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镍棒镍板等纯镍材料焊接工艺优化

发布时间: 2022-12-29 06:44:40    浏览次数:

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0.9MPa。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Ⅱ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:φ4876×3505×10‚材质为纯镍‚型号为符合ASME 标准的NiSB-162-200‚材料的化学成分及力学性能见表1。

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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650×150×10的板件对接‚单面V 型坡口‚角度为60°‚坡口间隙为2mm‚无钝边。焊丝采用Φ2mm 的TGSNi-1。

其化学成分见表2。

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焊接工艺参数见表3。

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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

通过对镍棒、镍板等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880℃[1]。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[3]‚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、O2、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

镍棒、镍板等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50mm 范围内、焊丝表面进行严格清理‚采用化学清的方法。其清洗液的配方见表4。

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清洗工序:先将焊件、焊丝用热水冲洗干净后‚浸入酸洗液中5~10min‚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5。

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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2.0MPa 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。

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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:

Q=K·D

式中‚Q 为氩气流量‚D 为喷嘴直径‚K 为系数(0.8~1.2)。而D=(2.5~3.5)d式中‚d 为钨极直径‚一般为Φ3mm‚因此氩气流量一般在8~10L/min 为宜。

背面氩气流量4~6L/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1.0~1.5mm 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。

‚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JB4730的规定Ⅱ级均合格(其中Ⅰ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Ⅰ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。

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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、裂纹等焊接缺陷;适宜焊接线能量‚可避免晶粒粗大倾向。

8.5 纯镍的焊接‚围绕防止产生热裂纹、减少气孔和防止晶粒粗大三方面进行焊接材料及工艺参数的选择‚是非常重要的。纯镍材料的焊接工艺优化‚为今后提高同类国产化设备的制造质量积累了经验。

参考文献

【1】曾乐.现代焊接技术手册.上海:上海科学技术出版社‚1993.11

【2】AWS.Welding Handbook‚7th Edition‚Vo14.1987

【3】彭日辉等.Ni-Cr-Mo 系焊接材料抗热裂性能的研究及应用.冶金部钢铁研究总院‚1987.12

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