蒙乃爾k500銅鎳合金K500

蒙乃爾合金與銅鎳合金之間的焊接是異種合金焊接 ，各合金焊接特點完全不同， 焊接難度較大。透過分析研究其焊接特點和焊接工藝試驗，確立了適合的焊接引數，提出 了合理的預防措施，有效避免了在焊接過程出現焊接熱裂紋、焊接氣孔等焊接缺陷，顯著 提高了焊接質量。

蒙乃爾合金又稱鎳合金，是一種以金屬鎳為基體 新增銅、鐵 、錳等其他元素而成的合金，具有獨特的 物理、力學和耐蝕效能，是一種用量較大、用途較廣、 綜合性能極佳的耐蝕合金。銅合金是以純銅為基體加 人一種或幾種其他元素所構成的合金。白銅是以鎳為 主要新增元素的銅合金，銅鎳合金的力學效能、耐蝕 效能較好，在海水、有機酸和各種鹽溶液中具有較好 的化學穩定性 m 。

20 1 7年某公司承製了某煉化公司年產45萬t聚丙烯裝置中的甲烷化反應冷卻器裝置 , 該裝置管板選用蒙乃爾合金，換熱管選用銅鎳合金。 裝置結構可見圖 1 , 裝置技術特性可見表 1。

1 材料的效能要求

換熱管和管板的化學成分、力學效能等引數是否 滿足標準和設計要求，決定該裝置的研製是否能夠取得成功。

1 . 1 管板的化學成分

管板材 質 選 用 N C u 3 0鎳 合 金 ，該 材 料 與 A S M E

標準牌號為 N 04400的鎳合金效能相似，熱處理狀態 為退火，其化學成分、力學效能應符合相關標準的規 定 [1，管板化學成分複驗結果可見表2。

1 . 2 換熱管的化學成分

換熱管材質選用 S B 1 1 1 C 7 1 5 0 0 ,該材料與我國 牌號為 BFe 30 - 0 . 7的銅合金無縫管效能相似，熱處理 狀態為軟化退火（0 6 0 )，其化學成分、力學效能需 符合相關標準中的規定 [31。換熱管的化學成分複驗結 果可見表 3。

1 . 3 焊絲的化學成分

管子與管板間的焊接方式採用鎢極惰性氣體保 護 焊 ，焊 絲 材 料 選 E R N i C u - 7，按 照 H G / T 20581— 20 1 1《鋼製化工容器材料選用規定》標 準 附 錄 D 中 的 表 D - 1 , 與 E R N i C u - 7 對應的焊絲型號為 SNi 4060, 化學成分代號為 N i Cu30M n3Ti 141, 焊絲的化學成分復 驗結果可見表4。

2 材料焊接效能分析

銅鎳合金和蒙乃爾合金中，由於銅、鎳元素的熔 點溫度、熱導率、線脹係數及電阻率等引數差異較大， 因此兩者之間焊接較為困難。在焊接過程中銅、鎳元 素與空氣中氧接觸反應生成嚴重氧化膜時，焊接將難 以 進 行 ；同時銅、鎳元素易與其他雜質元素反應產生 低熔點共晶體，最終導致焊縫產生焊接熱裂紋。

2 . 1 銅鎳合金的焊接特點

C 7 1 500合金中銅的質量分數達到6 5 % 以上，銅的 熱導率隨溫度升高而升高，在 1000 t 時銅的熱導率 為 326.6 W / ( m K ) ,焊接過程中大量熱被傳導，母 材的厚度越大，散熱越嚴重，就越難達到銅鎳合金的 熔點溫度。銅鎳合金焊接的主要問題是其難以熔化， 焊縫及熱影響區易產生焊接熱裂紋和氣孔，焊接殘餘 應力和變形較大，焊接過程中，雜質和合金元素的摻 人及有用合金元素的氧化、蒸發都使得焊接接頭效能 嚴重下降

2 . 1 . 1焊接熱裂紋銅鎳合金本身焊接效能較好，但銅鎳合金中的銅 元素對氧、硫 、鉛 、磷等雜質元素很敏感，焊接時易

形成焊接熱裂紋。在焊接過程中，銅元素會與雜質元 素 反 應 產 生 低 溶 點 共 晶 體 （如 C u +C u 20 、 C u +C u 2S 、C u +P b 等 ），低熔點共晶體在結晶過程中分佈在晶間 或晶界處，使銅鎳合金具有明顯的熱脆性。

在這些雜質元素中，氧的危害性最大，其存在於 銅鎳合金的製造和焊接過程中，會 以 C u 20 的形式溶 人焊縫金屬。為了避免焊接接頭出現熱裂紋，必須嚴 格控制雜質元素的含量，並在焊接材料中加人碳、矽 、 錳 、鋁 、鈦等脫氧元素以增強焊接接頭的脫氧能力。

2 . 1 . 2氣孔銅合金焊縫中的氣孔主要是由溶解的氫氣引起 的。在焊接過程中，氫在焊接熔池中的溶解度較大， 焊縫熔池凝固結晶過程十分迅速，時間很短，使得氣 孔傾向大大加劇，從而形成分佈在焊縫各個部位的擴 散性氣孔。為了減少或消除焊縫中的氣孔，可採用減 少氫和氧的來源，或採用預熱來延長熔池存在時間， 使氣體易於逸出。

2 . 2 蒙乃爾合金的焊接特點

蒙乃爾合金的顯微組織是單一的奧氏體，其焊接 特性與奧氏體不鏽鋼相似，且焊接效能較好，但蒙乃 爾合金中的鎳元素對硫、磷 、砷 、鉛等雜質元素很敏 感 ；在焊接過程中，鎳元素能與雜質元素反應產生低 溶 點 共 晶 體 （如 Ni+Ni 3S2 , 熔 點 為 635 X ： ; Ni 3P ，溶 點 為 880 T 等 ），其在結晶過程中分佈在晶間或晶界 處 ，使蒙乃爾合金具有明顯的熱脆性，致使焊接接頭 易形成焊接熱裂紋 |5_7]。蒙乃爾合金焊接時存在與奧 氏體不鏽鋼類似的問題，如易產生焊接熱裂紋、焊縫 氣孔、焊接接頭晶間腐蝕等。

2 . 2 . 1焊接熱裂紋蒙乃爾合金焊接工藝特性主要表現為液態焊縫 金屬流動性差、焊縫金屬熔深淺、凝固收縮量大，致 使焊接時易產生較大的焊接收縮應力；在焊縫凝固過 程中，鎳元素易與雜質元素形成低熔點共晶體，其強 度低、變形能力差、脆性大、延展性弱，因此在收縮 應力的作用下焊縫極易產生焊接熱裂紋。焊接熱裂紋 的敏感性與焊縫金屬結晶溫度區間大小、合金元素和 雜質含量、焊縫凝固過程中的應力大小、焊縫冷卻速 度等因素有關。

2 . 2 . 2氣孔在焊接完成後快速冷卻時，蒙乃爾合金焊縫極易 產生氣孔。焊接過程中，氧氣、氫氣、氮氣等氣體在液態焊縫中溶解度極大，而固態時其溶解度大大減 小，同時蒙乃爾合金固液相的溫差比較小，液態焊縫 金屬流動性較差，使得蒙乃爾合金中的氣體不能在焊 縫快速冷卻時完全溢位而形成了氣孔。

3 焊接過程質量的控制

換熱管與管板焊接時常採用鎢極惰性氣體保護 焊 ，該焊接方法具有電弧穩定、熱影響區窄、區域性熱 輸人較強以及氣體保護效果良好等特點。銅合金在焊 接過程中需要大功率、高能束的焊接熱源，焊接時熱 效率越高，能量越集中，對焊接越有利。該焊接方法 也適用於焊接鎳基合金薄板、小截面，焊接接頭不能 進行背面焊的封底焊以及不允許有焊接熔渣殘留的 焊接結構。

3 . 1 焊接工藝的選擇

氬弧焊採用直流電流，電極接負極，焊機需配備 高頻引弧裝置和電流衰減裝置，以便在引弧、熄弧時 逐漸減小弧坑尺寸，防止產生弧坑裂紋。鎢極直徑為 3.0 m m ，噴 嘴 直 徑 為 10.0 m m , 氬氣純度為 99 . 99%。 為了防止焊縫產生焊接熱裂紋，應選用小電流、短弧、 快焊速的焊接工藝。為了保證焊縫的熔深和寬度，鎢 極應為尖頭，圓錐角為 30° ~60。，尖端磨平，直徑 為 0.4 m m , 焊接時保持電弧穩定與一定的熔深。預 熱溫度不應小於 5 I ，道 間 溫 度 控 制 在 ~ 1 00 t , 脈 衝 頻 率 為 4〇H z , 脈 寬 比 為 3 0 % ~ 5 0 % ,正 面 氣體 流 量 為 9 ~ 1 2 L /m i n , 背面氣體流量為 3 ~ 5 L/m i n。焊 接接頭詳情如圖2 所示，焊接引數如表5 所示。

3 . 2 焊接注意事項

3 . 2 . 1焊前準備( 1 ) 保持焊接件表面清潔是成功焊接蒙乃爾合金和銅鎳合金的重要條件之一。焊接件表面的汙染物主 要包括硫、磷 、鉛和某些低熔點元素，汙染物會增大 焊接熱裂紋產生的傾向，因此，焊接前汙染物必須完 全徹底清除。

( 2 ) 在焊接前管板坡口及兩側25 m m 寬度和換 熱管端部 150 m m 範圍內的氧化膜應打磨乾淨，直至 其表面呈金屬光澤。

( 3 ) 焊絲應保持乾燥，並用丙酮、鹼等溶劑清洗 去除油脂、水分、切削冷卻液與其他汙染物。清理後 的焊絲和焊接件在焊接前嚴禁再次被汙染，禁止用手 直接觸控焊接部位。

( 4 ) 換熱管與管板不允許強力組裝，管板和換熱 管定位焊的焊接引數應與正式焊接工藝的焊接引數 相同，定位焊的焊縫最後應熔人整個焊縫中，焊接過 程中一旦發現定位焊的焊縫有缺陷則應立即清除缺 陷，並對焊接坡口進行清理。

3 . 2 . 2焊接過程控制

( 1 ) 焊接過程中嚴禁為了增加焊縫液態金屬的流 動性而提高焊接電流，因為提高焊接電流會增加焊接 熱裂紋和氣孔產生的機率。

( 2 ) 整個焊接過程均應在氬氣保護下進行，焊接 起弧時，採用反向引弧，熄弧前液態金屬應填滿弧坑。 焊接過程中當鎢極觸及熔池或焊絲熔化端時，應立即 停止焊接作業並清除鎢極接觸部分的焊縫金屬後再 繼續施焊。填充焊絲應從熔池的前端進入熔池，避免 其與鎢極接觸。

( 3 ) 焊接過程中熔池應保持平靜，尤其是應避免 電弧攪動熔池；焊接完成熄弧後焊絲不得立即暴露在 空氣中，避免焊絲融化端被氧化，導致焊縫金屬被汙染。

( 4 ) 焊接過程中保護氣體的流量要適當，保護氣 體流量過大可能造成氣體紊流，影響焊縫的冷卻速 度 ，從而對焊縫造成不利影響。

3 . 2 . 3焊接環境的要求當焊接環境出現下列任一情況，且無有效防護措施時，應 禁 止 施 焊 ：（1 ) 環境溫度低於0 t ; ( 2 ) 風速大 於 2 m/ s ; ( 3 ) 相對溼度大於 9 0 % ; ( 4 ) 雨 、 雪 環 境 ；（5 ) 焊件溫度低於5 t

3 . 3 焊後檢測

換熱管與管板的打底焊應經目視檢查確保焊縫 無 裂 紋 ；蓋面焊縫應按NBAT 47013 . 5— 2 0 1 5《壓力容 器用鎳及鎳合金鍛件》標 準 進 行 1 0 0 %滲透檢測確保 無 裂 紋 ；換熱管與管板間的焊縫應按NB / T 々T O B J -

ZOI S 標準隨機抽取 8 個接頭進行 X 射線檢測 ，焊縫 質量評估應根據E N I SO 15614-8— 20 1 6標準中 8 . 2段 的驗收標準進行驗收，確保焊縫滿足要求。裝置應經 過 7.8 M P a 的水壓試驗，確保沒有洩漏。該裝置現已 投產，且未發現任何的質量問題。

4 結論

蒙乃爾合金和銅鎳合金的熔點溫度、熱導率、線 脹係數及電阻率等引數差異較大，導致兩者焊接困 難 ，但透過對材料焊接性進行分析，制定焊接質量的 保證措施，並透過工藝試驗，確定合理的焊接工藝參 數 ，可以有效避免焊縫在焊接過程中產生焊接熱裂 紋 、焊接氣孔等焊接問題，顯著提高了焊縫的焊接質 量 ，並取得了良好的效果。