纯镍材料焊接工艺的优化(大会二等奖).doc

纯镍材料焊接工艺优化 姜家仪 郑世锋 (齐鲁石化公司工程管理部，淄博 255408) 1 引言 纯镍是在工业生产中各种苛刻腐蚀环境下采用的金属材料。鉴于石油化工生产过程中高温 、高压和介质强腐蚀性的特点，石油化工装置设备选材的要求很高，烧碱装置的关键设 备碱蒸发器就是采用纯镍制造的。我国石化行业烧碱装置的碱蒸发器过去基本是随装置从国 外引进的，近年来，该设备已初步进行国产化。由于碱蒸发器的制造涉及到纯镍材料的焊接 ，因此，如何对纯镍材料进行焊接工艺优化，成为保证设备制造质量的关键。由于纯镍材料本身固有的物理、化学特性，在焊接过程中极易出现裂纹、气孔及晶粒粗大 等缺陷，严重影响到设备的制造质量及使用性能。我们承接了碱蒸发器的制造任务，设备制 造前通过对纯镍材料进行焊接工艺试验及理论分析，对纯镍材料的焊接工艺进行优化，并采 取工艺措施，终于成功地制造出合格产品，为今后提高同类国产化设备的制造质量积累了经 验。 2 设备制造及操作要求 碱蒸发器是烧碱装置四效逆流蒸发工艺流程中的关键设备。其工作温度为162.5，工作 介质中的NaOH浓度43.5%、NaCl浓度7%、Na2SO4浓度0.6%，其壳程压力为0.9 MPa。设备 要求优良的焊缝外观质量，对接焊缝100%RT检测按JB4730规定的级为合格。碱蒸发器由蒸 发室、加热室组成。其中蒸发室的规格为：4876350510，材质为纯镍，型号为符合AS ME标准的NiSB-162-200，材料的化学成分及力学性能见表1。 表1 纯镍材料的化学成分(质量分数)(%)及力学性能 化学成分(%) 力学性能 Ni Mn Fe C S P b/Mpa 0.2/Mpa 5(%)99.5 0.2 0.2 0.08 0.01 .035 380 140 30 3 纯镍的焊接性分析 纯镍为单相奥氏体组织，液态凝固过程中不发生相变，极易与S、P、B、Pb等元素形成低 熔点共晶体，从而导致产生热裂纹；纯镍固液相温度区间小，流动性低，液态时溶解H2、 O2、CO2等气体，在焊接快速冷却凝固过程中极易形成气孔；另外纯镍的电阻率大、热 导率低，焊接过程中易过热，导致焊缝晶粒迅速长大，纯镍材料晶粒一旦粗化后，很难用热 处理的方法来改善，严重影响焊接接头的机械性能和耐蚀性能。 4 纯镍的焊接性试验 考虑到设备的结构特点，在进行焊接性试验时，采用手工钨极氩弧焊(TIG)的方法，试件 为65015010的板件对接，单面V型坡口，角度为60，坡口间隙为2 mm，无钝边。焊丝 采用2 mm的TGSNi-1。其化学成分见表2。 表2 TGSNi-1的化学成分(质量分数)(%) C Si Mn S P Ni Cu Ti Al Fe 0.06 0.41 0.24 0.001 0.03 96.23 0.01 3.02 0.02 0.01 焊接工艺参数见表3。 表3 焊接工艺参数 焊接层数 焊接电流I/A 电弧电压U/V 焊速/(mmmin-1) 氩气流量(Lmin-1) 1、2 100120 1214 5060 12 3、4 120140 1214 6070 14 焊后进行RT检测发现焊缝区存在气孔，在RT底片上没有发现裂纹，但在进行微观金相检 验时发现：(1)焊缝内存在裂纹。(2)纯镍焊接接头熔和线附近有晶粒长大的倾向，且方向性很强。 5 焊接缺陷分析 5.1 裂纹产生的原因通过对纯镍焊缝金相的详细观察及理论分析，认为产生的裂纹为凝固裂纹和多边化裂纹 。 5.1.1 凝固裂纹晶间液膜是引发单相纯镍材料焊缝凝固裂纹的主要因素。高温时纯镍极易与S、P、B、Pb 等元素形成低熔点共晶体，这些低熔点组织以液态膜的形式残留于晶界区，在收缩应力的作 用下发生开裂，特别是硫化镍熔点只有645，磷化镍的熔点8801。焊接性试 验时产生了热裂纹，我们认为焊缝中的S、P元素含量高是主要原因。S、P元素的来源主要是母材与焊丝表面的污物，特别是含硫或铅的一些污物，在焊接过程 中过渡到焊缝中，但焊丝合金成分中脱硫元素的含量有限，如焊丝中的有益元素锰含量较少 ，因为提高锰含量能扩大有害元素，如磷等的溶解度极限2。因此，焊接前对母 材与焊丝表面进行严格清理、提高焊接材料的锰含量，对防止纯镍焊接产生热裂纹，是很有 必要的。另外，纯镍材料的线膨胀系数较大，焊接过程中，易形成较大的焊接应力，导致裂 纹的产生。 5.1.2 多边化裂纹焊接过程是一个不平衡的冶金过程，焊缝金属由液相向固相结晶速度很快，不平衡的 结晶过程导致晶体点阵原子排列不完整，形成了大量的空位、位错等晶格缺陷。随着结晶过 程的进行，这些空位、位错逐渐合并、集聚、扩大，最后形成了与一次结晶晶界不同的新网 界或亚晶界即多边化晶界。该多边化晶界是薄弱的，在一定的应力作用下，很容易形成多边 化裂纹。纯镍材料为单相奥氏体组织，其焊缝金属的多边化晶界形成和发展比较顺利，因此 最后发展成多边化裂纹。多边化裂纹一般为微裂纹，用一般的RT射线探伤仪不易检测到，更应引起足够的重视。因 此，在纯镍材料的单相奥氏体焊缝中加入固溶强化的大原子半径的Mo、W、Mn、Nb等元素， 来阻碍空位、位错的移动、合并，可有效地防止纯镍材料焊缝多边化裂纹产生与发展 ，且这些大原子半径的元素能造成晶格点阵畸变，使不理想晶格的定向生长不易完成 ，这对防止多边化裂纹是很有益的。 5.2 气孔的成因分析5.2.1 周围气体和低碳钢、低合金钢的焊接相比，纯镍氧化性焊接气氛更易于导致气孔的产生，H2、O 2、CO2在液态纯镍中溶解度较大(例如O2在1720时溶解度为1.18%)，但在冷却凝固 时，溶解度大幅度地减少(O2在1447时溶解度仅为0.06%)2。高温溶解的气体 来不及逸出，便形成气孔。所以说要防止产生气孔，必须保护好焊接熔池，采用高纯度的焊 接材料，添加足够的脱氧剂，使熔池金属全面脱氧。在钨极惰性气体保护焊时，要同时考虑 焊接时某些合金元素的烧损；添加足量的合金成分。由此可见，焊缝冶金系统中的脱氧反应 对仰制气孔的产生是很关键的。 5.2.2 表面清洁度我们在分析气孔产生的原因时，认为焊材、母材表面的清洁度对形成焊接气孔有很大的影 响。如焊件、焊丝表面上的水份、油污、焊件坡口及两侧的油脂、机械切削液等，这些污物 中都含有氢、碳等元素，高温时溶入液态金属，凝固过程中便形成气孔。 5.2.3 氩气的影响氩气是惰性保护气体，具有高温不分解又不与焊缝金属发生氧化反应的特征。但氩气的纯 度对焊接质量有较大的影响，氩气中的O2、N2、H2O等杂质含量超过标准规定时，会 使焊接电弧不稳定，而产生气孔。同时，氩气的流量也是一个重要的焊接工艺参数。当氩气 的流量太小时，起不到保护效果；当氩气流量太大时，不仅浪费氩气，反而会产生紊流，将 空气卷入保护区，使焊缝形成气孔。 5.3 晶粒粗大纯镍材料的热导率低、电阻系数大，焊缝和热影响区有过热倾向。焊接时采用的焊接线能 量较大，所有这两方面，在首次施焊时，都没有从根本上得到重视，促使了粗大晶粒的产生 。奥氏体晶粒粗大，既容易使低熔点共晶体在晶界聚集形成热裂纹，又影响了接头的耐蚀性 能和机械性能。纯镍材料的晶粒一旦粗化后，很难用热处理的方法来消除。焊接过程中，减 少焊缝的热输入量，同时向焊接熔池中添加足量的A1、Ti等细化晶粒的合金元素，可防止纯 镍焊接晶粒粗化倾向。 6 优化的焊接工艺 通过焊接性试验及理论分析，找到了产生焊接缺陷的主要原因，最终得到了纯镍材料优化 的焊接工艺。 6.1 焊接方法根据纯镍的焊接特点，结合碱蒸发器的结构，在焊接方法上仍选用TIG焊，但为了增加焊 接区域的保护效果，同时采取背面充氩保护。 6.2 焊前准备 由于焊件坡口区域和焊丝表面存在油污、水分及氧化膜等杂质，在焊接过程中易造成焊接 缺陷。因此，焊前必须对坡口及两侧50 mm范围内、焊丝表面进行严格清理，采用化学清的 方法。 清洗工序：先将焊件、焊丝用热水冲洗干净后，浸入酸洗液中510min，取出后用热水 冲洗，然后用10%的氨水中和，最后在沸水中清洗并干燥。一般焊件、焊丝清洗完后24h内用 完，否则，须再次清洗，避免重新氧化产生氧化镍薄膜。 6.3 坡口型式纯镍焊接与低合金钢相比有低熔透性的特点，但不能采用大线能量来增加熔透性。坡口型 式应选择较大的坡口角度，同时为减少焊缝金属的填充量及焊接应力，应采取双面V型坡口 。具体的坡口型式为：双面V型坡口、角度为75、钝边1mm、间隙2mm。 6.4 焊接材料6.4.1 焊丝通过焊接性试验，认识到填充材料的化学成分是防止纯镍焊接产生缺陷、保证焊接质量的 一个关键因素。焊丝TGSNi-l不是在该条件下焊接纯镍的最佳焊材，同时，脱硫也不够充分 。最后，选用了冶金成分配置较合理符合AWS标准的焊丝，型号为ERNi-l，该焊丝的气孔敏 感性小并能防止产生焊接裂纹。ERNi-l的化学成分见表4。 表4 ERNi-l的化学成分(质量分数)(%) C Mn Fe P S Si Cu Ni Ti Al 0.15 1.0 1.0 0.03 0.015 0.75 0.25 93.0 2.03.5 1.5 其它元素总量0.5% 6.4.2 氩气氩气的纯度对焊接质量有较大的影响，应选用国家定点生产厂的产品，纯度要求达99.99% ，当每瓶氩气用至内压2.0 MPa时，因为此时含水量有所增加，应停止使用。同时，在每瓶 氩气使用前，可先在纯镍试板上进行检验，点焊后焊点外观银白如镜的为最优；表面为金紫 色、灰褐色的禁止使用。 6.5 焊接工艺参数针对纯镍的导热率低，容易过热，焊缝晶粒易长大的倾向，严格控制焊接工艺参数是十分 重要的。特别是焊接线能量，单纯靠减小焊接电流的方法，实际证明并不是有效的，因为液 态镍的流动性较差，熔深浅，实际焊接采用的电流不宜太小，保证焊缝熔合的条件下用提高 焊速的方法来控制热输入量。严格控制层间温度。焊接工艺参数见表6。 表6 焊接工艺参数 焊接层数 焊接电流I/A 电弧电压U/V 焊速/(mmmin-1) 层间温度 1 90110 1214 6070 50 24 100120 1214 6070 50 氩气充量是影响保护效果的一个重要参数。流量大小是获得优质焊缝的关键，氩气的流 量过大，反而易产生焊接缺陷。氩气流量可由下面的经验公式确定：QKD式中，Q为氩气流量，D为喷嘴直径，K为系数(0.81.2)。而D(2.53.5)d式中，d为钨极直径，一般为3 mm，因此氩气流量一般在810L/min为宜。背面氩气流量46L/min。 6.6 操作技术要求对纯镍焊接，操作技术也是很重要的一个方面，实际设备施焊时，我们做了如下要求：(1)施焊操作时，焊矩不准摆动，采用短弧施焊，弧长一般控制在1.01.5 mm之间，每一 段接头时，可以回焊一小段，以利气体排出。(2)填满弧孔，以防产生弧孔裂纹。(3)焊接过程中，焊丝的加热端不准离开保护气体，断弧后，要待焊接熔池冷却后才能切 断氩气保护。(4)背面清根，层间清理要严格进行，防止镍的氧化膜在焊接过程中进入熔池，而形成焊 接缺陷。 7 设备制造质量 7.1 设备焊接结果设备施焊完毕，外观质量完全达到要求。对接焊缝经100%RT检测，共计拍片124张，按JB4 730的规定级均合格(其中级片76张)。焊缝一次合格率达到100%。 7.2 产品焊接试板产品焊接试板焊缝外观检查合格后，RT检测达到JB4730规定级。金相试验未发现裂纹及 晶粒粗大现象。机械性能试验结果见表7。 表7 机械性能试验结果 项目 b/Mpa 0.2/Mpa 5( %) 弯曲试验试板试样 395，386 155，14 8 36.6，33.3 原材料 380 140 30 面弯、背弯合格 产品试板检验合理。 8 结论 8.1 碱蒸发器纯镍材料NiSB-162-200,采用TIG焊接方法，焊丝为ERNi-l ，能够获得优质的焊接接头。 8.2 纯镍焊接时正确选用与母材匹配的焊接材料是防止产生焊接热裂纹 、气孔的重要措施；ERNi-l焊丝比TGSNi-l更利于消除纯镍焊接过程中的热裂纹及气孔倾向 。 8.3 氩气保护是影响纯镍焊接质量的另一个关键因素，高纯度的氩气及 合适的氩气流量对获得良好焊缝外观质量、防止产生气孔至关重要。 8.4 纯镍焊接前对坡口周围及焊丝表面进行严格的清洗，是纯镍焊前准 备的一个重要工序，这样可杜绝有害气体的来源，防止产生气孔、裂纹等焊接缺