Monel400與Q345R異種鋼焊接

張得輝，孫永哲，馬春禮，劉牧

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽111003）

Monel400與Q345R異種鋼焊接

張得輝，孫永哲，馬春禮，劉牧

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽111003）

Monel400奧氏體鎳基合金與Q345R珠光體鋼異種鋼焊接時，珠光體鋼母材對焊縫金屬稀釋在熔合區(qū)產(chǎn)生脆性組織引起裂紋，還有奧氏體焊縫中出現(xiàn)熱裂紋是遇到的2個主要問題。針對帶補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接管與筒體相焊的結(jié)構(gòu)特點，通過選擇合適焊接材料，合理的焊接順序、焊接層次、做好焊接環(huán)境清潔、控制熔合比和焊接線能量，有效地避免了焊接缺陷的產(chǎn)生。

Monel400鎳基合金；異種鋼；焊接裂紋

0 前言

1臺D263洗滌塔，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，筒體部分材料Q345R，規(guī)格Φ1232×16 mm，氣體入口中接管材料Monel400鎳基合金，規(guī)格Φ89×6 mm。工作介質(zhì)為少量氫、NaOH（10%）。

1 材料焊接性能分析和工藝措施

1.1 母材性能

Monel400為Ni-Cu合金，兼具銅和鎳的耐蝕性，對鹵素、中性水溶液，一定濃度與溫度的苛性堿溶液，以及中等溫度的稀鹽酸、稀硫酸、磷酸等具有較好的耐蝕性能[1]。Monel400常被用于制造石化企業(yè)中某些存在較強(qiáng)腐蝕工況的裝置。為降低制造成本，經(jīng)常選用復(fù)層為Monel400材料的復(fù)合鋼板或在設(shè)備的局部使用Monel400，因此，在制造中需要解決Monel400奧氏體鎳基合金與Q345R珠光體鋼的異種鋼焊接問題。Monel400與Q345R鋼在化學(xué)成分、金相組織、物理性能和力學(xué)性能方面存在差異，給焊接生產(chǎn)帶來較大困難。[1]

Monel40材料接管符合ASME SB-165《SPECIFICATION FORNICKEL-COPPERALLOY（UNS N04400）SEAMLESS PIPE AND TUBE》標(biāo)準(zhǔn)，Q345R材料筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈符合GB 713-2014《鍋爐和壓力容器鋼板》標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)成分、性能指標(biāo)見表1、表2。

1.2 材料焊接性和工藝措施

（1）Monel400焊接性能分析和工藝措施[1-2]。硫、硅等雜質(zhì)形成的晶間薄膜是引發(fā)鎳基合金單相奧氏體焊縫熱裂紋的最主要冶金因素。高線能量可能產(chǎn)生過度的偏析等有害冶金現(xiàn)象，也可能引起熱裂紋。需要控制母材、焊接材料中雜質(zhì)含量。焊接區(qū)的應(yīng)變或應(yīng)變速率是影響產(chǎn)生熱裂紋的力學(xué)因素，采用合理的裝配和焊接次序，選用較小的線能量，及時填滿弧坑等工藝措施。

Monel合金固液相溫度間距小，流動性偏低，在焊接快速冷卻凝固結(jié)晶條件下，極易產(chǎn)生焊接氣孔。清除坡口及附近的氧化皮、水分、油污雜質(zhì)，避免過快冷卻可以防止氣孔產(chǎn)生。

圖1 D263洗滌塔結(jié)構(gòu)簡圖

表1 Monel400鋼管、Q345R鋼板化學(xué)成分

表2 Monel400鋼管、Q345R鋼板力學(xué)和物理性能[1]

（2）Q345R焊接性。除了厚板、高拘束度、富氫的焊接條件容易引起焊接冷裂紋，Q345R珠光體低合金鋼的焊接性很好。

（3）Monel400與Q345R異種鋼間的焊接性能分析和工藝措施[1]。①焊縫金屬的稀釋引起的焊接裂紋。焊縫金屬受到母材金屬的稀釋作用，往往會在焊接接頭過渡區(qū)產(chǎn)生硬度很高的脆性馬氏體組織，這種淬硬組織是導(dǎo)致焊接裂紋的主要原因。焊接接頭中這種過渡區(qū)雖然難以避免，但通過提高焊縫金屬中奧氏體形成元素鎳的含量，控制高溫停留時間，可以減小過渡區(qū)的寬度。②碳遷移形成擴(kuò)散層。在焊接、熱處理或者使用過程中長時間處于高溫，會在珠光體與奧氏體界面附近發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散而使碳遷移，在珠光體一側(cè)形成脫碳層而發(fā)生軟化，在奧氏體一側(cè)形成增碳層發(fā)生硬化，由于兩側(cè)性能相差很多，焊接接頭受力時可能引起應(yīng)變集中，降低接頭承載能力。盡量降低加熱溫度并縮短高溫停留時間，在珠光體鋼側(cè)預(yù)先堆焊鎳基合金的過渡層。③接頭殘余應(yīng)力。除接頭焊接時因局部加熱引起焊接應(yīng)力，由于珠光體鋼與奧氏體鋼線膨脹系數(shù)不同，且奧氏鋼體導(dǎo)熱性差，焊后冷卻時收縮量不同產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。再有焊接結(jié)構(gòu)上無法自由膨脹收縮引起附加應(yīng)力。優(yōu)先選用與珠光體膨脹系數(shù)相近且塑性好的填充金屬，焊接應(yīng)力集中在焊縫與奧氏體鋼母材一側(cè)，奧氏體鋼塑性變形能力強(qiáng)，能夠承受較大應(yīng)力。嚴(yán)格控制冷卻速度，焊后緩冷，盡可能減小焊接變形及應(yīng)力。

因此，Monel400與Q345R鋼焊接時，必須嚴(yán)格清理焊接坡口表面和焊接材料，并控制熔合比，避免有害元素的過多熔入，在減少氣孔的產(chǎn)生和減小熱裂紋傾向的同時有利于改善焊縫組織性能。

2 焊接工藝要點

（1）清除坡口及附近的氧化皮、水分、油污，防止含硫、硅等雜質(zhì)熔入焊縫，減少氣孔和熱裂紋產(chǎn)生的傾向。

（2）選擇合理的焊接順序，減小焊接接頭應(yīng)力（圖2）。為減小鎳基合金與珠光體鋼間焊縫施焊時受補(bǔ)強(qiáng)圈的拘束應(yīng)力；焊縫1組焊先將組對Monel接管與Q345R材質(zhì)筒體及Q345R材質(zhì)補(bǔ)強(qiáng)圈間焊縫，即先施焊圖2中堆焊焊縫和焊縫1；此時Q345R補(bǔ)強(qiáng)圈外緣與Q345R筒體間不點固，待堆焊焊縫和焊縫一施焊完成、滲透檢測合格后，再焊補(bǔ)強(qiáng)圈外緣與筒體間角焊縫，即圖2中焊縫2。

（3）合理選擇焊接層次。選用純Ni焊條作為過渡層，Ni和Fe的物理和化學(xué)性能十分相近，能無限互溶，焊后熔合良好。然后再焊蒙耐爾合金，Cu和Ni也可以無限互溶，減少產(chǎn)生熱裂紋的傾向。

（4）減小熔合比，焊縫金屬中含鎳多而熔入的鋼較少，因含碳量減少，產(chǎn)生氣孔傾向變??；同時減少16Mn鋼中硫、磷有害元素的過多熔入，減少產(chǎn)生熱裂紋的傾向。

圖2 焊接順序及焊接層次順序圖

表3 焊接材料化學(xué)成分

表4 焊接規(guī)范

（5）采用低線能量的焊接規(guī)范，防止過熱，影響組織性能。

3 產(chǎn)品施焊

（1）焊接材料。選用的焊接材料化學(xué)成分見表3。

（2）Q345R筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈側(cè)參照圖2制備焊接坡口，氣割后砂輪修磨見金屬光澤，坡口表面100%著色檢查合格并清理、清洗干凈方可進(jìn)行焊接；

（3）焊條在焊前嚴(yán)格烘干，焊接時使用焊條保溫筒，防止直接放在大氣中吸潮。

（4）焊接坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)嚴(yán)格除水、油、銹等污物。

（5）Q345R低合金鋼筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈側(cè)坡口表面采用ENi-1純鎳焊條堆焊過渡層，每道焊道寬7～8 mm，采用直道焊，后繼焊道壓相鄰前一焊道1/2左右。焊接時層間溫度控制在100℃以內(nèi)。保證堆焊層厚度2～3 mm。堆焊層修磨平整后進(jìn)行著色檢查100%Ⅰ級合格，清理、清洗干凈再繼續(xù)施焊。

（6）Monel400接管與Q345R筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈間組合焊縫由手弧焊ENiCu-7Φ3.2 mm焊條施焊。背面砂輪清根后填滿坡口。焊接時層間溫度控制在100℃以內(nèi)。

（7）鄰Monel400接管的焊縫施焊完畢后，Q345R材料補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體間角焊縫由E5015Φ4 mm焊條施焊各層。焊接時層間溫度≤150℃。

（8）焊接規(guī)范。焊接規(guī)范見表4。

4 施焊效果

各焊縫滲透檢測合格。D263洗滌塔在組裝后按技術(shù)要求進(jìn)行了水壓試驗，包括Monel400接管與Q345R筒體間組合焊縫的所有焊縫均無泄漏，D263洗滌塔在裝置上運(yùn)行正常。

［1］《焊接手冊》第二卷·材料的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］《焊接手冊》第二卷·材料的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

〔編輯 李波〕

TG406

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.15