ焊工資質,考試合格進行技術交底後,方能進行施焊;
2.4.5 每個焊口進行組對後,經檢查員和監理驗證後,方可進行施焊;
2.4.6 焊接過程中,焊工要做好施焊記錄,層間温度≤150℃;
2.4.7 焊接完成後,焊工及時清楚飛濺、熔渣等,並對弧坑外觀質量進行自檢,質檢人員根據自檢記錄進行檢查,檢查合格後進行焊縫標識。
3 結論
3.1 N04400和06Cr19Ni10的焊接接頭焊接性較差,必須嚴格執行焊接工藝措施:採用小電流,低電壓,快焊速,才能保證最佳焊接接頭性能;
3.2 N04400和06Cr19Ni10採用全氬弧焊接,嚴格按照焊接工藝評定進行施焊。
參考文獻:
[1] 鄧義剛等。國際焊接工程師培訓教程。2011:9/10。