1、引言

纯镍是在工业出产中各类刻薄侵蚀环境下选取的金属资料。鉴于石油化工出产过程中高温、高压和介质强侵蚀性的特点?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选取纯镍制作的。我国石化行业烧碱装置的碱蒸发器从前根基是随装置从国外引进的?近年来?该设备已初步进行国产化。由于碱蒸发器的制作涉及到纯镍资料的焊接?因而?若何对纯镍资料进行焊接工艺优化?成为保障设备制作质量的关键。

由于纯镍资料自身固有的物理、化学个性?在焊接过程中极易出现裂纹、气孔及晶粒粗壮等缺点?严重影响到设备的制作质量及使用机能。我们承接了碱蒸发器的制作工作?设备制作前通过对纯镍资料进行焊接工艺试验及理论分析?对纯镍资料的焊接工艺进行优化?并采取工艺措施?终于成功地制作出合格产品?为今后提高同类国产化设备的制作质量堆集了经验。

2、设备制作及操作要求

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％、Na₂SO₄ 浓度0.6％?其壳程压力为0.9MPa。设备要求良好的焊缝外观质量?对接焊缝100％RT 检测按JB4730划定的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：：φ4876×3505×10?材质为纯镍?型号为切合ASME 尺度的NiSB－162－200?资料的化学成分及力学机能见表1。

3、纯镍的焊接性分析

纯镍为单相奥氏体组织?液态凝固过程中不产生相变?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?液态时溶化H₂、O₂、CO₂ 等气体?在焊接急剧冷却凝固过程中极易形成气孔；别的纯镍的电阻率大、热导率低?焊接过程中易过热?导致焊缝晶粒迅速长大?纯镍资料晶粒一旦粗化后?很难用热处置的步骤来改善?严重影响焊接接头的机械机能和耐蚀机能。

4、纯镍的焊接性试验

思考到设备的结构特点?在进行焊接性试验时?选取手工钨极氩弧焊（TIG）的步骤?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。：杆垦∪ˇ2mm 的TGSNi－1。

其化学成分见表2。

焊接工艺参数见表3。

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左近有晶粒长大的偏差?且方向性很强。

5、焊接缺点分析

5.1　裂纹产生的原因

通过对镍棒、镍板等纯镍焊缝金相的具体观察及理论分析?以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资料焊缝凝固裂纹的重要成分。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大局残留于晶界区?在收缩应力的作用下产生开裂?出格是硫化镍熔点只有645℃?磷化镍的熔点880℃［1］。：附有允匝槭辈巳攘盐?我们以为焊缝中的S、P 元素含量高是重要原因。

S、P 元素的起源重要是母材与焊丝理论的污物?出格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?由于提高锰含量能扩大有害元素?如磷等的溶化度极限［2］。因而?焊接前对母材与焊丝理论进行严格算帐、提高焊接资料的锰含量?对预防纯镍焊接产生热裂纹?是很有必要的。别的?纯镍资料的线膨胀系数较大?焊接过程中?易形成较大的焊策应力?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?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分列不齐全?形成了大量的空位、位错等晶格缺点。随着结晶过程的进行?这些空位、位错逐步归并、集聚、扩大?最后形成了与一次结晶晶界分歧的新网界或亚晶界即多边化晶界。该多边化晶界是幽微的?在肯定的应力作用下?很容易形成多边化裂纹。纯镍资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力顺利?因而最后发展成多边化裂纹。

多边化裂纹通常为微裂纹?用通常的RT 射线探伤仪不易检测到?更应引起足够的器重。因而?在纯镍资料的单相奥氏体焊缝中参与固溶强化的大原子半径的Mo、W、Mn、Nb 等元素?来故障空位、位错的移动、归并?可有效地预防纯镍资料焊缝多边化裂纹产生与发展［3］?且这些大原子半径的元素能造成晶格点阵畸变?使不梦想晶格的定向成长不易实现?这对预防多边化裂纹是很有益的。

5.2　气孔的成因分析

5.2.1　周围气体

和低碳钢、低合金钢的焊接相比?纯镍氧化性焊接空气更易于导致气孔的产生?H₂、O₂、CO₂ 在液态纯镍中溶化度较大（例如O₂ 在1720℃时溶化度为1.18％）?但在冷却凝固时?溶化度大幅度地削减（O₂ 在1447℃时溶化度仅为0.06％）［2］。高温溶化的气体来不及逸出?便形成气孔。所以说要预防产生气孔?必须；ず煤附尤鄢?选取高纯度的焊接资料?增长足够的脱氧剂?使熔池金属全面脱氧。在钨极惰性气体；ず甘?要同时思考焊接时某些合金元素的烧损；增长足量的合金成分。由此可见?焊缝冶金系统中的脱氧反映对仰制气孔的产生是很关键的。

5.2.2　理论清洁度

我们在分析气孔产生的原因时?以为焊材、母材理论的清洁度对形成焊接气孔有很大的影响。如焊件、焊丝理论上的水份、油污、焊件坡口及两侧的油脂、机械切削液等?这些污物中都含有氢、碳等元素?高温时溶入液态金属?凝固过程中便形成气孔。

5.2.3　氩气的影响

氩气是惰性；て?拥有高温不分化又不与焊缝金属产生氧化反映的特点。但氩气的纯度对焊接质量有较大的影响?氩气中的O₂、N₂、H₂O 等杂质含量超过尺度规按时?会使焊接电弧不不变?而产生气孔。同时?氩气的流量也是一个重要的焊接工艺参数。当氩气的流量太小时?起不到；こ尚；当氩气流量太大时?不仅浪费氩气?反而会产生紊流?将空气卷入； 区?使焊缝形成气孔。

5.3　晶粒粗壮

镍棒、镍板等纯镍资料的热导率低、电阻系数大?焊缝和热影响区有过热偏差。：附邮毖∪〉暮附酉吣芰拷洗?所有这两方面?在初次施焊时?都没有从底子上得到器重?促使了粗壮晶粒的产生。奥氏体晶粒粗壮?既容易使低熔点共晶体在晶界荟萃形成热裂纹?又影响了接头的耐蚀机能和机械机能。纯镍资料的晶粒一旦粗化后?很难用热处置的步骤来解除。：附庸讨?削减焊缝的热输入量?同时向焊接熔池中增长足量的A1、Ti等细化晶粒的合金元素?可预防纯镍焊接晶粒粗化偏差。

6、优化的焊接工艺

通过焊接性试验及理论分析?找到了产生焊接缺点的重要原因?最终得到了纯镍资料优化的焊接工艺。

6.1　焊接步骤

凭据纯镍的焊接特点?结合碱蒸发器的结构?在焊接步骤上仍选用TIG 焊?但为了增长焊接区域的；こ尚?同时采取背面充氩；。

6.2　焊前筹备

由于焊件坡口区域和焊丝理论存在油污、水分及氧化膜等杂质?在焊接过程中易造成焊接缺点。因而?焊前必须对坡口及两侧50mm 领域内、焊丝理论进行严格算帐?选取化学清的步骤。其洗濯液的配方见表4。

洗濯工序：：先将焊件、焊丝用热水冲刷干净后?浸入酸洗液中5～10min?取出后用热水冲刷?而后用10％的氨水中和?最后在沸水中洗濯并干燥。通常焊件、焊丝洗濯完后24h 内用完?不然?须再次洗濯?预防重新氧化产生氧化镍薄膜。

6.3　坡口型式

纯镍焊接与低合金钢相比有低熔透性的特点?但不能选取大线能量来增长熔透性。坡口型式应选择较大的坡吵嘴度?同时为削减焊缝金属的填充量及焊策应力?应采取双面V 型坡口。具体的坡口型式为：：双面V 型坡口、角度为75°、钝边1mm、间隙2mm。

6.4　焊接资料

6.4.1　焊丝

通过焊接性试验?意识到填充资料的化学成分是预防纯镍焊接产生缺点、保障焊接质量的一个关键成分。：杆縏GSNi－l 不是在该前提下焊接纯镍的最佳焊材?同时?脱硫也不够充分。最后?选用了冶金成分配置较合理切合AWS 尺度的焊丝?型号为ERNi－l?该焊丝的气孔敏感性小并能预防产生焊接裂纹。ERNi－l 的化学成分见表5。

6.4.2　氩气

氩气的纯度对焊接质量有较大的影响?应选用国度定点出产厂的产品?纯度要求达99.99％?当每瓶氩气用至内压2.0MPa 时?由于此时含水量有所增长?应终场使用。同时?在每瓶氩气使用前?可先在纯镍试板上进行检验?点焊后焊点外观银白如镜的为最优；理论为金紫色、灰褐色的不容使用。

6.5　焊接工艺参数

针对纯镍的导热率低?容易过热?焊缝晶粒易长大的偏差?严格节制焊接工艺参数是极度重要的。出格是焊接线能量?单纯靠减小焊接电流的步骤?现实证明并不是有效的?由于液态镍的流动性较差?熔深浅?现实焊接选取的电流不宜太小?保障焊缝熔合的前提下用提高焊速的步骤来节制热输入量。严格节制层间温度。：附庸ひ詹问6。

氩气充量是影响；こ尚У囊桓鲋匾问。流量巨细是获得优质焊缝的关键?氩气的流量过大?反而易产生焊接缺点。

氩气流量可由下面的经验公式确定：：

Q＝K·D

式中?Q 为氩气流量?D 为喷嘴直径?K 为系数（0.8～1.2）。而D＝（2.5～3.5）d式中?d 为钨极直径?通常为Φ3mm?因而氩气流量通常在8～10L／min 为宜。

背面氩气流量4～6L/min。

6.6　操作技术要求

对纯镍焊接?操作技术也是很重要的一个方面?现实设备施焊时?我们做了如下要求：：

（1）施焊操作时?焊矩禁绝摆动?选取短弧施焊?弧长通常节制在1.0～1.5mm 之间?每一段接头时?能够回焊一小段?以利气体排出。

（2）填满弧孔?以防产生弧孔裂纹。

?断弧后?要待焊接熔池冷却后能力堵截氩气；。

（4）背面清根?层间算帐要严格进行?预防镍的氧化膜在焊接过程中进入熔池?而形成焊接缺点。

7、设备制作质量

7.1　设备焊接了局

设备施焊结束?外观质量齐全达到要求。对接焊缝经100％RT 检测?共计拍片124张?按JB4730的划定Ⅱ级均合格（其中Ⅰ级片76张）。：阜煲淮魏细衤蚀锏100％。

7.2　产品焊接试板

产品焊接试板焊缝外观查抄合格后?RT 检测达到JB4730划定Ⅰ级。金相试验未发现裂纹及晶粒粗壮景象；祷苁匝榱司旨7。

产品试板检验合理。

8、结论

8.1　碱蒸发器纯镍资料NiSB－162－200?选取TIG焊接步骤?焊丝为ERNi－l?可能获得优质的焊接接头。

8.2　纯镍焊接时正确选用与母材匹配的焊接资料是预防产生焊接热裂纹、气孔的重要措施；ERNi－l 焊丝比TGSNi－l 更利于解除纯镍焊接过程中的热裂纹及气孔偏差。

8.3　氩气；な怯跋齑磕附又柿康牧硪桓龉丶煞?高纯度的氩气及相宜的氩气流量对获得优良焊缝外观质量、预防产生气孔至关重要。

8.4　纯镍焊接前对坡口周围及焊丝理论进行严格的洗濯?是纯镍焊前筹备的一个重要工序?这样可杜绝有害气体的起源?预防产生气孔、裂纹等焊接缺点；合适焊接线能量?可预防晶粒粗壮偏差。

8.5　纯镍的焊接?萦绕预防产生热裂纹、削减气孔和预防晶粒粗壮三方面进行焊接资料及工艺参数的选择?是极度重要的。纯镍资料的焊接工艺优化?为今后提高同类国产化设备的制作质量堆集了经验。

参考文件

【1】曾乐．现代焊接技术手册．上海：：上？？？蒲Ъ际醭霭嫔?1993．11

【2】AWS．Welding Handbook?7th Edition?Vo14．1987

【3】彭日辉等．Ni－Cr－Mo 系焊接资料抗热裂机能的钻研及利用．冶金部钢铁钻研总院?1987．12