蒙乃尔(Monel)合金焊接.doc

蒙乃尔(Monel)合金焊接 　　摘要：Monel-400合金是一种机械性能和加工性能好，耐蚀性强的Ni-Cu合金，随着加工制造业的发展，其使用量也在逐步增加，本文通过焊接工艺试验，制定合理的焊接工艺参数，并针对易出现的缺陷，提出预防措施。 关键词：蒙乃尔合金 焊接工艺 焊接缺陷 预防措施 0 引言 蒙乃尔（Monel）合金是以镍为主、铜为辅的镍基合金，最早始于1906年，由美国国际镍公司开发，其典型成分为70%Ni和30%Cu（wt%），是镍基耐蚀合金中应用最广泛的一种合金，在我国相当于Ni-Cu合金（GB5235-35）。具有易成型，易钎焊，易切削和具有良好的耐热、耐蚀等综合性能，因而受到工程界的广泛欢迎[1]。由于合金含Cu，故在非氧化性气氛下比纯Ni更耐蚀，在氧化气氛下比纯Cu更耐蚀。在工程应用上具有悠久的历史，尤其是在化染、化工、船舶等领域中有关泵、阀设备中[2]。本文将结合工艺实例浅谈蒙乃尔合金的焊接特点和工艺要点。 1 蒙乃尔合金的焊接性 蒙乃尔（Monel）合金属于镍铜系列合金，显微组织为单一奥氏体，其焊接特性与奥氏体不锈钢相似。蒙乃尔（Monel）的化学成分、物理性能、机械性能见表1。由此可见蒙乃尔（Monel）的强度、冲击韧性较高、延伸性较好，可用于耐蚀要求较高的场合。但是易产生热裂纹，尤其是弧坑处裂纹敏感性更大，热裂纹发生在高温状态，常温下不再扩展。液态金属流动性差，且能溶解氧、氮、氢等气体，容易出现气孔。 ■ 2 蒙乃尔合金易产生焊接缺陷的机理 2.1 易产生热裂纹 冶金方面的影响因素是造成蒙乃尔（Monel）生出热裂纹的主要原因，其次是工艺因素的影响。镍铁的二元共晶物中含有大量低熔点金属共晶物。从金属共晶物的含量比较，硫、磷比镍铁多，低熔点共晶物在施焊过程中其液态膜会残留晶界区；另外，由于镍及镍合金线膨胀系数大，施焊时会产生大量应力，这是造成低熔点共晶物在焊缝结晶过程中开裂的主要原因。其次，收弧时如果没有填满弧坑和电流衰减时间短、收弧处熔敷金属量少出现弧坑，其强度比较薄弱，在相变应力的作用下产生收弧处的微裂纹[4]。由于蒙乃尔合金导热性差，焊接时大量热量积聚不易散失，致使晶粒粗大，而且晶间夹层厚度也会增大，晶间结合力相应减小，继而会延长焊缝金属的液固相存在时间，最终为热裂纹的产生提供了有利条件。另外，焊接坡口及其两侧的油污清理不干净、焊缝表面凸凹不平等也会产生裂纹。 2.2 易产生气孔 蒙乃尔（Monel）固液相温度间距小，流动性偏低，在快速冷却条件下，游离出来的气体不能在镍合金焊缝金属凝固前逸出，从而在焊缝中形成气孔。蒙乃尔合金焊缝的气孔以H2O气孔为主，其次是H2气孔和CO气孔。焊接前焊条未烘干，或工件坡口及其附近的油污清理不彻底，大量H2进入焊接熔池，熔池凝固时H2未能及时排除形成H2气孔。焊接过程中，空气中的氧流入熔池，与金属中的碳结合形成的CO待熔池凝固时不能快速逸出形成CO气孔，在一般情况下蒙乃尔合金的焊材含碳量都较低，因而形成CO气孔机会也较少。熔池中融化成液态的镍合金中溶解大量氧，未溶解的氧将镍氧化成NiO。NiO和镍合金中的氢结合，镍被还原，氢与氧结合成H2O，无法逸出形成H2O气孔。H2O气孔多形成于焊道熔合线附近及起弧及接头部位。这是因为焊接过程中，焊道周边部位引弧和接头部位会快速冷却，晶粒粗大，这些区域缺乏保护性，在熔池中不能快速溢出的H2和NiO发生反应形成H2O气孔[5]。 3 焊接实例 某制造厂生产一批配件，其中φ114×6的Monel-400管对接是此次生产任务的重点和难点。Monel-400管的化学成分，物理性能，力学性能见表2、表3。 ■ ■ 3.1 焊接方法和焊接材料的选择 蒙乃尔合金Monel-400的焊接性与奥氏体不锈钢相似，焊接方法可以参考奥氏体不锈钢的焊接方法，考虑到焊接的直径及厚度，焊接接头背面不能封底，故选用氩弧焊打底，手弧焊盖面的方法。根据相关文献以及对蒙乃尔合金的焊接经验，选用广泛使用的ERNiCu-7氩弧焊丝和ENiCu-7焊条，这两种焊材用于蒙乃尔合金焊接，具有良好的强度和热导性，耐海水腐蚀，耐多种酸碱盐。大量应用于海洋工程，水面和水下船舶，化工电力行业的热交换器、蒸发器、容器等，焊丝中含有大量的钛，可以有效的控制气焊接气孔。两种焊材的化学成分见表4： ■ 3.2 焊接工艺的选择 手弧焊极性为直流反接；氩弧焊为直流正接，钨极直径正接，钨极直径φ3mm，喷嘴直径φ10mm，氩气纯度99.99%。为了防止产生热裂纹，应选用小电流、短弧、快焊速的焊接工艺，见表5。机械加工V型坡口，PT检测坡口确保缺陷，机械打磨并用丙酮擦洗坡口及其边缘。焊前焊材350℃×1