Monel400蒙乃爾合金的焊接工藝方法及性能分析
Monel400合金的成分(質最分數)為:67%鎳、28%銅以及鐵、錳、硅和其他元素的含最為5%;熔點1349℃,密度8.9g/m3,抗拉強度448Mpa,伸長率50%。焊接施工中主要存在以下問題:在焊接中,由于蒙乃爾在一個溫度區間形成一個互熔合金而凝固。這樣就使得金屬的流動性相當差,并且由于其熔點高、導熱性差,造成過熱區高溫停留時間過長,使其過熱區出現粗大晶粒,就很可能使枝晶縮松在晶界處形成,使焊縫接頭的塑性嚴重下降。
蒙乃爾合金容易吸收氣體(主要吸H2、CO等氣體),在焊接完成后,如果被吸收的氣體不能及時的擴散出去,就會形成分散氣孔,造成類似“馬蜂窩”式的缺陷,甚至有貫穿整個焊縫的可能。蒙乃爾合金的焊接,當含碳量和含硅量增加時,焊接性能很差,當含硅量達1.5%以上時,就不大好施焊了。而硫、磷及低熔點金屬以液態薄膜的形式存在于界面,形成很大的收縮力,導致熱裂紋傾向嚴重。并且蒙乃爾導熱系數小,線膨脹系數小,在焊接局部加熱和冷卻的條件下。焊縫表面成形不良對焊縫性能的影響在常溫或高溫工況下表現不明顯,但在低溫工況下,其成形不良所造成的應力集中對焊縫低溫性能的影響不亞于焊縫內部質量的影響。
一、焊接工藝
焊接方法及設備的選擇根據以上焊接性分析,蒙乃爾的焊接應采用惰性氣體保護焊,并采用小電流,冷焊的方法,以提高熱輸人,減小高溫停留時間,防止粗大晶體的形成閉。根據蒙乃爾管線的施工特點以及項目部現有的設備條件,選擇了鎢極亞弧焊方法,采用直流正接,焊機選用美國Miler400ST型。
焊接接頭形式和坡口形式的選擇由于我們焊接的是蒙乃爾管件,接頭形式主要是對接和角接。根據經驗,在管件厚度小于2mm時,不用開坡口。但是,由于蒙乃爾材料的流動性差,線膨脹系數小,所以我們施工中開單面80°坡口,目的是改變樹狀晶的結晶方向,分散低熔點共晶的分布,減小熱應力.防止熱裂紋產生。
焊接工藝參數的選擇根據蒙乃爾的材料特點,應采用小電流,焊接電流為55~85A;又由于材料的流動性差,采用不擺動或微擺動,這樣有利于焊縫的成型。
二、焊接操作方法
焊前清理,在高溫下,蒙乃爾合金易受S、P、Pb和其它一些低熔點物質的作用而引起脆化,而在加工過程中避免這些雜物的站污幾乎不可能,所以焊前應對金屬表面進行徹底的清理,而且要保證坡口平整,不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷。
焊接坡口兩邊20 mm處應用鋼絲刷或磨光機處理干凈.直至露出金屬光澤,并用丙酮擦洗坡口和焊絲,以防止焊縫中氫氣和硫、磷雜質的殘留。
焊接前應按照正確的方法進行點固。因蒙乃爾合金膨脹系數小,流動性差,接頭須提供足夠的空間用于金屬填充,焊縫間隙設定為2~3mm,點固后應把點固處用鋼絲刷處理干凈。焊接時保護氣體流量為正面10~15L/min.背面10~15L/min,氣體純度〕99.9%,以防止空氣進入焊縫形成氣孔;而且焊接前一定要先將原管道內殘留空氣用氮氣趕盡后才能開始焊接氣否則難以保證焊縫根部的質量。必要時還可以在焊把后面增加一個氮氣拖罩,流量為15~20L/min,以增強正面焊縫焊把后面的保護效果。
焊接應從點固端開始,采用左焊法,焊機傾角約70°,焊機微擺或不擺,以控制焊縫形狀。開始焊時焊速稍慢,以后適當加快。焊接過程應注意控制焊縫成形,如發現氣孔應及時回弧燒熔并消除。
根據JB708-2000及GB50236-98推薦,蒙乃爾氮弧焊可以選擇ERNICu-7焊絲。為了很好的區分推薦焊絲與常用焊絲的焊接性,我們用上述選定的焊接工藝和操作方法,采用不同的焊接材料(H1Cr24Ni13、HS201和ERNICu-7焊絲)分別對蒙乃爾管與不銹鋼管、蒙乃爾管與碳鋼管、蒙乃爾管與蒙乃爾管進行焊接試驗。焊后焊縫外觀進行滲透檢測(PT),內部進行射線檢測(RT),并進行截面宏觀晶相試驗、強度及氣密性試驗。可見,焊接蒙乃爾合金采用不銹鋼焊絲H1Cr24NII3不能滿足焊接性要求,因為該焊絲與母材性能上存在很大差異,并且,根據焊接慣例,焊接時應該采用低組配,焊絲H1Cr24Ni13強度很高,并且收縮性比蒙乃爾材料要好,所以焊接時在蒙乃爾一側出現大量的裂紋;采用紫銅焊絲HS201后缺陷明顯減小,是由于HS201有很好的延展性能。
對Monel400合金管件進行對接接頭的手工鎢極氫弧焊試驗及不同工藝條件下焊道形狀參數的測定,結果表明:在通常的焊接工藝條件下,焊縫中容易產生氣孔、未焊透及未熔合,焊道的熔深、熔寬較小,堆高較大。分析其原因,除了焊接材料使用上的問題外,還與該合金的熱物理性能及焊道的成形特點有關。鑒于此我們提出以下措施:
為了解決焊縫裂紋和成型問題,施工過程中,焊接蒙乃爾材料的關鍵是采用比一般鋼材較大的坡口角度,改變焊縫住狀晶的結晶方向,防止熱裂紋產生;并且應采用小電流,合適的線能量,正確選用焊材,盡量一次性焊完一道焊縫以減少接頭數量,這樣可以解決焊接裂紋問題。
利用不擺動或微擺動的方式,施焊時,用氮氣把殘余在管道內的空氣趕走,并且增加正、背面盆氣的純度和流量(有的情況下要增設氮氣拖罩),防止氣孔的形成,使焊縫成型達到最佳效果。
加強焊前清理工作,徹底清除焊件表而的氧化物和其它污染物中的硫和磷,以避免引起夾渣及焊縫成型不良,并可減少焊縫氣孔氣體的來源。
可以看出,只要選擇正確的接頭坡口型式、合適的焊接材料、合理的焊接規范,采用手工鎢極氮弧焊是可以達到蒙乃爾與蒙乃爾、不銹鋼(碳鋼)接頭的強度及氣密性的要求的,同時也能夠滿足產品的使用要求。
本文標簽:蒙乃爾合金
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