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.分析其原因,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,有关报告也有提及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焊缝气孔的最有效方法之一是
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的焊接热裂纹问题,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)
?
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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)从坡口设计,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.
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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?