鎳棒鎳板等純鎳材料焊接工藝優化

1、引言

純鎳是在工業生產中各種苛刻腐蝕環境下采用的金屬材料。鑒于石油化工生產過程中高溫、高壓和介質強腐蝕性的特點?石油化工裝置設備選材的要求很高?燒堿裝置的關鍵設備堿蒸發器就是采用純鎳制造的。我國石化行業燒堿裝置的堿蒸發器過去基本是隨裝置從國外引進的?近年來?該設備已初步進行國產化。由于堿蒸發器的制造涉及到純鎳材料的焊接?因此?如何對純鎳材料進行焊接工藝優化?成為保證設備制造質量的關鍵。

由于純鎳材料本身固有的物理、化學特性?在焊接過程中極易出現裂紋、氣孔及晶粒粗大等缺陷?嚴重影響到設備的制造質量及使用性能。我們承接了堿蒸發器的制造任務?設備制造前通過對純鎳材料進行焊接工藝試驗及理論分析?對純鎳材料的焊接工藝進行優化?并采取工藝措施?終于成功地制造出合格產品?為今后提高同類國產化設備的制造質量積累了經驗。

2、設備制造及操作要求

堿蒸發器是燒堿裝置四效逆流蒸發工藝流程中的關鍵設備。其工作溫度為162.5℃?工作介質中的NaOH 濃度43.5％、NaCl 濃度7％、Na₂SO₄ 濃度0.6％?其殼程壓力為0.9MPa。設備要求優良的焊縫外觀質量?對接焊縫100％RT 檢測按JB4730規定的Ⅱ級為合格。堿蒸發器由蒸發室、加熱室組成。其中蒸發室的規格為：φ4876×3505×10?材質為純鎳?型號為符合ASME 標準的NiSB－162－200?材料的化學成分及力學性能見表1。

3、純鎳的焊接性分析

純鎳為單相奧氏體組織?液態凝固過程中不發生相變?極易與S、P、B、Pb 等元素形成低熔點共晶體?從而導致產生熱裂紋；純鎳固液相溫度區間小?流動性低?液態時溶解H₂、O₂、CO₂ 等氣體?在焊接快速冷卻凝固過程中極易形成氣孔；另外純鎳的電阻率大、熱導率低?焊接過程中易過熱?導致焊縫晶粒迅速長大?純鎳材料晶粒一旦粗化后?很難用熱處理的方法來改善?嚴重影響焊接接頭的機械性能和耐蝕性能。

4、純鎳的焊接性試驗

考慮到設備的結構特點?在進行焊接性試驗時?采用手工鎢極氬弧焊（TIG）的方法?試件為650×150×10的板件對接?單面V 型坡口?角度為60°?坡口間隙為2mm?無鈍邊。焊絲采用Φ2mm 的TGSNi－1。

其化學成分見表2。

焊接工藝參數見表3。

焊后進行RT 檢測發現焊縫區存在氣孔?在RT底片上沒有發現裂紋?但在進行微觀金相檢驗時發現：

（1）焊縫內存在裂紋。

（2）純鎳焊接接頭熔和線附近有晶粒長大的傾向?且方向性很強。

5、焊接缺陷分析

5.1　裂紋產生的原因

通過對鎳棒、鎳板等純鎳焊縫金相的詳細觀察及理論分析?認為產生的裂紋為凝固裂紋和多邊化裂紋。

5.1.1　凝固裂紋

晶間液膜是引發單相純鎳材料焊縫凝固裂紋的主要因素。高溫時純鎳極易與S、P、B、Pb 等元素形成低熔點共晶體?這些低熔點組織以液態膜的形式殘留于晶界區?在收縮應力的作用下發生開裂?特別是硫化鎳熔點只有645℃?磷化鎳的熔點880℃［1］。焊接性試驗時產生了熱裂紋?我們認為焊縫中的S、P 元素含量高是主要原因。

S、P 元素的來源主要是母材與焊絲表面的污物?特別是含硫或鉛的一些污物?在焊接過程中過渡到焊縫中?但焊絲合金成分中脫硫元素的含量有限?如焊絲中的有益元素錳含量較少?因為提高錳含量能擴大有害元素?如磷等的溶解度極限［2］。因此?焊接前對母材與焊絲表面進行嚴格清理、提高焊接材料的錳含量?對防止純鎳焊接產生熱裂紋?是很有必要的。另外?純鎳材料的線膨脹系數較大?焊接過程中?易形成較大的焊接應力?導致裂紋的產生。

5.1.2　多邊化裂紋

焊接過程是一個不平衡的冶金過程?焊縫金屬由液相向固相結晶速度很快?不平衡的結晶過程導致晶體點陣原子排列不完整?形成了大量的空位、位錯等晶格缺陷。隨著結晶過程的進行?這些空位、位錯逐漸合并、集聚、擴大?最后形成了與一次結晶晶界不同的新網界或亞晶界即多邊化晶界。該多邊化晶界是薄弱的?在一定的應力作用下?很容易形成多邊化裂紋。純鎳材料為單相奧氏體組織?其焊縫金屬的多邊化晶界形成和發展比較順利?因此最后發展成多邊化裂紋。

多邊化裂紋一般為微裂紋?用一般的RT 射線探傷儀不易檢測到?更應引起足夠的重視。因此?在純鎳材料的單相奧氏體焊縫中加入固溶強化的大原子半徑的Mo、W、Mn、Nb 等元素?來阻礙空位、位錯的移動、合并?可有效地防止純鎳材料焊縫多邊化裂紋產生與發展［3］?且這些大原子半徑的元素能造成晶格點陣畸變?使不理想晶格的定向生長不易完成?這對防止多邊化裂紋是很有益的。

5.2　氣孔的成因分析

5.2.1　周圍氣體

和低碳鋼、低合金鋼的焊接相比?純鎳氧化性焊接氣氛更易于導致氣孔的產生?H₂、O₂、CO₂ 在液態純鎳中溶解度較大（例如O₂ 在1720℃時溶解度為1.18％）?但在冷卻凝固時?溶解度大幅度地減少（O₂ 在1447℃時溶解度僅為0.06％）［2］。高溫溶解的氣體來不及逸出?便形成氣孔。所以說要防止產生氣孔?必須保護好焊接熔池?采用高純度的焊接材料?添加足夠的脫氧劑?使熔池金屬全面脫氧。在鎢極惰性氣體保護焊時?要同時考慮焊接時某些合金元素的燒損；添加足量的合金成分。由此可見?焊縫冶金系統中的脫氧反應對仰制氣孔的產生是很關鍵的。

5.2.2　表面清潔度

我們在分析氣孔產生的原因時?認為焊材、母材表面的清潔度對形成焊接氣孔有很大的影響。如焊件、焊絲表面上的水份、油污、焊件坡口及兩側的油脂、機械切削液等?這些污物中都含有氫、碳等元素?高溫時溶入液態金屬?凝固過程中便形成氣孔。

5.2.3　氬氣的影響

氬氣是惰性保護氣體?具有高溫不分解又不與焊縫金屬發生氧化反應的特征。但氬氣的純度對焊接質量有較大的影響?氬氣中的O₂、N₂、H₂O 等雜質含量超過標準規定時?會使焊接電弧不穩定?而產生氣孔。同時?氬氣的流量也是一個重要的焊接工藝參數。當氬氣的流量太小時?起不到保護效果；當氬氣流量太大時?不僅浪費氬氣?反而會產生紊流?將空氣卷入保護 區?使焊縫形成氣孔。

5.3　晶粒粗大

鎳棒、鎳板等純鎳材料的熱導率低、電阻系數大?焊縫和熱影響區有過熱傾向。焊接時采用的焊接線能量較大?所有這兩方面?在首次施焊時?都沒有從根本上得到重視?促使了粗大晶粒的產生。奧氏體晶粒粗大?既容易使低熔點共晶體在晶界聚集形成熱裂紋?又影響了接頭的耐蝕性能和機械性能。純鎳材料的晶粒一旦粗化后?很難用熱處理的方法來消除。焊接過程中?減少焊縫的熱輸入量?同時向焊接熔池中添加足量的A1、Ti等細化晶粒的合金元素?可防止純鎳焊接晶粒粗化傾向。

6、優化的焊接工藝

通過焊接性試驗及理論分析?找到了產生焊接缺陷的主要原因?最終得到了純鎳材料優化的焊接工藝。

6.1　焊接方法

根據純鎳的焊接特點?結合堿蒸發器的結構?在焊接方法上仍選用TIG 焊?但為了增加焊接區域的保護效果?同時采取背面充氬保護。

6.2　焊前準備

由于焊件坡口區域和焊絲表面存在油污、水分及氧化膜等雜質?在焊接過程中易造成焊接缺陷。因此?焊前必須對坡口及兩側50mm 范圍內、焊絲表面進行嚴格清理?采用化學清的方法。其清洗液的配方見表4。

清洗工序：先將焊件、焊絲用熱水沖洗干凈后?浸入酸洗液中5～10min?取出后用熱水沖洗?然后用10％的氨水中和?最后在沸水中清洗并干燥。一般焊件、焊絲清洗完后24h 內用完?否則?須再次清洗?避免重新氧化產生氧化鎳薄膜。

6.3　坡口型式

純鎳焊接與低合金鋼相比有低熔透性的特點?但不能采用大線能量來增加熔透性。坡口型式應選擇較大的坡口角度?同時為減少焊縫金屬的填充量及焊接應力?應采取雙面V 型坡口。具體的坡口型式為：雙面V 型坡口、角度為75°、鈍邊1mm、間隙2mm。

6.4　焊接材料

6.4.1　焊絲

通過焊接性試驗?認識到填充材料的化學成分是防止純鎳焊接產生缺陷、保證焊接質量的一個關鍵因素。焊絲TGSNi－l 不是在該條件下焊接純鎳的最佳焊材?同時?脫硫也不夠充分。最后?選用了冶金成分配置較合理符合AWS 標準的焊絲?型號為ERNi－l?該焊絲的氣孔敏感性小并能防止產生焊接裂紋。ERNi－l 的化學成分見表5。

6.4.2　氬氣

氬氣的純度對焊接質量有較大的影響?應選用國家定點生產廠的產品?純度要求達99.99％?當每瓶氬氣用至內壓2.0MPa 時?因為此時含水量有所增加?應停止使用。同時?在每瓶氬氣使用前?可先在純鎳試板上進行檢驗?點焊后焊點外觀銀白如鏡的為最優；表面為金紫色、灰褐色的禁止使用。

6.5　焊接工藝參數

針對純鎳的導熱率低?容易過熱?焊縫晶粒易長大的傾向?嚴格控制焊接工藝參數是十分重要的。特別是焊接線能量?單純靠減小焊接電流的方法?實際證明并不是有效的?因為液態鎳的流動性較差?熔深淺?實際焊接采用的電流不宜太小?保證焊縫熔合的條件下用提高焊速的方法來控制熱輸入量。嚴格控制層間溫度。焊接工藝參數見表6。

氬氣充量是影響保護效果的一個重要參數。流量大小是獲得優質焊縫的關鍵?氬氣的流量過大?反而易產生焊接缺陷。

氬氣流量可由下面的經驗公式確定：

Q＝K·D

式中?Q 為氬氣流量?D 為噴嘴直徑?K 為系數（0.8～1.2）。而D＝（2.5～3.5）d式中?d 為鎢極直徑?一般為Φ3mm?因此氬氣流量一般在8～10L／min 為宜。

背面氬氣流量4～6L/min。

6.6　操作技術要求

對純鎳焊接?操作技術也是很重要的一個方面?實際設備施焊時?我們做了如下要求：

（1）施焊操作時?焊矩不準擺動?采用短弧施焊?弧長一般控制在1.0～1.5mm 之間?每一段接頭時?可以回焊一小段?以利氣體排出。

（2）填滿弧孔?以防產生弧孔裂紋。

?斷弧后?要待焊接熔池冷卻后才能切斷氬氣保護。

（4）背面清根?層間清理要嚴格進行?防止鎳的氧化膜在焊接過程中進入熔池?而形成焊接缺陷。

7、設備制造質量

7.1　設備焊接結果

設備施焊完畢?外觀質量完全達到要求。對接焊縫經100％RT 檢測?共計拍片124張?按JB4730的規定Ⅱ級均合格（其中Ⅰ級片76張）。焊縫一次合格率達到100％。

7.2　產品焊接試板

產品焊接試板焊縫外觀檢查合格后?RT 檢測達到JB4730規定Ⅰ級。金相試驗未發現裂紋及晶粒粗大現象。機械性能試驗結果見表7。

產品試板檢驗合理。

8、結論

8.1　堿蒸發器純鎳材料NiSB－162－200?采用TIG焊接方法?焊絲為ERNi－l?能夠獲得優質的焊接接頭。

8.2　純鎳焊接時正確選用與母材匹配的焊接材料是防止產生焊接熱裂紋、氣孔的重要措施；ERNi－l 焊絲比TGSNi－l 更利于消除純鎳焊接過程中的熱裂紋及氣孔傾向。

8.3　氬氣保護是影響純鎳焊接質量的另一個關鍵因素?高純度的氬氣及合適的氬氣流量對獲得良好焊縫外觀質量、防止產生氣孔至關重要。

8.4　純鎳焊接前對坡口周圍及焊絲表面進行嚴格的清洗?是純鎳焊前準備的一個重要工序?這樣可杜絕有害氣體的來源?防止產生氣孔、裂紋等焊接缺陷；適宜焊接線能量?可避免晶粒粗大傾向。

8.5　純鎳的焊接?圍繞防止產生熱裂紋、減少氣孔和防止晶粒粗大三方面進行焊接材料及工藝參數的選擇?是非常重要的。純鎳材料的焊接工藝優化?為今后提高同類國產化設備的制造質量積累了經驗。

參考文獻

【1】曾樂．現代焊接技術手冊．上海：上海科學技術出版社?1993．11

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

【3】彭日輝等．Ni－Cr－Mo 系焊接材料抗熱裂性能的研究及應用．冶金部鋼鐵研究總院?1987．12