当前位置： 焊机 >> 焊机前景 >> Monel400铜镍合金化学成分
Ni-Cu合金兼备铜的贵金属性和镍的钝化性,在还原性介质中比镍耐蚀,在氧化性介质中比铜耐蚀。Monel合金对一定浓度、温度的苛性碱溶液、稀盐酸、硫酸、磷酸,尤其对氢氟酸都具有良好的耐蚀性,是石油、化工等行业腐蚀介质场合下压力容器等设备延长使用寿命、降低检修和使用成本的优选材料之一。但由于其价格昂贵,通常与钢材料复合后使用,以降低制造成本.在碳钢基体表面堆焊Monel合金作为耐腐蚀层是最基本的复合手段.目前,工程上常用于钢基表面堆焊Monel合金的方法为焊条电弧焊SMAW(shieldedmetalarcwelding),但焊条堆焊时由于熔池搅拌相对剧烈,导致首层焊缝中的关键元素稀释严重,通常需要用特定材质成分的焊条进行首层过渡焊;多层多道堆焊过程中药皮清理工作强度大,往往会引起层道间夹渣等缺陷.钨极气体保护焊GTAW(gastungstenarcwelding)和熔化极气体保护焊GMAW(gasmetalarcwelding)两种焊接方法,前者可选用较小的焊接工艺参数,减弱熔池的搅拌作用;后者易实现自动化,熔敷速度快,焊接效率高.为更加适应工程化焊接优质、高效的发展趋势,进行上述两种方法的堆焊试验,分析了其堆焊工艺的可行性和适应性。
试验方法
基体16MnR和堆焊层ERNiCu-7合金焊丝标称化学成分见表1。
这两种合金的化学成分虽然差异很大,但依据达尔根状态图1a,从冶金学相容性角度分析,Ni元素和Cu元素都能够与Fe元素形成连续固溶体,熔化状态下难以形成金属间化合物等脆性相,具有良好的焊接性.然而两种合金的熔点、热导率和线膨胀系数等物理性能的差别,加上S元素、P元素等杂质易与Ni元素、Fe元素生成低熔点共晶组织;O2,H2,N2,CO2等气体在液态Monel合金中溶解度较大,诸多因素都会增大焊接热裂纹和气孔倾向。
减小母材在焊缝中的熔合比,增大焊缝成形系数(即焊缝宽度与厚度之比),有利于防止焊缝金属的热裂纹;堆焊过程中通过加强惰性气体保护措施也可以有效预防气孔的产生。
Monel是单相固溶合金,因而不会出现相间电池效应导致的腐蚀.但16MnR表面堆焊Monel合金,基体和堆焊层的主要化学成分Fe元素、Ni元素、Cu元素会相互稀释,直接影响堆焊层的耐蚀性能.由达尔根状态图1b可见:堆焊时16MnR中相对富足的Fe元素要扩散到Ni基合金中,而Fe元素只能有限地固溶于镍合金,熔池凝固过程中一部分Fe元素将集结并弥散分布在堆焊层中,随着堆焊层中Fe元素聚集增多,与腐蚀介质接触时,极易形成小阳极大阴极电池反应,造成点蚀.这种点腐蚀若连续发展,能导致腐蚀穿孔或应力腐蚀破裂,直至整台压力容器失效,甚至产生危害性极大的事故。所以,控制堆焊层中的Fe元素含量是保证其耐蚀性的关键。
参照机械部标准JB-%钢制压力容器焊接工艺评定和机械部标准JB-%钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验等相关标准,采用16mmmmmm的16MnR板为基体板,ERNiCu-7合金焊丝堆焊。
分别采用GTAW,脉冲GMAW和GTAW+脉冲GMAW进行焊接对比试验.焊接时均采用纯氩气体(99.99%)进行高温区保护,纯氩气露点不高于-50(,并符合国家标准GB/T-6的规定。
采用钨极气体保护
焊机WSM-;采用熔化极气体保护焊机TPS0。
焊接工艺参数见表2。
无损检测
按照机械部标准JB/T.5-5%承压设备无损检测对堆焊焊缝逐层进行表面渗透检测,未发现裂纹和其它超标缺陷,达到Ⅰ级合格指标。
化学成分和宏观金相采用上述设备和方法焊接后,对堆焊层不同厚度处的Fe,Ni,Cu等元素的成分进行了测试(表3),并对不同焊接方法的堆焊截面做了低倍组织检验(图2)。
经过多次堆焊试验和成分验证,结果显示:首层焊缝焊接,由于熔融界面上主要元素相对集中且浓度高,扩散速度快,元素间相互稀释最严重;以熔合线为界限,随着堆焊层厚度的增厚,稀释率逐渐降低;不同的焊接方法,其稀释程度也有差别.用GTAW和GMAW方法焊接,当堆焊层厚度分别达到2.5,3.5mm以上时,Fe,Ni,Cu三种主要元素的含量就能达到ERNiCu-7焊丝的标称成分要求;如果采用GTAW方法打底过渡,再用GMAW方法完成堆焊,同样在堆焊层厚度达到2.5mm时,其化学成分也能符合标称要求.结果还表明:其余元素由于含量很少,稀释不明显,均在合格范围内波动。
堆焊时通常采用小电流、低电压、薄层多道的方法,以获得小的熔合比,减小熔敷金属的稀释率.另外,堆焊焊缝节距大小,对堆焊层表面的平整度、堆焊层化学成分均匀性及母材的稀释率都有明显的影响.根据国家标准GB/T.1-5%金属熔化焊接头缺欠分类及说明,分析其低倍组织:堆焊截面均无裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合、未焊透、形状和尺寸不良及其它缺陷.但由形貌上堆焊界面可以看出,GTAW方法焊接熔深浅,而GMAW方法焊接熔深较深,反映出GMAW方法堆焊焊缝节距和熔合比较大,基体母材熔入焊缝中的比例加大,导致元素相互稀释较严重。
从焊接工艺方面考虑,GTAW方法焊接容易实现小的焊缝节距和熔合比,有利于控制元素的稀释,但自动化程度和焊接效率低;而GMAW方法焊接结果正好相反.若将两种焊接方法有效地结合起来,首层焊接采用小规范GTAW方法,既可严格控制基体中大量的Fe元素向堆焊层扩散,又可防止弧坑微热裂纹产生,其余各层采用自动脉冲GMAW方法,提高焊接效率,且纯氩气保护焊接飞溅和气孔倾向很小,质量稳定。
弯曲性能
焊后在(消应热处理状态下,参照机械部标准JB-和JB-要求,进行堆焊层和基层同时承受拉伸应力的侧弯试验,试样厚度t=10mm,宽度(包括6mm厚堆焊层)22mm,弯轴直径4t,支座间距离L=6t+3,冷弯角=+.试验结果显示:试样拉伸面上堆焊层和基体均无裂纹和缺陷,熔合线上仅有个别的长度小于1.5mm的微小裂纹.这表明堆焊层塑性和成形等工艺性能良好。
显微组织讨论
按照国家标准GB/T-《金属显微组织检验方法》,分别对基体、熔合区、堆焊层进行了微观金相组织观察,未发现显微裂纹等缺陷.堆焊层:树枝状奥氏体+少量颗粒状析出相,见图3a,b;熔合区:左边为堆焊层,右边为过热区,4%硝酸酒精浸蚀见图3c,稀王水浸蚀见图3d;过热区:铁素体+珠光体+魏氏组织,见图3e;基体:铁素体+珠光体,见图3f。
结论
(1)GTAW+脉冲GMAW堆焊层厚度大于2.5mm时,影响堆焊层腐蚀性能的Fe,Ni,Cu元素等主要成分就能达到ERNiCu7焊丝的标称合金成分要求,从经济性和使用性方面,为承受介质腐蚀的容器等设备的Monel合金/钢基堆焊设计提供了一些参考。(2)与常规SMAW,GTAW,GMAW等堆焊方法相比较,GTAW+自动脉冲GMAW方法,能充分发挥各自的长处,焊接工艺和质量稳定、劳动强度低、生产效率高.堆焊层和基体结合力学性能良好。
