[精选]24-1金岭矿业降低细碎车间粉尘浓度

Monel—400合金厚板的手弧焊工艺试验研究 Monel—400合金厚板的手弧焊工艺试验研 究 Monel一400合金厚板的手弧焊工艺试验研究 InvestigationsontheShieldedMetalArcWddmgTechnology forMonel一4OOAlloy”I’nickPlate 合肥工业大学 徐道荣李先芬 合肥通用机械研究所 汪兵汪辉 对Monel一40O合金厚板进行对接接头的手弧焊试验及不同X-艺条件下焊道形状参数的 测定c 结果表明:在通常的焊接工艺条件下,焊缝中容易产生气孔,未焊透及来熔台;焊道的熔深,熔 宽较小,堆高较大.其原因,认为这与该合金的热物理性能及焊道的成形特点有关,并从 焊 接工艺方面提出了防止措施. 关键词:Monel一40O合金手弧焊工艺试验 1前言 Monel一40O合金是Nj—cu系列合金的典型牌 号,由于它具有良好的冷热加工性(包括焊接性) 和中温强度,以及在中高温强酸碱溶液中优越的耐 腐蚀性,使其在某些特殊的化工及核工业设备用材 中占有独特的地位.美国等发达国家早已将此类合 金应用于石油化工等重要设备的制造中,如烷基苯 装置中的塔器,换热器,管道,泵体等;氢氟酸, 苛性碱等化工产品的生产设备;海船上的阀门,泵 体,轴等.找国近年来也在此类设备的建设和改造 中,利用进口Monel一40O合金管材和焊材进行部 件的制造_jJ,并且国产Monel系列合金也在有关 设备中应用.目前已试制出国产Monel一40O板材 和管材以及相配套的焊接材料. Monel一40O合金晶体结构为面心立方的单相固 溶体,具有优良的冶金焊接性.但是由于该合金的 物理性能,特别是导热性及液态下的流动性与普通 钢材的差异,在焊接实践中常容易出现气孔,未焊 ? l2 透,未熔合等宏观缺陷,给焊接接头的完整性造成 不良影响.因此该合金的产品制造中,如何从焊接 工艺上采取措拖来防止上述缺陷尤为重要.鉴于目 前国内的一些焊接试验研究仅限于壁厚较小的管材 (壁厚大多小于5mm),且多为进口材料ll,很少 涉及较厚的板材和国产材料,因此有必要对Monel 一 40O厚板进行焊接工艺试验与探讨.本研究旨在 通过国产Monel一40O厚板的手弧焊试验,深入考 察焊缝的缺陷情况,分析缺陷产生的原因,提出相 应的对策,为生产实际中的焊接工艺提供参考 2试验用材料 焊接试验用母材为国产Monel一40O扳,扳厚 1lmm.其材质符合ASTMB127—80a的品质要求. 焊材为国产配套低氢型药皮焊条,牌号为BM400, 3.2x350mm.其材质符合AWSA5?11ENiCu一7 的品质要求. 母材及焊条熔敷金属的化学成分和力学性能见 表1,2. 第卷第4期压力容器总第106期 名称CMnlNiCSPAlnFe IASI~IB127—— Mend一4OO80a规定?030?0.50?20f?6328—34?0.024一?2.50 实测值0O840l20啦66803399<0.0o30.01J25 B~,MO0IAWSA5.11规定?0.15?1??4?j62—68余量?0?015?0.02?0+75?1.??2.5 焊条l实测值0.O390.173.82l65.3o2747<0?30?50510帅1.28 名称5 MPam% Monel一41)0AS聊B127一- 台金板材鲫a规定?l95?485?35 (退出态)实测值27551038 BM4?霄SA511 (ENiC,u一7)规定?480?30 焊条实测值54534 3试验条件及结果 31坡口对接焊试验 该试验的目的是考察Monel一4OO厚板在通常 的焊接工艺条件下,焊接接头的缺陷情况以及焊条 的熔敷情况.试板采用两块1lmm×ll0mm×400mm 对接型式,对接坡口尺寸及焊道分布如图1所示 焊接参数见表3.焊前试板坡口两侧用丙酮擦洗干 净,不预热,焊条经350~C/lh烘烤施焊中焊条 不作横向摆动,道间温度小于200?. 60 圉1对接坡121尺寸及焊道分布 焊接电流焊接电压焊接速度电流极性焊道序号 AV ?100,110直流反接22— 2,410—12@, ?l20一l30 焊接过程中观察表明,在打底焊即施焊?焊道 时,易出现牯条而导致断弧,随后的焊接中电弧燃 烧基本正常;焊条燃烧至后半段时,会出现轻度的 发红;焊道表面与普通的低合金钢及奥氏体不锈钢 相比,波纹较粗,焊道搭接过渡处有较深凹淘,焊 道堆高凸出.外观检查发现整个焊缝的根部均存在 不同程度的未焊透,坡口局部钝边未焊透深度达 lmm以上;在熄弧处有凹坑和气孔存在. 截取焊缝的横截面在光学显微镜下检查,发现 了气孔和焊遭与坡口侧面之间的未熔合,见图2, 3.气孔是在靠近端头的焊缝;未熔合是在第?焊 道与坡口侧面之间.接头区局部金相组织见图4. 在整个焊缝表面及所观察的焊缝截面上未发现任何 裂纹痕迹. 3.2平面堆焊试验 该试验的目的是考察在不同焊接工艺条件下, 焊道的形状参数熔深,熔宽,堆高的变化情况及缺 陷情况,以便分析焊接缺陷的形成因素,从而减少 或肪止焊接缺陷的产生.堆焊试板尺寸与上面的相 同,在其表面施焊独立的堆焊焊道焊前试板表面 同样用丙酮擦净,焊条烘烤350~C/lh施焊工艺 条件见表4.焊后先检查焊道外观,然后截取3个 横断面,分别测量焊道的熔深,熔宽及堆高,并在 光镜下进行检查检查结果及测量的平均值也列于 表4 4分析讨论 41缺陷产生的原因 (1)未焊透,未熔合 试验结果表明,Monel一4OO厚板在通常的焊接 条件下易出现未焊透,未熔合,气孔等缺陷.未焊 透,未熔合缺陷的形成与焊道的形状特点有直接联 系.从平面堆焊试验结果来看,Monel一4OO的焊道 形状特点是熔深,熔宽较小,而堆高较大,这一点 与普通低合金钢有很大差异,与奥氏体不锈钢也有 明显差别.例如按表4中第一行的工艺条件,在 16MnR,OCrl8Ni9试板上用配套焊条进行平面堆 焊,焊道的熔深,熔宽及堆高分别为.5mm, 12.3mm,2.8mm和2.4mm,12.5mm,32mm.焊道 Monel一4OO台金厚板的手弧焊工艺试验研究V0l18.N042001 表4不同堆焊工艺条件下的焊道形状参敲值及缺陷情况 预热情况摆动情况焊接 A 电流焊接 V 电压焊速熔深口熔宽雌高缺陷情况 n珈 】.28.63.8裂纹,引收弧处有气孔不摆动:4o10,-:50202322,~252410,12189. 85.5无裂纹,引弧处有气L 不预热 横向摆幅140— 1卯23,251O,】2I815.833无裂纹,引孤处有气孔 预热200?不摆动】lO,12o22,2410一】2I79.633无裂纹,无气孔 熔深小可导致未焊透,而焊道堆高凸出在多层多道 焊中则是导致未熔合的主要因素 Monel一400的焊道成形特点与它的热物理性能 有关.首先是该合金在液态下的表面张力较大(即 较粘滞)f9.,这一点与普通cr—M奥氏体不锈钢是 类似的.由于这一特性,使得焊接过程中熔敷金属 的流动性变差,同时熔池金属抵挡电弧的作用力加 强,使电弧的穿透力及对熔池和搅拌作用减弱,从 而使溶深,熔宽减少,堆高加大.但是普通cr—N 奥氏体不锈钢的这种特性并未导致其焊道成形与普 通低合金钢有如此大的差异,因此对于Monel一400 来说,一定有其它方面差异.这个差异就是两者的 导热性,也是影响Monel一400焊道形状的另一主 要物理因素有关资料给出1】…,Monel一400的导 热系数在20,983?之间为22—52w/m??,普通cr — Ni奥氏体不锈钢的在20—1000?之间为】7, 33’~/m??,普通低合金钢的在20,900?之间为51 , 24w/m??.这表明在中高温状态下,Monel一400 的导热性显着好于普通奥氏体不锈钢,在焊接时很 容易通过热传导将熔池附近的热散发,从而导致熔 池尺寸缩小和凝固速度加快,使熔深,熔宽减小, 堆高增大.总之,由于Monel一400的导热性及液 态表面张力与普通奥氏体不锈钢及低合金钢的存在 差异,所以在相同的焊接工艺条件下导致它的焊道 形状与两者均有较大差别,这可归结为该合金焊接 时容易产生未焊透,未熔合缺陷的根本原因. (2)气孔 试验表明Monel一400的焊缝比较容易出现气 孔,有关也有提及l3’81焊缝中产生气孔的原 因是多方面的高温液态金属对H,O,N等的溶 解度大,降温时,这些元素的溶解量急剧降低,析 出并培合成气体分子;而这些气体分子不能及时在 冷凝前或冷凝过程中排出.从而形成气孔对于 Monel一400来说,有关报告指出,其焊接熔池在 ? 14? 高温下很容易溶解较多的H,O元素,O与Ni结合 成NiO当熔池冷却时,NiO与H和C起反应生成 O和(:O气体.另一方面由于该合金在液态的粘 度大,流动性差,且熔池的受搅拌作用弱,再加上 母材的导热系数大而加快冷却过程,不利于熔池冷 凝前及冷凝过程中气体排出.所以在同样的焊接工 艺下它的气孔敏感性比普通奥氏体不锈钢大. 4.2防止缺陷的措施 Monel一400具有优良的冶金焊接性,一般情况 下不会产生焊接裂纹.本试验中截取的焊接接头横 断面,在金相上均未发现裂纹, (1)适当的坡口尺寸 Monel一400厚板焊接时的根部未焊透是由于熔 深太小造成的,所以它的坡口钝边尺寸与普通钢材 相比必须减小.对于单面手弧焊的v型坡口,若 其根部间隙取1—1.5mm,则其钝边应不大于lrnm, 若根部不留问隙,则其钝边可取0.5mm以下.对 于双面手弧焊,应开双面V型坡口,中间钝边的 取值与单面V型的相同,但是在焊接反面第一道 时,应彻底清除中间钝边的局部未焊透.因为根据 经验,在施焊根部第一道时,若电弧不能保持对准 根部问隙,就会因熔透不均匀而产生根部的局部未 焊透 ?图2焊缝中的气孔200× 第f8卷第4期压力容器总第106期 图3接头中的未熔合200× 圈4接头区局部金相组织200X Monel一40O厚板焊接时的坡口侧壁或焊道之间 未熔合除了与熔深太小有关外,还与施焊过程中的 电弧指向有关,对于坡口侧壁的未熔合,可以用加 大坡口角度来防止因为这可以增加电弧在坡口内 指向的灵活性,有利于保持电弧直对坡口侧壁.一 般来说,v型坡口的角度应不小于8 (2)焊前严格清理 防止Monel一4OO焊缝气孔的最有效之一是 减少或杜绝焊接熔池中溶解气体的来源,因此施焊 前必须彻底除去坡日面及其两侧附近的油污水汽等. 这在美国焊接学会的焊接手册作了明确规定.国内 的有关报告也强调了这一点l3”j清除的方法是 用无水乙醇或丙酮擦洗,然后吹于. (3)焊前预热 Monel一4OO合金厚板的焊接,由于板厚加快散 热的缘故,会加剧焊道的不合理成形及气孔的产生. 从试验结果(表4)可看出,在同样焊接条件下预 热可增大焊道的熔深和熔宽,并减小堆高,明显改 善了焊道成形参数,这对于防止未焊透,未熔合均 是有利的.预热的直接作用是减缓焊接熔池的散热, 使熔池尺寸扩大此外预热还可使焊件干燥脱水, 有利于减少焊缝气孔. 当然,由于Monel一4OO为单相奥氏体,从焊缝 热裂纹的形成机理方面来考虑,预热带来的缓冷可 能会引发焊缝中粗大柱状晶的形成,导致热裂纹倾 向增大.但是实际上并非如此,在本试验中,未发 现焊缝中有热裂纹痕迹,也未发现明显的粗大金相 组织在其它有关的研究报告中尽管也有提及Monel 一 4OO的焊接热裂纹问,但是并投有实例.笔者 认为,就Monel一4OO材质本身来说对焊接热裂纹是 不敏感的.其理由之一是这种材料要求有良好的中 温强度及优异的耐腐蚀性能,因此母材及熔敷金属 的杂质元素含量控制得极低.本试验中母材及焊条 熔敷金属的S,P含量实侧值均在0.005%以下.这 排除了形成焊缝热裂纹的关键要素;其次是这种材 料在中高温下的导热性较好,可加快焊接熔池的冷 凝结晶,削弱晶界上低熔点夹杂物的偏聚,这叉排 除了形成焊缝热裂纹的另一重要因素. 总之,对于Monel一40O厚板的焊接来说,焊前 适当预热并不会引发焊缝热裂纹,而改善焊道成形 及减少焊缝气孔的效果却是明显的基于这一点, 在多层多道焊中为了维持预热的效果,保持适当高 的道间温度也是需要而又可行的. (4)优化焊接参数 对于手弧焊来说,可变焊接参数主要为焊接电 流和焊接速度.从试验(表4)中可看出,提高焊 接电流可使熔深增大,但是电流增大同时也使焊条 的熔敷速度增大,由于熔敷金属流动性差,致使焊 道堆高增大,而且增大幅度比熔深的要高.虽然此 时熔宽也有所增大,但焊道的形状参数H/W却还 是增大,焊道显得更加凸出,这对后焊道的熔敷是 不利的,容易导致焊道间的未熔合缺陷:当然,焊 接电流提高后若能提高焊接速度,则可以减弱堆高 的增加,但由于该合金的粘度大,过快的焊速会出 现断续不均匀状焊道,甚至断弧.此外,提高电流 会使焊条后半段发红明显.甚至药皮脱落,降低电 弧的保护效果.因此,一般情况下打底焊及后续不 作横向摆动的焊道,焊接电流均宜取中等偏低值. 如3.2焊条以120—130A为宜;焊接速度以焊道 形状连续,电弧平稳为前提可适当提高. (5)恰当的操作方式 控制焊道堆高,合理分布焊道,注意电弧指向 是防止未熔合的重要措施.试验表明,在手孤焊中 适当的横向摆动可削弱焊道堆高,f下转第79页) ? l5? “通选系列驻管器盈大型扳手是化 工,石油,发电耍造船等行业的理想工具.击 于其价康耪美.使用方便.深受客户青昧. 我厂特以优良的产品质量完善的售后 服务与贵单位建立真诚的音作关系,欢迎来 电来函垂询订购.同时提供配套各类电动碾 管机 《上接第15页)且不影响电弧的稳定性及熔池保护 效果,降低ft/参数,使焊道平扁.这对后续焊 道的分布和熔合是有利的.一般来说在不影响正常 焊速的情况下,摆动的幅度与焊条直径相当是恰当 的.在多层多道焊中,每一层焊道分布应尽量追求 整个焊层的平整,以利于下一焊层的熔敷.在施焊 根部焊道时,应保持电弧指向以小的垂直倾角对准 钝边间隙,这样可使根部熔透均匀并减少未焊适. 在施焊贴近坡口侧面焊道时,也应尽量使电弧垂直 指向坡口面,以防止坡口侧壁的未熔合. 5结论 (1)在通常的焊接工艺条件下,Monel一400厚 板的焊接容易产生气孔,未焊透,未熔合等缺陷. (2)Monel一400焊缝缺陷的形成与该合金的热 物理性能及焊道的成形特点等因素有关. (3)厚板焊接时,焊前适当的预热有利于减少 未焊透和气孔缺陷. (4)从坡口,焊接工艺参数及施焊操作等 方面采取适当措施改善焊道成形,有利于防止未焊 透,未熔合缺陷. 参考文献 1顾钰熹.Monet一400合金烷基苯管道结构的焊接工艺. 焊接.1993;(5):l8一加 2喻红梅等.Motel一400台金与Q235钢的焊接.焊接 1997;(6):22—23 3王型等.蒙乃尔合金焊接件现坜检修工艺.压力容器 1997;(2):75—78 4.徐建国等.M—cu(蒙乃尔)合金管道结构的焊接.焊 接技术.1998;(2):?,24 5王贵生.蒙乃尔台金的焊接.焊管.加00;(4):32 6.王积昌等.Monel台金管的TiC,焊试验研究.焊接. 1996~(8):6—7 7.隋永盛.Nea~el一400台金的焊接工艺试验.焊接.1驰9; (9):25—27 8王钰玮.Nea~el一400台金与低碳钢的焊.焊接 1998i(4):17—19 9.美国金属学会主编.金属手册(第三卷).机械工业出 版社.1991 10张文铖主编.焊接传热学.机械工业出版社.1孵9 怍者简介:徕道荣,男,1956年生,副教授.通信地址 台肥工业大学材料学院,邮编:230?9. ?79?