纯镍材料焊接工艺的优化(大会二等奖)

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1、纯镍材料焊接工艺优化姜家仪郑世锋(齐鲁石化公司工程管理部，淄博255408)1引言纯镍是在工业生产中各种苛刻腐蚀环境下采用的金属材料。鉴于石油化工生产过程中高温、高压和介质强腐蚀性的特点，石油化工装置设备选材的要求很高，烧碱装置的关键设备碱蒸发器就是采用纯镍制造的。我国石化行业烧碱装置的碱蒸发器过去基本是随装置从国外引进的，近年来，该设备已初步进行国产化。由于碱蒸发器的制造涉及到纯镍材料的焊接，因此，如何对纯镍材料进行焊接工艺优化，成为保证设备制造质量的关键。由于纯镍材料本身固有的物理、化学特性，在焊接过程中极易出现裂纹、气孔及晶粒粗大等缺陷，严重影响到设备的制造质量及使用性能。我们

2、承接了碱蒸发器的制造任务，设备制造前通过对纯镍材料进行焊接工艺试验及理论分析，对纯镍材料的焊接工艺进行优化，并采取工艺措施，终于成功地制造出合格产品，为今后提高同类国产化设备的制造质量积累了经验。2设备制造及操作要求碱蒸发器是烧碱装置四效逆流蒸发工艺流程中的关键设备。其工作温度为162.5℃，工作介质中的NaOH浓度43.5%、NaCl浓度7%、Na2SO4浓度0.6%，其壳程压力为0.9MPa。设备要求优良的焊缝外观质量，对接焊缝100%RT检测按JB4730规定的Ⅱ级为合格。碱蒸发器由蒸发室、加热室组成。其中蒸发室的规格为：4876×3505×10，材质为纯镍，型号为符合ASM

3、E标准的NiSB-162-200，材料的化学成分及力学性能见表1。表1纯镍材料的化学成分(质量分数)(%)及力学性能化学成分(%)力学性能NiMnFeCSPσb/Mpaσ0.2/Mpaδ5(%)≥99.50.20.20.08≤0.01≤.035≥380≥140≥303纯镍的焊接性分析纯镍为单相奥氏体组织，液态凝固过程中不发生相变，极易与S、P、B、Pb等元素形成低熔点共晶体，从而导致产生热裂纹；纯镍固液相温度区间小，流动性低，液态时溶解H2、O2、CO2等气体，在焊接快速冷却凝固过程中极易形成气孔；另外纯镍的电阻率大、热导率低，焊接过程中易过热，导致焊缝晶粒迅速长大，纯镍材料晶粒一

4、旦粗化后，很难用热处理的方法来改善，严重影响焊接接头的机械性能和耐蚀性能。4纯镍的焊接性试验考虑到设备的结构特点，在进行焊接性试验时，采用手工钨极氩弧焊(TIG)的方法，试件为650×150×10的板件对接，单面V型坡口，角度为60°，坡口间隙为2mm，无钝边。焊丝采用Φ2mm的TGSNi-1。其化学成分见表2。表2TGSNi-1的化学成分(质量分数)(%)CSiMnSPNiCuTiAlFe0.060.410.240.0010.0396.230.013.020.020.01焊接工艺参数见表3。表3焊接工艺参数焊接层数焊接电流I/A电弧电压U/V焊速υ/(mm·min-1)氩气流量(L

5、·min-1)1、2100～12012～1450～60123、4120～14012～1460～7014焊后进行RT检测发现焊缝区存在气孔，在RT底片上没有发现裂纹，但在进行微观金相检验时发现：(1)焊缝内存在裂纹。(2)纯镍焊接接头熔和线附近有晶粒长大的倾向，且方向性很强。5焊接缺陷分析5.1裂纹产生的原因通过对纯镍焊缝金相的详细观察及理论分析，认为产生的裂纹为凝固裂纹和多边化裂纹。5.1.1凝固裂纹晶间液膜是引发单相纯镍材料焊缝凝固裂纹的主要因素。高温时纯镍极易与S、P、B、Pb等元素形成低熔点共晶体，这些低熔点组织以液态膜的形式残留于晶界区，在收缩应力的作用下发生开裂，特别

6、是硫化镍熔点只有645℃，磷化镍的熔点880℃［1］。焊接性试验时产生了热裂纹，我们认为焊缝中的S、P元素含量高是主要原因。S、P元素的来源主要是母材与焊丝表面的污物，特别是含硫或铅的一些污物，在焊接过程中过渡到焊缝中，但焊丝合金成分中脱硫元素的含量有限，如焊丝中的有益元素锰含量较少，因为提高锰含量能扩大有害元素，如磷等的溶解度极限［2］。因此，焊接前对母材与焊丝表面进行严格清理、提高焊接材料的锰含量，对防止纯镍焊接产生热裂纹，是很有必要的。另外，纯镍材料的线膨胀系数较大，焊接过程中，易形成较大的焊接应力，导致裂纹的产生。5.1.2多边化裂纹焊接过程是一个不平衡的冶金过程，

7、焊缝金属由液相向固相结晶速度很快，不平衡的结晶过程导致晶体点阵原子排列不完整，形成了大量的空位、位错等晶格缺陷。随着结晶过程的进行，这些空位、位错逐渐合并、集聚、扩大，最后形成了与一次结晶晶界不同的新网界或亚晶界即多边化晶界。该多边化晶界是薄弱的，在一定的应力作用下，很容易形成多边化裂纹。纯镍材料为单相奥氏体组织，其焊缝金属的多边化晶界形成和发展比较顺利，因此最后发展成多边化裂纹。多边化裂纹一般为微裂纹，用