Monel 400與16MnDR異種鋼SMAW/GTAW焊接分析

路言

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 宜興 214200)

鎳銅合金主要應(yīng)用于氟化工、石油機(jī)械、精細(xì)化工、化肥等領(lǐng)域的設(shè)備及部件之中，這些行業(yè)使用的設(shè)備大都屬于特種設(shè)備范疇之內(nèi)的壓力容器，壓力管道。Monel400鎳銅合金是一種已經(jīng)證明的在壓力容器、壓力管道行業(yè)氟介質(zhì)中廣泛使用的最具有優(yōu)異耐腐蝕性能的特殊材料，在中高溫的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中也表現(xiàn)出較好的耐腐蝕效果。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，鎳銅合金使用更為廣泛，最常用的是采用碳鋼材料為基體保證其強(qiáng)度，Monel400合金保證其耐強(qiáng)酸腐蝕性能，該種應(yīng)用不可避免地存在異種金屬焊接，尤其在低溫工況下，不可避免地使用到抗低溫材料。目前手工電弧焊、鎢極氬弧焊，僅有“GB/T15620-2008”鎳及鎳合金焊絲，“GB/T13814-2008”鎳及鎳合金焊條兩份國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，與異種鋼低溫鋼的焊接工藝，缺乏相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。為此，對(duì)Monel400與16MnDR異種鋼的焊接進(jìn)行分析研究，分別用焊條、焊絲進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，確定其焊接方法、焊接工藝，為今后該兩種金屬在低溫工況下的異種鋼焊接提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料

一塊試板為Monel400合金，一塊試板為16MnDR，試板厚度為6mm，尺寸如圖1、圖2所示。

圖1

圖2

兩種異種鋼材料質(zhì)保書化學(xué)成分及力學(xué)性能如下表1，表2所示。

鎢極氬弧焊與手工電弧焊所使用的焊絲與焊條化學(xué)成分如下表3所示。

2 焊前準(zhǔn)備

依據(jù)特種設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》、NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》，制定Monel400合金與16MnDR焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書。

表1 Monel400與化學(xué)成分 %

表2 Monel400與16MnDR鋼板力學(xué)性能

表3 焊條ENiCu-7與焊絲SNi4060化學(xué)成分 %

表4 16MnDR與Monel400異種鋼鎢極氬弧焊（采用SNi4060焊絲）對(duì)接焊接參數(shù)1#

表5 16MnDR與Monel400異種鋼手工電弧焊（采用ENiCu-7焊條）對(duì)接焊接參數(shù)2#

（1）坡口加工。制備坡口采用冷加工去除影響焊接質(zhì)量的表面層，坡口表面應(yīng)保持平整、不應(yīng)有裂紋、分層、夾雜物等缺陷。

（2）施焊環(huán)境。相對(duì)濕度不能大于90%，雨雪大風(fēng)等天氣時(shí)，如無(wú)有效防護(hù)不得施焊。氬弧焊風(fēng)速在大于2m/s禁止施焊，手工電弧焊在風(fēng)速在大于10m/s禁止施焊。

（3）焊前清理。離坡口兩側(cè)各25mm范圍內(nèi)的材料表面進(jìn)行嚴(yán)格的機(jī)械清理，應(yīng)將水、銹、油污、積渣和其他有害雜質(zhì)清理干凈。

（4）焊接事項(xiàng)。最低預(yù)熱溫度15℃，控制道間溫度不宜大于300℃，不得使用鉛錘錘擊焊接區(qū)。

（5）焊工培訓(xùn)。參照TSG Z6002-2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核規(guī)則》，選用已通過該項(xiàng)目測(cè)試合格的焊工進(jìn)行施焊。

3 施焊過程

兩塊試板分別標(biāo)記為1#、2#，對(duì)應(yīng)的具體焊接方式為：

1#：16MnDR與Monel400異種鋼手工電弧焊（采用ENiCu-7焊條）對(duì)接。

2#：16MnDR與Monel400異種鋼鎢極氬弧焊（采用SNi4060焊絲）對(duì)接。

由于鎳合金的導(dǎo)熱性能差，液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差，與低溫鋼焊接時(shí)，焊縫和基體金屬容易過熱，造成晶粒粗大，使接頭的塑形和韌性下降。因此，在選取焊接工藝參數(shù)時(shí)，采用小線能量焊接、窄焊道，嚴(yán)格控制層間溫度。施焊記錄如表4、表5。

表6 焊接接頭力學(xué)性能結(jié)果

4 焊后檢驗(yàn)

（1）外觀檢查。對(duì)兩組焊接試板進(jìn)行外觀檢查，焊縫表面未出現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣、夾鎢、氣孔、焊瘤和未焊透等缺陷，手工電弧焊表面未出現(xiàn)咬邊和凹坑，焊縫余高、焊縫邊緣直線度、比坡口增寬等尺寸均符合焊工考試規(guī)則要求。

（2）力學(xué)性能。經(jīng)測(cè)試的焊接接頭的力學(xué)性能符合NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表6所示，拉伸試樣斷裂區(qū)如圖3所示。

圖3

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述的試驗(yàn)結(jié)果分析，兩種焊接材料只要按照常規(guī)的焊接工藝參數(shù)、嚴(yán)格的施焊工藝準(zhǔn)備，均能焊接出合格的焊接產(chǎn)品。但是，由于鎳及鎳合金的焊縫金屬流動(dòng)性差，且基體為低溫材料，采用小電流、多層多道焊可以有效地控制熔敷金屬的稀釋，從而保證焊縫金屬的力學(xué)性能以及耐腐蝕性能。