Monel—400合金厚板的手弧焊
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
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
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
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)
?
l5?
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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
,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?