工业纯镍(N6)焊接工艺研究

【摘 要】 本文主要论述了工业纯镍（N6）的焊接性能试验，对纯镍焊接中的气孔、裂纹、晶粒长大几个方面进行了讨论，在此基础上进行了焊接工艺评定，制定了合理的焊接工艺规程，产品获得了满意的焊接质量。

【关键词】 工业纯镍 工艺评定 焊接质量

工业纯镍在某些介质中具有优异的耐腐蚀性能，是耐热浓碱溶液的最好材料，对中性的微酸性溶液以及有机溶剂的抗腐蚀性也非常强。它有较高的强度和塑性，尤其在冷、热状态下均有良好的加工性能。因此，石化行业酸碱装置中经常用此材料来达到抗腐蚀效果。

我公司于2011年8月制造一台反应器。壳体材料为工业纯镍（N6），设计温度280℃，介质为氯化氢/氯氟乙烷，焊缝对接接头要求100%RT检测，Ⅱ级合格。（如表1）

1 纯镍的焊接性能分析

工业纯镍的纯度一般在99%以上，杂志的质量分数不超过1%。主要组织为奥氏体，面心立方晶格，与奥氏体不锈钢接近。相对密度与铜接近，为8.9g/ml。纯镍熔点低于钛和低碳钢，热导率比碳钢低，电阻率大。纯镍焊缝凝固时不发生相变，时常形成粗大的树枝状奥氏体结晶。低熔点杂质S、P、Pb等元素在晶界形成低熔点共晶体，导致产生热裂纹。纯镍固液相温度区间小，流动性低，液态时易溶解H2、O2、CO2等气体，在结晶时这些气体来不及逸出会形成气孔。再者，由于电阻率大，热导率低，焊接过程中易过热，导致焊缝晶粒迅速长大，严重影响焊接接头的机械性能和耐蚀性能。

2 焊接工艺评定

焊接工艺评定按照JB/T4756-2006《镍及镍合金制压力容器》，JB/T4745-2002《钛制焊接容器》附录B执行。

2.1 焊接材料及试件制备

工艺评定采用手工钨极氩弧焊（TIG）焊接方法，母材为工业纯镍（N6），焊丝为ф2.4mm的ERNi-1材料，试件尺寸为400mm×300mm×6mm。由于纯镍焊接与低合金钢相比有低熔透性特点，但不能采用大线能量来增加熔透性，坡口形式应选择较大的坡口角度，角度为75°，钝边1mm，间隙2mm。（如表2）

2.2 拟定焊接工艺参数

针对纯镍导热率低，容易过热，焊缝晶粒易长大的特点，应严格控制焊接工艺参数，尤其是线能量的控制。实践证明单独靠减少焊接电流的方法不是最有效的，因为液态镍流动性差，熔深浅，实际电流不宜太小。在保证焊缝熔合情况下可采用提高焊速来控制热输入量，并严格控制层间温度。根据以上要求，拟定的焊接工艺参数见表3。

2.3 试验结果

试件完成后，室温放置24h后进行焊缝表面检测，RT无损检测，微观金相检测。检查结果发现焊缝区有气孔，底片没有发现裂纹。

3 试验结果分析

从试验结果可以看出，由于焊丝中S、P杂质含量非常低，在焊接过程中造成低熔共晶的数量很少，所以没有出现热裂纹，线能量控制在10kJ/cm以内，以及在焊丝中的Al、Ti细化晶粒的合金元素，也没有出现晶粒粗大现象。

3.1 气孔产生原因及防止

3.1.1 产生原因

焊材、母材、坡口等的清洁度对形成焊接气孔有很大的影响。焊件、焊丝表面的水分、油污、有机物、氧化物都有氢、氧、碳等元素，在焊接快速冷却凝固结晶的条件下，气相来不及析出便在焊缝金属中形成气孔。H2、O2、CO2在液态纯镍中溶解度较大，但在冷却凝固时，溶解度大幅减少。而且，镍在高温下会与氧反应形成NiO，冷却过程中又与溶于金属中的氢反应生成水蒸汽，与溶于金属中的碳反应生成一氧化碳，在结晶时这些气体往往来不及逸出而会形成气孔。纯镍材料焊接中气孔类型主要有H2、CO、H2O蒸汽气孔，纯镍氧化性焊接气氛易于导致气孔产生。

3.1.2 预防措施

要避免产生气孔，焊前必须在焊接坡口及其两侧25mm宽度的金属表面上修磨去除氧化色，并用丙酮或乙醇等溶剂清洗去除油脂、水分及有机物等污物。焊接中采用高纯度的焊接材料，添加足够的脱氧剂，保护好焊接熔池，使熔池金属全面脱氧。在TIG焊焊丝中要有足量的合金成分来防止气孔的产生。

3.2 工艺措施调整

通过以上分析，焊缝气孔应该是焊接过程中焊速和焊接手法不当造成，所以对焊接试件重新施焊，并从以下几个方面做出调整。

（1）适当降低焊速，焊速调至15-20cm/min；

（2）施焊操作时，焊炬不摆动，采用短弧施焊，弧长控制在1.0- 1.5mm之间，每焊一段接头，可回焊一小段，以利气体排出；

（3）断弧后，要等焊接熔池完全冷却后才能切断氩气保护。

3.3 评定试件结果

工艺评定试件完成后，焊缝100%RT检测，未再发现气孔缺陷，机械性能（见表4）也达到标准要求，通过以上工艺参数在产品施焊后，产品质量完全达到图纸工艺要求。

4 结语

纯镍焊接时要正确的选择与母材匹配的焊接材料，并严格按照材料特性围绕产生热裂纹、减少气孔和防止晶粒粗大方面制定合理的焊接工艺参数。焊接材料及工艺参数选择非常重要，工业纯镍的焊接工艺研究为我公司今后同类设备的制造积累了宝贵经验。

参考文献：

[1]JB/T4756-2006镍及镍合金制压力容器.国家发改委[S].

[2]JB/T4745-2002钛制焊接容器.国家经贸委[S].

[3]NB/T47015-2011 压力容器焊接规程.国家能源局[S].

[4]中国机械工程学会焊接学会，焊接手册.机械工业出版社，1992[S].