蒙乃尔合金NCu30材料焊接工艺

赵瑞辉

1. 概述

我公司制作的一台EDC裂解单元用急冷塔底料汽提塔，主要介质为裂解气，主体材料为Q345R，进料管口处考虑到装配方便、介质的腐蚀性等因素，采用了对焊环松套法兰（LF/SE）（见图1），其结构主要由翻边短节、带颈法兰、接管组成，其中翻边短节和接管设计选用NCu30材料，规格为φ60.3×5.6mm，带颈法兰材料为16MnⅡ锻件。 翻边短节与接管对接连接，接管与产品壳体及补强圈角接连接。

图1 对焊环松套法兰结构形式

该管口涉及到材料NCu30与NCu30，NCu30与16MnⅡ（Q345R）之间的焊接。本文重点介绍NCu30的焊接性，通过焊接工艺评定试验，确定了合适的焊接工艺，并应用于产品焊接生产。

2. 焊接性分析

NCu30材料为Ni-Cu合金，又称为蒙乃尔合金，该材料与ASME SB127规范中材料UNS编号N04400相同，两种材料化学成分和力学性能对比如表1和表2所示。蒙乃尔合金是一种以金属Ni为基体，添加Cu、Fe和Mn等其他元素而成的合金，组织结构为单相奥氏体组织。该合金具有良好的耐蚀性和冷热加工性能，广泛应用在石油化工及海洋开发等领域，用来制造各种换热设备、石油和化工管线等。

表1 NCu30和N04400材料化学成分（质量分数） （%）

表2 NCu30和N04400材料力学性能

蒙乃尔合金材料焊接时容易产生气孔和裂纹缺陷，其原因分析如下：

（1）气孔 蒙乃尔合金焊接产生的气孔有H2气孔、CO气孔和H2O气孔。H2气孔和CO气孔的产生是由于焊前清理不到位，焊接过程中保护气体被破坏造成的，H2O气孔形成于焊道的熔合线附近及起弧和接头处较多。这是因为在焊接过程中焊道周边区域在引弧和接头处冷却快，结晶速度快，加之这些区域往往保护较差，母材或空气中H进入熔池来不及逸出，而与NiO反应形成H2O气孔。

（2）裂纹 当蒙乃尔合金与Q345R焊接时，在应力的作用下容易产生热裂纹缺陷。另外，由于蒙乃尔合金的导热性差，焊接时热量不易扩散，易产生过热，造成晶粒粗大，减弱晶间结合力，所以也增大了热裂纹的倾向，降低接头的塑性和耐蚀性。

3. 焊接工艺试验

（1）焊接方法 蒙乃尔合金焊接可采用氩弧焊、焊条电弧焊、熔化极气体保护焊和埋弧焊等各种焊接方法。根据产品结构特点，由于对焊环松套法兰中接管与翻边短节直径较小，壁厚较薄，且产品主筒体为φ600mm，内部空间较小，所以两个接头均采用氩弧焊在外部进行单面焊。

（2）焊接设备 选用威特力WSME—315逆变交直流脉冲氩弧焊机，直流正接（见图2）。

（3）焊接材料 为保证焊接接头的力学性能和耐蚀性不低于母材要求，NCu30之间焊接选用成分与母材相同的锦州特种焊条有限公司生产的ERNiCu—7焊丝，φ2.0mm，NCu30与Q345R之间焊接选用京群的ERNi—1纯镍焊丝，φ1.6mm。其化学成分如表3所示。

图 2

图3 坡口形式

表3 焊接材料化学成分（质量分数） （%）

焊接时，接头正反面均采用氩气保护，纯度为99.99%Ar，正面流量为8~10L/min，反面流量为6~8L/min。钨极选用铈钨极，规格为φ2.4mm，尖端磨平形成锥形，直径约为0.4mm，可保持电弧的稳定和足够的熔深。

（4）坡口设计 由于镍基合金液态焊缝金属具有流动性较差和熔深较浅的工艺特性，不容易润湿展开，所以接头需提供足够的空间便于金属填充，坡口应采用较大的根部间隙和坡口角度，较小的钝边高度，以防止焊接时出现未熔合和未焊透缺陷。工艺评定试验采用对接接头的坡口形式。坡口应采用机加工或等离子弧切割，不能采用氧乙炔切割。

（5）焊前清理 焊件表面的清洁性是成功焊接镍基耐蚀合金的关键。焊前清理应在任何形式的加热之前，清理方法根据被清理物质的种类，采用溶剂、盐酸溶液或磨削、喷丸、打磨及机加工等方法。清理内容包括接头表面的氧化物，凡能与Ni形成低熔点共晶的有害元素（如S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb和As等）以及生成物（油污、漆、涂料、标记笔痕迹、墨水、测温笔痕迹、切削液及车间灰尘等）；清理范围包括焊丝、坡口、坡口两侧各50mm范围内的材料表面，以及与接头相接触的工具等。

（6）预热和道间温度 为防止蒙乃尔合金材料过热，应严格控制预热温度和焊缝道间温度，道间温度应控制在≤100℃。蒙乃尔合金焊接一般不进行预热，而当母材温度＜15℃时，可将接头两侧250~300mm区域预热到15~20℃，以去除湿气。

（7）焊接参数 根据蒙乃尔合金的焊接性选择焊接参数，为防止其产生热裂纹，应采用较小的焊接热输入，多层多道焊，焊接时为获得良好焊缝成形，可以适当微摆动。制定的焊接参数如表4所示。

（8）焊接工艺评定 按照NB/T47014标准要求，由于NCu30与ASME材料N04400化学成分和力学性能相同，所以选用了5.5mm厚的N04400和Q345R板材进行了两组焊接工艺评定试验，一组为N04400与Q345R异种材料焊接，验证接管与筒体、补强圈的焊接工艺，评定编号为PQR1311；一组为N04400与N04400相同材料焊接，验证翻边短节与接管的焊接工艺，评定编号为PQR1312。两组评定试件采用对接接头形式。

试件焊后经100%RT和100%PT检测，无缺陷后进行拉伸、弯曲及冲击等试验项目，试验结果如表5所示。

由表5可看出，两组工艺评定试样的抗拉强度均大于退火状态蒙乃尔合金N04400母材规定的抗拉强度的最低值485MPa，且为塑性断裂，面弯、背弯试样弯曲到180°后，拉伸面上的焊缝及热影响区内也没有开口缺陷，满足了NB/T47018标准要求。对于N04400与Q345R的异种材料焊接工艺评定，在焊缝及Q345R侧热影响区部位取样进行了-20℃冲击试验，冲击吸收能量＞31J，同样满足NB/T47014标准要求。

由此可见，试件经无损检测合格后取样进行力学性能检测，焊接接头的抗拉强度、弯曲性能和冲击性能结果均满足标准要求，证明制定的焊接工艺可以保证焊接接头的力学性能。

表4 焊接参数

表5 焊接工艺评定试验结果

4. 产品焊接应用

（1）接管与翻边短节焊接 接管与翻边短节焊接接头形式如图3所示，焊前将坡口及其两侧30mm范围内的杂质清除，并采用丙酮擦洗母材和焊丝表面。焊接时接管内充氩气保护，按照正确方法进行定位，焊接从定位端开始，焊枪尽量不摆动或微摆，控制焊缝成形，打底层应保证焊透，填充层焊接速度要快，控制焊缝道间温度＜100℃，以免材料过热。焊接过程中若发现气孔等缺陷，应及时清除，并重新焊接。焊接后接头表面进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

（2）接管与筒体、补强圈焊接 接头形式如图4所示，焊前除清除坡口及其两侧范围内的杂质外，坡口还应采用火焰适当进行预热至15℃，焊丝表面及接管待焊部位采用丙酮擦洗。焊接时背面通氩气保护，试件位置为垂直固定平焊，先焊接接管与筒体焊缝，焊后进行100%PT检测，Ⅰ级合格。再进行接管与补强圈焊接，焊枪可适当微摆，多层多道焊，保证液态焊缝金属充满坡口，防止产生未熔合缺陷。控制焊缝道间温度≤100℃，以免材料过热，焊接时电弧偏向接管一侧，以减少Q345R在焊缝中的熔合比。焊接后接头表面进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

图3 接管与翻边短节焊接接头形式

图4 接管与筒体、补强圈焊接接头形式

5. 结语

通过采用上述焊接工艺，获得了满足标准要求的焊接接头，并且此工艺已成功应用于产品生产中，取得了良好的效果。

[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：材料的焊接[M]. 第3版.北京：机械工业出版社, 2008.

[2] 王贵生. 蒙乃尔合金的焊接[J]. 焊管，2000（4）：32-34.