Monel 400与16MnDR异种钢SMAW/GTAW焊接分析

路言

(江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 宜兴 214200)

镍铜合金主要应用于氟化工、石油机械、精细化工、化肥等领域的设备及部件之中，这些行业使用的设备大都属于特种设备范畴之内的压力容器，压力管道。Monel400镍铜合金是一种已经证明的在压力容器、压力管道行业氟介质中广泛使用的最具有优异耐腐蚀性能的特殊材料，在中高温的强酸、强碱中也表现出较好的耐腐蚀效果。随着经济不断发展，镍铜合金使用更为广泛，最常用的是采用碳钢材料为基体保证其强度，Monel400合金保证其耐强酸腐蚀性能，该种应用不可避免地存在异种金属焊接，尤其在低温工况下，不可避免地使用到抗低温材料。目前手工电弧焊、钨极氩弧焊，仅有“GB/T15620-2008”镍及镍合金焊丝，“GB/T13814-2008”镍及镍合金焊条两份国家标准作为推荐性标准，与异种钢低温钢的焊接工艺，缺乏相关的技术规范。为此，对Monel400与16MnDR异种钢的焊接进行分析研究，分别用焊条、焊丝进行对比试验，确定其焊接方法、焊接工艺，为今后该两种金属在低温工况下的异种钢焊接提供数据支撑。

1 试验材料

一块试板为Monel400合金，一块试板为16MnDR，试板厚度为6mm，尺寸如图1、图2所示。

图1

图2

两种异种钢材料质保书化学成分及力学性能如下表1，表2所示。

钨极氩弧焊与手工电弧焊所使用的焊丝与焊条化学成分如下表3所示。

2 焊前准备

依据特种设备行业标准NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》、NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》，制定Monel400合金与16MnDR焊接工艺作业指导书。

表1 Monel400与化学成分 %

表2 Monel400与16MnDR钢板力学性能

表3 焊条ENiCu-7与焊丝SNi4060化学成分 %

表4 16MnDR与Monel400异种钢钨极氩弧焊（采用SNi4060焊丝）对接焊接参数1#

表5 16MnDR与Monel400异种钢手工电弧焊（采用ENiCu-7焊条）对接焊接参数2#

（1）坡口加工。制备坡口采用冷加工去除影响焊接质量的表面层，坡口表面应保持平整、不应有裂纹、分层、夹杂物等缺陷。

（2）施焊环境。相对湿度不能大于90%，雨雪大风等天气时，如无有效防护不得施焊。氩弧焊风速在大于2m/s禁止施焊，手工电弧焊在风速在大于10m/s禁止施焊。

（3）焊前清理。离坡口两侧各25mm范围内的材料表面进行严格的机械清理，应将水、锈、油污、积渣和其他有害杂质清理干净。

（4）焊接事项。最低预热温度15℃，控制道间温度不宜大于300℃，不得使用铅锤锤击焊接区。

（5）焊工培训。参照TSG Z6002-2010《特种设备焊接操作人员考核规则》，选用已通过该项目测试合格的焊工进行施焊。

3 施焊过程

两块试板分别标记为1#、2#，对应的具体焊接方式为：

1#：16MnDR与Monel400异种钢手工电弧焊（采用ENiCu-7焊条）对接。

2#：16MnDR与Monel400异种钢钨极氩弧焊（采用SNi4060焊丝）对接。

由于镍合金的导热性能差，液态焊缝金属流动性差，与低温钢焊接时，焊缝和基体金属容易过热，造成晶粒粗大，使接头的塑形和韧性下降。因此，在选取焊接工艺参数时，采用小线能量焊接、窄焊道，严格控制层间温度。施焊记录如表4、表5。

表6 焊接接头力学性能结果

4 焊后检验

（1）外观检查。对两组焊接试板进行外观检查，焊缝表面未出现裂纹、未熔合、夹渣、夹钨、气孔、焊瘤和未焊透等缺陷，手工电弧焊表面未出现咬边和凹坑，焊缝余高、焊缝边缘直线度、比坡口增宽等尺寸均符合焊工考试规则要求。

（2）力学性能。经测试的焊接接头的力学性能符合NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》及相关标准要求，焊接接头力学性能测试结果见表6所示，拉伸试样断裂区如图3所示。

图3

5 结语

通过上述的试验结果分析，两种焊接材料只要按照常规的焊接工艺参数、严格的施焊工艺准备，均能焊接出合格的焊接产品。但是，由于镍及镍合金的焊缝金属流动性差，且基体为低温材料，采用小电流、多层多道焊可以有效地控制熔敷金属的稀释，从而保证焊缝金属的力学性能以及耐腐蚀性能。