鎳201板對(duì)接焊接技術(shù)

毛琪欽，楊 蕓

（上海寶冶工程技術(shù)有限公司，上海200941）

鎳201板對(duì)接焊接技術(shù)

毛琪欽，楊 蕓

（上海寶冶工程技術(shù)有限公司，上海200941）

采用手工鎢極氬弧焊對(duì)鎳201進(jìn)行焊接，焊接材料選取化學(xué)成分與鎳201基本相同、強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)?shù)腅RNi-1焊絲。鎳201的物理性能特點(diǎn)是熱導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)高以及焊縫金屬流動(dòng)性差，在對(duì)接焊時(shí)應(yīng)采用更大的V型坡口、坡口角度70°。焊接過程中采用小的焊接線能量、短電弧焊接，層間溫度小于100℃。焊接完成后進(jìn)行一系列檢測(cè)，主要有無損檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)和微觀金相檢測(cè)。結(jié)果表明，采用合理的焊接工藝，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

鎳201；耐高溫腐蝕；手工鎢極氬弧焊；ERNi-1焊絲

0 前言

在某研究院的熔鹽生產(chǎn)反應(yīng)器制造項(xiàng)目中，其核心部件需要耐高溫、耐腐蝕，因此大量應(yīng)用了具有良好耐腐蝕和耐高溫性能的鎳201。但鎳201液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差，其可焊性與碳鋼相比較差，需要制定合適的焊接工藝規(guī)范，才能獲得較為良好的焊接接頭，以確保產(chǎn)品安全運(yùn)行。

本研究針對(duì)該產(chǎn)品制造涉及的材料，以鎳201作為試驗(yàn)對(duì)象，探討該材料的焊接工藝技術(shù)。

1 材料的性能、化學(xué)成分及焊接性

1.1 鎳201的特性

鎳201固態(tài)具有面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，化學(xué)活潑性低，在大氣中是耐腐性最強(qiáng)的金屬之一。Ni201的物理性能見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 Ni201的物理性能

Ni在大氣中不易生銹，能抵抗苛性酸的腐蝕，對(duì)水溶液、熔鹽或熱沸的苛性鈉的耐腐蝕也很強(qiáng)。幾乎所有的有機(jī)化合物都不與Ni作用，在空氣中，Ni表面形成NiO薄層防止Ni繼續(xù)氧化。Ni在500℃以下與C無顯著作用，但含S氣體對(duì)Ni有較大的腐蝕作用，特別在Ni與Ni3S2共晶溫度635℃以上時(shí)腐蝕嚴(yán)重。

表2 Ni201的力學(xué)性能

鎳201合金是工業(yè)純的鍛造Ni，力學(xué)性能良好，尤其塑性、韌性優(yōu)良；熱加工性能良好，最適宜的熱加工溫度為870℃～1 230℃；延展性良好，易于冷加工成形，其行為類似于軟鋼?？梢栽谠俳Y(jié)晶溫度以上很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火，退火溫度705℃～925℃，溫度過高會(huì)使晶粒易于長大。

鎳201合金耐腐蝕，在室內(nèi)大氣中通常保持光亮的金屬光澤，在室外大氣中腐蝕緩慢，在海洋和鄉(xiāng)村大氣中，腐蝕速度很低。且C含量極低，在高溫下未出現(xiàn)因C或石墨引起的脆性。主要應(yīng)用于處理還原性鹵族氣體、堿溶液、非氧化性鹽類、有機(jī)酸等設(shè)備和部件，在使用時(shí)其服役溫度最好低于315℃。本次科研項(xiàng)目低碳鎳板材質(zhì)為Ni201，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 Ni201的化學(xué)成分 %

1.2 鎳201的焊接性

鎳201的焊接性良好，相當(dāng)于鉻-鎳奧氏體不銹鋼。但焊縫金屬的熱裂紋和氣孔及焊接熱影響區(qū)有晶粒長大傾向，這是鎳201焊接中存在的主要問題。

1.2.1 熱裂紋

鎳201焊接時(shí)，由于S、Si等雜質(zhì)在焊縫金屬中偏析，S和Ni形成低熔點(diǎn)共晶。焊縫金屬凝固過程中，低熔點(diǎn)共晶在晶界間形成一層液態(tài)薄膜，并在焊接應(yīng)力的作用下形成凝固裂紋。焊接過程中Si和氧等形成復(fù)雜的硅酸鹽，在晶界間形成一層脆的硅酸鹽薄膜，并在焊縫金屬凝固過程中或凝固后的高溫區(qū)形成高溫低塑性裂紋。因此S、Si是鎳201焊縫金屬中最有害的元素。

防止熱裂紋產(chǎn)生的措施：首先盡量降低焊縫金屬中S、Si等雜質(zhì)的含量，嚴(yán)格清理焊前坡口區(qū)域和焊絲等，嚴(yán)格控制母材中雜質(zhì)的含量；其次向焊縫金屬中添加適量的Mn、Nb、Mo、Ti等元素，以抵消S、Si等雜質(zhì)的有害作用。另外，采用小線能量焊接非常必要，焊前不預(yù)熱，層間溫度應(yīng)盡量低。

1.2.2 氣孔

焊接鎳201時(shí)，氣孔是個(gè)較難解決的問題，特別是焊接純鎳和鎳-銅合金時(shí)更為嚴(yán)重。這是由于液態(tài)鎳和鎳合金焊縫金屬黏度較大，張力也較大，導(dǎo)致氣體上浮逸出困難，因此出現(xiàn)氣孔的機(jī)會(huì)較多。鎳合金焊縫金屬的氣孔有H2O氣孔、氫氣孔和一氧化碳?xì)饪祝渲幸訦2O氣孔為主。由于液態(tài)鎳能溶解大量的氧，而凝固時(shí)氧的溶解度大幅度減小，使凝固過程中過剩的氧將鎳氧化成氧化亞鎳（NiO）。氧化亞鎳和液態(tài)金屬中的氫發(fā)生反應(yīng)，鎳被還原，而氫和氧結(jié)合成H2O。H2O來不及逸出，又因熔合線處和收弧、引弧處冷卻快，在該處出現(xiàn)氣孔。

解決氣孔的方法如下：

（1）通過焊條或焊絲向焊縫金屬過渡脫氧劑，如鈦、鋁、錳等，降低焊縫金屬的含氧量，防止形成氧化亞鎳（NiO）。焊條電弧焊采用堿性低氫焊條，以減少焊縫金屬中氫、氧的含量。焊條要充分烘干，采用直流反接，用短弧焊。

（2）焊前嚴(yán)格清理焊件、焊絲，清除焊件表面的氧化膜、油脂、油污、涂層及顏料等。

1.2.3 焊接熱影響區(qū)有晶粒長大傾向

鎳201為單相合金，有晶粒長大傾向，加之這類合金導(dǎo)熱性差，焊接熱不易散出，容易過熱，造成晶粒粗大，使晶間夾層增厚，減弱了晶間結(jié)合力，降低焊縫和熱影響區(qū)的塑性、抗腐蝕性能，并加長焊縫金屬的液、固相存在的時(shí)間，進(jìn)而增強(qiáng)熱裂紋的形成。

防止晶粒長大的措施：采用小的線能量進(jìn)行焊接，電流小，焊接快，焊條不做橫向擺動(dòng)，不預(yù)熱，層間溫度盡量低，焊后可進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

2 焊接方法與焊接材料的選擇

2.1 鎳201焊接方法

鎳201焊接方法主要有焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和埋弧焊。手工鎢極氬弧焊已廣泛用于鎳基合金的焊接，特別適合用于薄板、小截面、接頭不能進(jìn)行背面焊的封底以及焊后不允許有殘留熔渣的結(jié)構(gòu)件。手工鎢極氬弧焊保護(hù)作用強(qiáng)，能有效地隔絕周圍空氣，使焊接工程中的冶金反應(yīng)簡單易控制，為獲得較高質(zhì)量的焊縫提供良好條件，電弧非常穩(wěn)定，即使在很小電流情況下（小于10 A）仍可穩(wěn)定燃燒，特別適用于薄板材料焊接。本研究中，由于板材厚度只有6 mm，所以選擇手工鎢極氬弧焊焊接鎳201。

2.2 鎳201焊接材料

手工鎢極氬弧焊的保護(hù)氣體為Ar，焊絲為直徑φ1.6 mm的ERNi-1焊絲。鎳基合金焊絲成分大部分與母材相當(dāng)，但會(huì)多加入一些合金元素，以補(bǔ)償某些元素的燒損以及控制焊接氣孔和熱裂紋。焊絲ERNi-1化學(xué)性能見表4、力學(xué)性能見表5。

表4 ERNi-1化學(xué)性能 %

表5 ERNi-1力學(xué)性能

3 焊接接頭形式

鎳基合金焊接對(duì)接接頭推薦設(shè)計(jì)形式，設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮要有合適的可達(dá)性。根部的開角要足以允許焊條、焊絲和焊槍能伸入接頭底部。與碳鋼相比，鎳201的物理性能特點(diǎn)主要是熱導(dǎo)率低和膨脹系數(shù)高，這些特性均要在焊接坡口準(zhǔn)備時(shí)予以考慮，包括加寬底部間隙1～3 mm，同時(shí)由于焊縫金屬流動(dòng)性差，不易流到焊縫兩邊，在對(duì)接焊時(shí)應(yīng)采用更大的坡口角度70°，以抵消材料的收縮。有時(shí)為獲得良好的焊縫成形，會(huì)采用擺動(dòng)工藝，但這種擺動(dòng)是小擺動(dòng)，擺動(dòng)距離不超過焊條或焊絲直徑的3倍。

當(dāng)鎳基耐蝕合金板厚度大于2.4 mm時(shí)，對(duì)接接頭需要采用V形坡口、U形坡口或J形坡口。應(yīng)特別注意防止出現(xiàn)不穩(wěn)定的熔透，避免產(chǎn)生未熔合、裂紋和氣孔。由于鎳基合金工作在各種溫度的腐蝕介質(zhì)中，因此需要安全熔透的焊縫。

本次熔鹽發(fā)生器制造項(xiàng)目的鎳板規(guī)格δ=6 mm，采用手工鎢極氬弧焊，焊接參數(shù)如表6所示。

表6 Ni201焊接參數(shù)

鎳板對(duì)接焊縫采用V形坡口，坡口角度70°，接頭形式為全熔透坡口焊縫，根部間隙2～3 mm，無襯墊，如圖1所示。

圖1 鎳板對(duì)接示意

4 焊接操作工藝

4.1 焊前坡口清理

（1）清理坡口、鈍邊及焊道兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)。

（2）用銼刀、砂輪清理坡口處的氧化膜。

（3）用丙酮、堿液或?qū)Ｓ煤铣蓜┣謇砥驴谔幍奈畚?、油脂、漆等?/p>

4.2 焊接注意事項(xiàng)

（1）焊接時(shí)在保證焊透和熔合良好的前提下，在工藝參數(shù)范圍內(nèi)盡量采用小的焊接線能量、短電弧、不擺動(dòng)或小擺動(dòng)的操作方法。

（2）當(dāng)焊件較厚需多層焊應(yīng)符合的規(guī)定。

①除打底焊外，其余焊層宜采用多道焊。②層間溫度小于100℃。③每一層每一道焊完后均應(yīng)徹底清除焊道面的熔渣，并消除各種表面缺陷。

（3）各層各道的焊接接頭要錯(cuò)開。

采用實(shí)心焊絲或不填絲的鎢極氬弧焊時(shí)，焊縫背面應(yīng)充氬，可設(shè)計(jì)工裝實(shí)行背面保護(hù)，并符合下列要求：①焊前適當(dāng)加大充氬氣開始時(shí)的流量，確定裝置內(nèi)空氣完全排除后方可施焊。②焊接時(shí)逐步降低充氬氣流量，以避免充氬氣壓力較高造成焊縫背面在成形時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部或根部未焊透現(xiàn)象。③手工鎢極氬弧焊時(shí)，焊絲的加熱端應(yīng)始終處在氬氣保護(hù)下。為加強(qiáng)保護(hù)效果可在焊嘴后側(cè)加一輔助輸送保護(hù)氣拖罩。④焊件表面嚴(yán)禁電弧擦傷，并嚴(yán)禁在焊件表面引弧、收弧。⑤與焊件連接的焊接電源地線不得直接接觸工件，應(yīng)采用與焊件同材質(zhì)的材料過渡連接，以避免鐵污染。⑥焊接中確保引弧和收弧的質(zhì)量，應(yīng)填滿收弧的弧坑。⑦焊接完畢必須及時(shí)清理干凈焊縫表面的熔渣及周圍的飛濺物、防飛濺材料。⑧焊接施工中避免污染，采用不銹鋼錘、不銹鋼絲刷、專用砂輪片。

5 鎳201的焊接實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

依據(jù)ASME-ⅡQW191.2.2標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，焊完24 h后探傷無缺陷，判定結(jié)果合格?？估瓕?shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值大于等于345MPa，實(shí)測(cè)值1#為365MPa，2#為355MPa，母材延斷，彎曲試驗(yàn)合格。金相試驗(yàn)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/ T13298-1991 ASME SB-162：2004 ASTM E 112進(jìn)行磨拋、腐蝕后，置于金相顯微鏡下觀察，結(jié)果為：母材鎳201顯微組織為γ相，呈孿晶分布，晶粒度級(jí)別7級(jí)；熱影響區(qū)顯微組織為γ相，晶粒略有長大，晶粒度級(jí)別6級(jí)；焊縫區(qū)顯微組織為γ相，呈枝晶狀分布。表明焊接過程中線能量控制較好，符合材料耐高溫、耐腐蝕需求，如圖2所示。

圖2 金相組織形貌

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Ni201 plate butt welding technology

MAO Qiqin，YANG Yun
（Shanghai Baoye Engineering Technology Co.，Ltd，Shanghai 200941，China）

Ni201 is welded by manual argon tungsten arc welding,and ERNi-1 wire with the same chemical composition and the same strength grade as that of Ni201 is selected as the welding material.The physical properties of Ni201 are characterized by low thermal conductivity，high expansion coefficient and poor weld fluid，use large V-shaped groove,groove angle of 70°in the butt welding.In the welding process，adopt small welding line energy and short arc welding，layer temperature is less than 100℃.After welding,a series of tests have been carried out，which mainly include nondestructive testing，mechanical property testing and micro metallographic examination.The results show that all kinds of performance indexes meet the requirements of the standard with reasonable welding technology.

Ni201；high temperature corrosion resistance；manual tungsten argon arc welding；ERNi-1 wire

TG457.19

B

1001-2303（2017）03-0098-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.19

獻(xiàn)

毛琪欽，楊蕓.鎳201板對(duì)接焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：98-101，108.

2016-04-26；

2016-09-12

毛琪欽（1976—），男，浙江奉化人，高級(jí)技師，主要從事焊接培訓(xùn)工作。