进口Ni200纯镍管道的焊接及质量控制

2022-09-11

工业纯镍是一种重要的稀有金属, 它不但作为合金元素在大部分合金中起到必不可少的作用, 同时自身作为一种重要的工程结构材料, 在化工、医药, 核能、船舶等领域具有广泛应用。特别是纯镍 (Ni≥99%) 材料, 由于其优良的抗碱腐蚀特性, 在烧碱项目中一直是必不可少的关键材料。

我公司承接的美国某烧碱项目中有大约1500寸的Ni200纯镍管道需要焊接, 管径从0.75寸到6寸, 厚度从2.11mm到3.4mm。该项目材质为ASTMB161UNSN02200, 焊接按照美国AS-MEIX进行。我国为贫镍国家, 纯镍管道的采购非常困难, 因此该项目的所有纯镍管道全部从德国进口。由于镍管的价格非常昂贵、加上又是进口材料, 没有施工余量, 因此, 该批镍管的焊接必须保证100%一次合格。

一、Ni200纯镍管道的化学成分和物理性能

镍是略带黄色的银白色展性金属, 原子序数28。纯镍为单相奥氏体组织, 晶体结构为面心立方晶格, 液态凝固过程中不发生相变。Ni200纯镍的化学成分见表一:

Ni200纯镍的密度约为8.9g/cm3, 莫氏硬度5.0-6.0, 屈服强度105MPa。纯镍和低碳钢、奥氏体不锈钢的主要物理性能对比见表二:

从上表可以看出, 纯镍的密度比低碳钢和不锈钢大, 但屈服强度比较低, 热导率远大于低碳钢和不锈钢。因此, 纯镍和低碳钢及不锈钢相比, 材质比较发软, 液态下黏度比较大, 流动性差, 凝固速度快。

值得注意的是, 常温下镍表面会生成一层致密的氧化膜, 其主要成分是氧化镍 (Ni O) , 它的熔点高达1984℃, 超过纯镍的熔点近500℃, 且不溶于碱, 镍基管材的耐碱性腐蚀即是源于这层氧化膜的保护。

二、Ni200纯镍材料的焊接性分析

由上述镍的化学成分和物理性能分析可知, 纯镍的熔点高于不锈钢, 但低于低碳钢, 因此, 镍可以通过熔化焊焊接技术进行焊接。

1. 镍与氢、氧、氮等气体元素的作用。

常温下, 纯镍的性质是比较稳定的, 但随着温度的升高, 其吸收氢、氧、氮的能力明显上升。纯镍在500℃的高温空气中开始轻微氧化, 当温度达到750℃时, 则剧烈氧化。氧、氢等气体元素在液态镍中的溶解度较大, 特别是在电弧焊气氛下, 熔化金属过热度大, 在熔池表面上通过局部活性部分和熔滴吸收气体, 电弧气氛中有受激的分子、原子和离子, 这增加了气体的活性, 使其在金属中的溶解度增加, 所以电弧焊时熔化金属吸收的气体量常常要超过它的平衡含量 (溶解度) 。但气体的溶解度随着温度的下降而显著降低, 例如, 氧在1720℃时的溶解度为1.18%, 但在1470℃时溶解度急剧降低至0.06%。氢在液固相转变时溶解度可快速下降三分之二。由于纯镍焊接时, 熔池金属黏度比较大, 流动性差, 加上镍的导热系数大, 液固相转变温度区间小, 熔池结晶凝固速度快, 高温下溶解于液态镍中的氢来不及逸出, 容易残留在熔池中形成氢气孔。另外, 熔化与熔池的氧在析出过程还会与镍发生反应生产氧化镍Ni O, 它与氧化膜中的氧化镍一起又能被氢还原而生成水蒸气H20, 在凝固过程来不及逸出而造成水蒸气气孔。

氮本身既不溶解于镍, 也不与镍发生反应, 因此, 理论上可以用氮气作为保护来焊接镍。但氮在氧化性电弧气氛中形成NO等氮化物, 是造成焊缝硬度上升, 塑形下降的主要因素。

2. 硫、磷等杂质元素对纯镍焊缝的影响

硫、磷等杂质元素在高温时极易与镍生成低熔共晶体, 比如硫化镍的熔点为645℃, 磷化镍的熔点为880℃, 而纯镍的熔点为1455℃, 因此当纯镍熔池凝固时, 这些低熔点共晶体还处于也液态, 以液态膜的形式残留于晶界区, 在焊缝冷却过程中产生的收缩应力作用下, 容易开裂形成热裂纹。因此, 必须控制母材和填充金属中杂质元素如硫、磷的含量, 一般标准规定含硫量不得超过0.01%。

3. 坡口制备及工艺参数对纯镍焊接的影响

纯镍材料由于热导率高, 焊接状态下熔池液态金属黏度大, 流动性和润湿性差, 因此具有低熔透性的特点, 不宜采用增加线能量来增加熔透性。一般采用增加坡口角度, 减小钝边厚度, 并通过适当的摆动等运丝手法, 来改善液态金属的流动性, 达到增加熔透性的效果。一般薄壁管道采用V形坡口, 坡口角度要达到75-80。, 钝边高度0-1mm, 坡口间隙2-3mm。

三、焊接工艺

纯镍管材的焊接一般采用钨极氩弧焊, 它具有单面焊双面成型, 熔池保护效果好, 焊缝金属致密, 焊丝中脱氧合金元素过渡系数高, 易于操作, 焊缝外观成型美观, 探伤合格率高等优点。纯镍钨极氩弧焊所用的填充焊丝的成分应使焊缝具有较高的抗裂性及弱的氧化性, 以保证剩余合金元素的过渡、渗入到焊缝金属中去。有关研究表明, Ti含量在2%~3.5%时, 抗裂性最佳;同时焊丝中应有一定程度的锰, 锰与硫化和能阻止低熔共晶体硫化镍的形成, 能有效预防热裂纹的产生;焊丝中少量的铝元素也能起到脱氧剂的作用。因此选择进口的ERNi-1焊丝进行焊接。ERNi-1焊丝的化学成分如表三:

纯镍管材钨极氩弧焊使用氩气作为保护气。氩气是一种惰性气体, 既不溶于镍也不和镍发生反应, 即使在高温性质也非常稳定。但氩气的纯度对焊接质量有较大影响, 氩气中的氧、氮、水蒸气等杂质含量超标时, 会时焊接电弧不稳定, 而且产生气孔。同时氩气流量也是一个重要的焊接工艺参数, 氩气流量太小时, 起不到保护的效果;当氩气流量太大时, 不仅造成浪费, 反而会产生紊流, 将周围空气卷入保护区, 使熔池保护效果恶化。一般应使用一级氩气, 其纯度在99.99%以上, 杂质的总质量分数不超过0.02%, 露点低于-50℃, 空气相对湿度不超过5%, 水分含量不大于0.001mg/L。氩气流量可由以下经验公式确定:

式中Q为氩气流量;K为系数 (一般取K=0.8~1.2) ;D为喷嘴直径, D= (2.5~3.5d) (d为钨极直径, 一般d=3mm) , 故氩气流量一般在8~10L/min为宜;背面保护气流量一般为4~6L/min。

按美国ASMEIX焊接工艺评定标准要求进行工艺试验, 制定出Ni200纯镍管道的焊接工艺参数如下表四:

四、常见焊接缺陷及预防措施

由于纯镍具有黏度大, 流动性差, 热导率高等特点, 在焊接时容易出现气孔、焊接热裂纹, 未熔合等缺陷。

1. 气孔

如前所述, 气孔的产生主要是氢气、氧气等杂质气体在焊接时由于在纯镍金属熔池中溶解度的变化, 来不逸出而残留在焊缝金属中形成的饱和气孔。杂质气体的来源主要有以下几个方面:一是焊丝和焊接坡口及其两侧的油污、水分、灰尘及氧化膜清理不干净;二是焊接时氩气保护不到位, 周围空气进入到保护区;三是使用的氩气中含有杂质, 导致杂质元素随氩气进入保护区。

预防气孔的主要措施有:对焊丝和工件在焊前进行仔细清理, 焊丝可用丙酮进行清理, 然后保存在干燥、密闭的容器中。对焊接坡口及其两侧用专用砂轮或不锈钢丝刷将氧化层清除干净, 并用丙酮或无水乙醇去除其表面的油污、水分、灰尘等有害物质。 (特别注意的是, 薄壁镍管比较软, 不能使用一般的坡口机进行切割, 否则会挤伤管材或造成变形。) 选用直径较大的焊枪气体保护喷嘴使其对熔敷金属有足够的保护面积, 并选用适当的气体保护装置, 防止空气中的氧、氮、水蒸气等进入熔池。必要时可以使用图一所示的氩气保护拖罩进行加强保护。

氩气的保护应以获得银白色或浅黄色焊缝表面为合格。

2. 热裂纹

纯镍焊接时产生的热裂纹主要是凝固裂纹和多边化裂纹。凝固裂纹主要是S、P等杂质元素与镍化合生成低熔点共晶造成的。焊缝中硫、磷元素含量高的来源主要是母材与焊丝表面的污染, 特别是含硫、铅的一些污染物, 在焊接过程中过渡到焊缝中。除此之外, 焊丝合金成分中脱硫元素锰含量较少也是原因之一, 因为提高锰含量能扩大有害元素如硫、磷等的溶解度极限。因此, 焊接前对母材和焊丝表面进行严格清理, 提高焊接材料的锰含量, 提高焊接材料的纯度, 正确选用与母材匹配的焊接材料, 减少或抑制有害元素向焊缝的过渡, 对防止产生凝固裂纹是很有必要的。

多变化裂纹通常为微裂纹, 用一般的RT射线检测不易检测到, 更应引起足够的重视。在纯镍材料的单相奥氏体焊缝中加入固溶强化的大原子半径的Mo、W、Mn、Nb等元素, 来阻碍空位、位错的移动、合并, 可有效地防止纯镍材料焊缝多边化裂纹的产生与发展, 且这些大原子半径的元素也能造成晶格点阵畸变, 使不理想的晶格的定向生长不易完成, 这对防止多边化裂纹也是有益的。

3. 未熔合

造成纯镍材料焊缝未熔合的主要有两个原因:一是由于纯镍金属黏度大、流动性差、导热快, 液固相温度区间小, 母材局部来不及与熔池金属充分熔合而产生的局部未熔合;而是由于纯镍材料的氧化膜没有去除干净, 由于氧化膜的熔点比纯镍的熔点高出近500℃, 因此, 在焊接时局部氧化膜可能没有充分熔化, 造成熔池金属内部的未熔合出现。预防未熔合缺陷的主要措施有:加大坡口角度, 减小钝边厚度, 同时利用焊接摆动, 改善熔池金属的流动性和润湿性, 使熔池金属和母材充分融合;另外, 焊接前对工件坡口及两侧50mm范围要进行充分清理, 将氧化膜完全去除, 并且打磨完成后4小时内必须进行焊接, 否则就要重新清理。