王多明，張亞森，侯彥龍，李青春，包國強，武斌，李文強

中核四〇四有限公司第一分公司 甘肅蘭州 732850

1 序言

耐腐蝕Monel400鎳銅合金主要元素為Ni和Cu，由于Ni和Cu能夠形成無限固溶體，使其組織可成為單相奧氏體[1]。由于Monel400合金具有優(yōu)良耐氟、耐氫氟酸性能，具有良好的力學性能和加工性能，能在較為惡劣的腐蝕環(huán)境中工作，因此被廣泛應用于腐蝕性較強的化工、海洋開發(fā)、核工業(yè)等領域[2-4]。

反應器器體作為主要核心設備，伴隨核工業(yè)快速發(fā)展，反應器器體在中溫狀態(tài)和強腐蝕的環(huán)境下運行，因而對反應器器體焊接性能提出更高的要求。由于反應器器體尺寸較大，焊接坡口不易成形，Monel400合金材料在卷制過程中，延展率較大，因此焊接坡口角度對于焊接質(zhì)量影響很大，焊接過程中易變形，焊后極易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。本文通過對Monel400合金材料進行焊接性分析，在焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)等方面進行焊接工藝評定[5]，選擇最佳的焊接參數(shù)和操作技術(shù)，應用于反應器器體的焊接。

2 反應器器體結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標

（1）反應器器體結(jié)構(gòu) 反應器器體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于反應器器體焊接坡口不易成形，焊接過程中板材易產(chǎn)生變形，因此焊后極易出現(xiàn)裂紋、氣孔等，在實際使用過程中存在焊縫缺陷及焊接質(zhì)量問題，焊縫易出現(xiàn)腐蝕減薄。通過對Monel400合金材料進行焊接性分析，在焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)等方面進行研究，擬解決焊接變形、焊縫缺陷，提高焊接接頭質(zhì)量，降低焊縫腐蝕。

圖1 反應器器體結(jié)構(gòu)及主焊縫布局

（2）主要技術(shù)指標 反應器主要技術(shù)指標見表1。另外，反應器焊接接頭A、B類焊縫采用NB 47013.2—2015標準進行100%RT檢測，技術(shù)等級為A、B級。

表1 主要設計參數(shù)

3 Monel400合金的焊接特點

由于Monel400合金材料在液態(tài)下的流動性及浸潤性較差，焊接過程中焊縫極易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和咬邊等缺陷。這些缺陷直接影響著反應器器體的使用壽命，具體Monel400合金材料焊接存在以下特點[6]。

（1）容易氧化 鎳和銅的互溶性很好，同時與氧的結(jié)合力較強，在高溫時與氧結(jié)合易生成氧化膜，這種氧化膜極易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和咬邊等缺陷，使焊接性能降低。

（2）易產(chǎn)生氣孔 Monel400合金的焊接氣孔主要為H2氣孔、CO氣孔和H2O氣孔。其中以H2O氣孔為主。在焊接過程中，焊縫金屬中的鎳熔化為液態(tài)能溶解大量的氧（1720℃氧在鎳合金中的溶解度為1.18%）。當焊縫金屬凝固時，氧的溶解度逐漸減小，過剩的氧將鎳氧化成氧化亞鎳，NiO和Ni與H反應，鎳被還原后，而氫與氧反應生成H2O在熔池凝固時來不及逸出，而形成H2O氣孔。由于在焊接過程中焊道周邊區(qū)域冷卻快，結(jié)晶速度大，造成熔池中的氫來不及逸出，而形成H2O氣孔。

（3）焊接接頭的力學性能下降 Monel400合金焊后焊接接頭的組織發(fā)生較大的變化，在焊接應力和電化學腐蝕作用下，焊接接頭性能明顯下降。這主要體現(xiàn)在Monel400合金在腐蝕介質(zhì)中首先發(fā)生電化學腐蝕，一定時間后，被焊金屬表面產(chǎn)生較長的微裂紋，受應力集中和滲入裂紋內(nèi)部吸附物質(zhì)的楔入作用，促使裂紋擴張，從而暴露了新鮮的表面，繼續(xù)在介質(zhì)中腐蝕，其過程反復進行，直到材料斷裂為止。

（4）Monel400合金的耐腐蝕性能下降 在生產(chǎn)實際中，焊接接頭的耐腐蝕性能會遠低于母材，主要原因是焊接的保護不良易產(chǎn)生高溫氧化、氣孔、裂紋和焊縫表面不平整等缺陷。焊接時合金元素的燒損及脆化等造成其在焊接接頭中相對減少，極易降低Monel400合金的耐蝕性。

（5）焊接熱裂紋傾向大 Monel400合金中的Cu對O、S、Pb、P等雜質(zhì)元素很敏感，焊接時易形成焊接熱裂紋。在焊接過程中，銅與雜質(zhì)反應產(chǎn)生低熔點共晶體，低熔點共晶體再結(jié)晶過程中分布在晶間或晶界處，使鎳銅合金具有明顯的熱脆性。

（6）存在黏稠和“淺熔深”的特性 Monel400合金焊接時，Monel400合金高溫下黏稠度比較大。熔池的合金表面張力非常大和氣體電離中多數(shù)離子向兩側(cè)偏離特點，較多離子不易向下流動，而是從中心向四周流動，形成“淺熔深”現(xiàn)象，這主要是由Monel400合金特性決定的。

4 Monel400合金焊接工藝研究

4.1 試驗材料

試驗材料為Monel400合金，試板規(guī)格為650mm×125mm×12mm，其化學成分、力學性能和物理性能見表2～表4。

表2 Monel400合金材料的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 Monel400合金材料的物理性能

表3 Monel400合金材料的力學性能

4.2 焊接接頭形式

由于Monel400合金液態(tài)焊縫金屬流動性較差，存在“熔深淺”的特性，若單純通過增大焊接電流來提升焊縫金屬流動性和熔池深度，反而不利于焊接。因為增大焊接電流的同時增大了焊接熱裂紋的敏感性，所以使焊縫金屬中脫氧劑蒸發(fā)，造成氣孔。為了保證接頭的熔透和減少“淺熔深”現(xiàn)象，選擇適當增大坡口角度、減小鈍邊高度的焊接接頭形式，對縱、環(huán)焊縫采用單面焊雙面成形，具體坡口形式如圖2所示。

圖2 反應器環(huán)、縱焊縫焊接坡口形式

4.3 焊前準備

Monel400合金材料焊接關鍵點是焊接區(qū)、填充材料保護。由于Monel400合金材料和焊絲表面存在油污、水分以及被氧化膜覆蓋，妨礙焊絲填充金屬與Monel400母材金屬結(jié)合且氧化膜熔點高（約3680℃），易形成微裂紋或隱裂紋等焊接缺陷[7]，因此焊接前必須對焊件表面進行清理，以保持焊件的清潔度。清理方式采用機械方法清理坡口及兩側(cè)50mm范圍鈍邊和坡口內(nèi)雜質(zhì)，如脂、油、漆、標記用蠟筆、切削液等。并將焊道表面的氧化物使用機械打磨清除后用丙酮清洗。

4.4 焊接方法的選擇

由于Monel400合金材料本身對于氣體雜質(zhì)敏感，容易導致局部脆弱形成裂紋和偏吹產(chǎn)生夾渣，因此常規(guī)的電弧焊不適用該設備高質(zhì)量的焊接要求。該設備母材板厚為12mm，為保證內(nèi)部的焊接質(zhì)量，提高耐腐蝕性能，同時減小內(nèi)部焊縫的打磨量，綜合考慮，該設備縱、環(huán)焊縫焊接接頭宜在惰性氣體保護氣氛進行焊接，最終選擇采用手工鎢極氬弧焊進行焊接。選擇使用TIG焊接設備，是因為TIG焊具有高頻引弧和滯后的保護氣流。

Monel400合金材料焊接時，應注意以下幾個方面：①保護氣體流量。②焊槍噴嘴直徑。③鎢極直徑與電流大小。

（1）保護氣體 氬氣是一種無色無味的單原子惰性氣體，在焊接高溫時不易分解，不易與金屬起化學反應，不易溶解于Monel400合金材料熔池金屬中。在氬氣的氛圍中焊接，能有效避免Monel400合金形成氧化膜，防止氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和咬邊等缺陷的產(chǎn)生，提高焊接性能。

該設備焊接接頭的保護效果同氬氣的流量和焊槍的噴嘴直徑相關：①當焊槍噴嘴直徑一定時，氬氣流量過低時，氣流挺度差，排除焊縫熔池周圍中空氣的能力弱，對焊接接頭的保護效果不佳；氬氣流量過高時，容易形成紊流，將空氣卷入焊縫熔池，容易產(chǎn)生裂紋，降低焊接接頭保護效果。②當氬氣流量一定時，焊槍噴嘴直徑過小，對焊接接頭周圍保護范圍小，并且容易造成氬氣氣流速度過高而形成紊流；噴嘴直徑過大時，妨礙焊工觀察，同時造成氬氣氣流流速降低，降低保護效果。

根據(jù)查閱資料，噴嘴直徑同氣體流量關系見表5，通過試驗確定噴嘴直徑同氣體流量的最佳關系。

表5 噴嘴直徑與氣體流量關系

（2）鎢極直徑及端部形狀 鎢極直徑與焊接電流大小、電流種類相關；鎢極端部形狀是鎢極直徑選擇重要的工藝參數(shù)。根據(jù)所用焊接電流種類，選用不同的端部形狀。同樣，尖端角度的大小會影響鎢極電流、引弧及穩(wěn)弧性能。鎢極直徑與電流關系見表6。

表6 鎢極直徑與電流關系

4.5 焊接材料的選擇

Monel400合金間焊接時，應選用的焊絲成分與母材基本接近或優(yōu)于母材的焊絲，但是為了補充在焊接過程中元素的燒損，控制氣孔、裂紋的產(chǎn)生，需在焊絲中加入一些合金元素，如Mo、W、Mn、Cr、Nb等，可有效控制焊縫多邊化晶界的產(chǎn)生和發(fā)展，提高Monel400合金焊縫抗熱裂紋能力。因此，手工鎢極氬弧焊選用國際鈦合金公司（簡稱SMC公司）生產(chǎn)的Monel60（φ2.4mm）的填充材料，其化學成分見表7。

表7 Monel60焊絲的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

4.6 焊接參數(shù)

通過對Monel400合金間焊接工藝研究和焊接試驗，確定該設備直筒段縱焊縫、直筒段與下錐體環(huán)焊縫，以及下錐體縱焊縫的焊接參數(shù)見表8。

表8 Monel400合金焊接參數(shù)

4.7 焊接過程控制

1）由于Monel400鎳銅合金的熔敷金屬流動性差，因此嚴禁通過提高焊接電流來增加焊縫金屬的流動性，因為焊接熱輸入過大，焊接接頭容易過熱，造成晶粒長大，同時會增加熱裂紋和氣孔產(chǎn)生的概率。

2）在焊接過程中，應避免電弧攪動熔池；加熱焊絲端應保護在氬氣中，避免熱的末端氧化和造成污染；焊接收弧時，熄弧前液態(tài)金屬應填滿弧坑。

3）在焊接過程中，當鎢極觸及熔池或焊絲熔化端時，應立即停止焊接作業(yè)，并清除鎢極接觸部分的焊縫金屬后再繼續(xù)施焊。

4）填充焊絲應從熔池的前端進入熔池，避免其與鎢極接觸。

5）為防止焊縫被氧化，應將層間溫度控制在100～150℃。

6）焊接過程中保護氣體流量選擇在8～12L/min，保護氣體流量過大時，可能造成氣體紊流，影響焊縫的冷卻速率，從而對焊縫造成不利影響。

7）選用帶墊板焊接工藝，確保根部焊透，提高熔池保護效果。焊接接頭的X射線檢測、力學性能檢測、金相組織檢測都滿足材料性能指標。

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 無損檢測

焊后經(jīng)過嚴格的清理后，對試件焊接接頭進行外觀檢測，焊縫成形良好，焊縫表面無明顯缺陷，焊接試樣如圖3所示。反應器器體焊接完畢24h后，按照NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測》對直筒段縱焊縫、直筒段與下錐體環(huán)焊縫，以及下錐體縱焊縫進行100%X射線檢測，均未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，焊接質(zhì)量達到Ⅰ級要求。

圖3 Monel400焊接試板

5.2 焊接接頭拉伸與彎曲性能分析

按照標準GB 2651—1989《焊接接頭拉伸試驗方法》對Monel400合金焊接接頭拉伸試驗進行取樣，如圖4所示。采用GMT5105型萬能試驗機和彎曲試驗機按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》對Monel400合金焊接接頭進行力學性能和彎曲性能檢測，試驗結(jié)果見表9。

表9 Monel400合金焊接接頭力學性能數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖4 焊接接頭力學性能取樣

Monel400合金母材的抗拉強度為585MPa，焊接接頭的抗拉強度為565MPa，相當于母材強度的96.6%，基本達到與母材等強度的要求；焊接接頭彎曲（面彎、背彎）180°后均未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生，表明Monel400合金焊接接頭的強度和塑性較好，均能滿足NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求。

5.3 焊接接頭顯微硬度

采用HXS-1000AY型數(shù)字式智能顯微硬度計，分析Monel400合金焊接接頭的顯微硬度分布，從熔合線開始，沿著熔合線的方向，向熔合線兩邊進行測量，左側(cè)數(shù)據(jù)代表焊縫距熔合線距離，右側(cè)數(shù)據(jù)代表母材離熔合線距離，顯微維氏硬度與熔合線距離的變化如圖5所示。

圖5 Monel400合金焊接接頭顯微硬度分布

從圖6可以看到，表面焊縫硬度值較高，熱影響區(qū)硬度值較低；底層焊縫硬度值較低，熱影響區(qū)稍高；在接近熔合線位置硬度顯著提高，在熔合線上的硬度最高，并且高于母材。

6 結(jié)束語

1）Monel400合金間焊接，焊絲選用國際鈦合金公司（簡稱SMC公司）Monel60（φ2.4mm）的填充材料，焊接方法采用手工鎢極氬弧焊進行焊接。

2）Monel400合金間焊接層間溫度控制在100～150℃。

3）Monel400合金間焊接過程中氬氣氣體流量控制在8～12L/min。

4）Monel400合金間焊接焊機噴嘴直徑應選為φ12mm，鎢極直徑應選為φ3.2mm，焊接電流控制在155～175A，焊接電壓控制在14～20V，焊接速度控制在25～75mm/min。

5）Monel400合金焊縫進行100%X射線檢測，焊接質(zhì)量達到Ⅰ級要求。

6）Monel400合金焊接接頭的抗拉強度為565MPa，低于母材，相當于母材強度的96.6%，基本達到與母材等強度的要求；焊接接頭彎曲（面彎、背彎）180°后均未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生，滿足NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求。