齊淑改，劉玉祥

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 200132）

關(guān)健詞：鎳鋁青銅；合金元素；焊接性；熱裂紋；氣孔；焊前預(yù)熱

某石化甲基丙烯酸甲酯（MMA）酸化塔設(shè)計溫度150℃，介質(zhì)中含MMA、甲醇、水、硫酸等，上段材料采用S31668，下段材料采用INOXYDA 3P 材料，這種材料屬于鎳鋁青銅合金，是非標的專利廠家材料。INOXYDA 3P 材料在化工設(shè)備中常用于有腐蝕環(huán)境的工況中。這種材料價格昂貴且由于焊接難度較大，焊接過程中易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等缺陷，僅在一些含特殊介質(zhì)的化工設(shè)備中得以應(yīng)用。因此需要采取相應(yīng)的措施來保證焊接過程中不出現(xiàn)焊接缺陷是設(shè)備制造過程的關(guān)健。

1 材料特性分析

INOXYDA 3P 屬于鎳鋁青銅合金，含8% ～ 9%的鋁，屬于雙相結(jié)構(gòu)，熔點為1 060～1 075 ℃，密度為7.67 kg/ dm3，線膨脹系數(shù)為1.6×10-5/K，室溫?zé)釋?dǎo)率60 W/（m·K），能用于325 ℃高溫。在海水環(huán)境中，有較好的抗點蝕能力和抗縫隙腐蝕能力，在硫酸、鹽酸等腐蝕工況中有很好的耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞、耐侵蝕腐蝕等性能。其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

表1 INOXYDA 3P 化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of INOXYDA 3P %

表2 INOXYDA 3P 機械性能Table 2 Mechanical property of INOXYDA 3P

2 各合金元素的作用

Al：鋁是主要的強化元素，正常含量是8%～13%，鋁含量達到最高范圍值時，硬度在30～44HRC，然而高硬度會導(dǎo)致延性下降1%。

Ni：鎳添加的范圍在1%～7%，鎳無限固溶于銅中。它能提高抗腐蝕性能和機械性能，也可以提高在高速水流中的耐腐蝕性。

Fe：鐵在室溫溶解度低，通過固溶和沉淀硬化來提高強度，同時細化了晶粒，鐵的加入可降低鎳的含量。對焊接無不利影響。

Mn：錳作為主要的脫氧劑加入，也是一個主要元素，使材料具有好的流動性和可鑄性，被用于海洋工業(yè)中。錳是β 相的穩(wěn)定化元素并具有強化效果，6%的錳相當(dāng)于1%的鋁。錳含量在0.05%～1.25%，對焊接性無害。

Pb：鉛基本不熔入銅中，加少量鉛是為了改善機加工性能和承載能力，但對焊接不利。

雜質(zhì)元素：低熔點的雜質(zhì)元素會影響韌性和焊接性。P 大于0.01%會引起熱脆；Mg 做為脫氧劑增加在鋁中需限制在0.05%以下，即使0.01%的Mg也會對延性產(chǎn)生不利的影響。

綜上所述，以鋁為主要添加元素的鋁青銅同時又加入錳、鐵、鎳等其它元素的鎳鋁青銅具有加工性能好、力學(xué)性能高、耐腐蝕、焊接性好等特點。

3 焊接性分析

3.1 熱導(dǎo)率

INOXYDA 3P 材料的室溫?zé)釋?dǎo)率為60 W/ （m·K），普通碳鋼室溫?zé)釋?dǎo)率為54.8 W/（m·K），兩者比較接近，因此INOXYDA 3P 材料與其他銅及銅合金相比，焊接工藝參數(shù)同焊接碳鋼的參數(shù)相同時，母材較易熔化，且填充金屬與母材的熔合也比較容易。但INOXYDA 3P 材料的線膨脹系數(shù)為1.6×10-5/K 與碳鋼線膨脹系數(shù)1.16×10-5/K 高1.4 倍，因此在焊接時采用大功率熱源會使熱影響區(qū)變寬，并會產(chǎn)生較大的焊接變形和焊接應(yīng)力。

3.2 焊接接頭熱裂傾向性

焊接銅及銅合金時，銅能與其中的雜質(zhì)Bi、Pb等生成低熔點共晶物，它們在結(jié)晶過程中都分布在枝晶間或晶界處，使銅或銅合金具有明顯的熱脆性。其中以氧的危害最大，它不但在冶煉時以雜質(zhì)的形式存在于銅中，在以后的軋制和焊接過程中都會以氧化亞銅的形式熔入。研究結(jié)果表明，當(dāng)焊縫中含有0.2%以上的Cu2O 或Pb 超過0.03%、Bi 超過0.005%就會出現(xiàn)熱裂紋。同時銅及銅合金線膨脹系數(shù)較大，增加了焊接接頭的應(yīng)力，因此熱裂傾向較大。

從INOXYDA 3P 材料的化學(xué)成分看出，Pb 的含量僅為0.01%， Bi 含量未檢出，因此雜質(zhì)元素含量很低，說明這種材料由Pb、Bi 雜質(zhì)引起的熱裂傾向較小，但對于焊縫中氧的危害需要加以控制方可降低熱裂傾向。為此采取的措施可通過在焊絲中加入Si、Mn 等元素來增加對焊縫的脫氧能力，從而可降低熱裂紋傾向。

3.3 氣孔

焊接銅及銅合金時氣孔出現(xiàn)的傾向比低碳鋼要嚴重得多，銅中的氣孔主要是熔解的氫直接引起的擴散型氣孔，銅焊縫在結(jié)晶時氫的過飽和度比焊縫大幾倍，另外，銅液中氫的溶解度與銅合金的合金含量有關(guān)。銅中加入鋁，氫的溶解度會降低，而銅中加入鎳，氫的溶解度會提高。雖然INOXYDA 3P 材料的氣孔傾向比純銅低，但與低碳鋼相比，氣孔傾向還是明顯增大，因此如何避免氣孔的產(chǎn)生是焊接INOXYDA 3P材料的難點，為減少或消除焊縫中的氣孔，主要措施是減少氫和氧的來源，可采取焊前清除焊材和焊件坡口處的水分、油等雜質(zhì)，焊前預(yù)熱措施來加以防止。

綜上所述，INOXYDA 3P 材料的焊接難點主要是熱裂紋和氣孔，需采取一定的措施方可保證焊接質(zhì) 量。

4 焊接方法選擇

鎢極氣體保護焊（GTAW）具有電弧穩(wěn)定、能量集中、保護效果好、熱影響區(qū)窄、操作靈活、熔池可見性好等優(yōu)點，是焊接銅及銅合金最佳的焊接方法。結(jié)合產(chǎn)品所采用的材料厚度10 mm，因此選擇GTAW 進行焊接工藝評定及產(chǎn)品的焊接，為避免焊接熔池氧化，焊接氣體及背面保護氣體選擇純氬氣。

5 焊材選擇

焊接INOXYDA 3P 材料時，除滿足對焊絲的工藝性能、冶金成分與母材相當(dāng)外，最重要的是保證雜質(zhì)含量低、提高脫氧能力以避免熱裂紋和氣孔的產(chǎn)生。焊絲中需含有一定量的Mn，一是做為主要的脫氧元素，二是考慮焊接過程中一定量的燒損，所以Mn 含量要比母材高；焊絲中含有與母材相當(dāng)?shù)腁l元素，Al 除作為合金劑和脫氧作用外，還可細化晶粒，提高接頭的塑性和耐腐蝕性能， Al%≤8.2+Ni%/2 還可避免焊接過程中出現(xiàn)有害相和脆化相；焊絲中的Fe 可提高焊縫強度，但會降低塑性，所以Fe 的含量不能太高；焊絲中Ni 的含量比Fe 高，可得到最佳的機械性能；Sn 的微量加入會增加液體金屬的流動性，改善焊絲的工藝性能。

綜上所述，焊絲中脫氧元素Mn、Al 是控制焊縫產(chǎn)生熱裂紋的關(guān)鍵成分，其他合金的加入能保證焊縫的綜合性能。焊絲選擇了INOXYDA 與母材配套的焊材GTAW Weld rod 3Pφ3.0， 化學(xué)成分如表3 所示。

表3 焊絲化學(xué)成分Table 3 The chemical composition of weld wire %

6 焊接工藝評定

6.1 試驗材料及焊接方法

產(chǎn)品焊接前須按ASME IX 進行焊接工藝評定，試驗?zāi)覆挠肐NOXYDA 3P，試板厚度為8 mm，焊材采用Weld rod 3P，φ3.0 mm，坡口為單V 型，焊前對坡口及兩側(cè)母材進行了打磨、清洗，去除了雜質(zhì)和氧化膜，并對焊絲進行了清洗。焊前進行了預(yù)熱，預(yù)熱溫度150～200 ℃，并保持層間溫度小于250 ℃，焊接參數(shù)如表4 所示，焊接完畢按ASME IX 進行了力學(xué)性能試驗并進行了微觀組織分析，力學(xué)性能試驗結(jié)果如表5 所示。

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameters

表5 機械性能Table 5 Mechanical property

6.2 試驗結(jié)果分析

通過對機械性能進行分析，接頭強度略比母材高，焊縫區(qū)硬度與母材區(qū)相當(dāng)，熱影響區(qū)硬度有所增加，但在合理的范圍內(nèi)。試驗結(jié)果表明，所選焊材及焊接參數(shù)合理，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

對焊接接頭進行微觀組織分析，從圖1 接頭的宏觀形貌看，焊接接頭成形良好，無咬邊、氣孔、裂紋等缺陷。對接頭的母材、焊縫、熱影響區(qū)進行了微觀分析：

圖2 為母材微觀金相組織，室溫組織為兩相組織α+κ 相，α 相呈白色塊狀，κ 相在α 相晶界呈不規(guī)則線狀或塊狀，兩相組織使材料具有良好的延性、強度和一定的硬度，屬于正常組織。

圖3 為焊縫區(qū)微觀金相組織，由α 與不同形狀的K 相組成，α 相呈白色塊狀，K 相呈現(xiàn)不同的形狀，KI相呈黑色塊狀，KII相在晶粒邊界呈粒狀沉淀物，KIII相呈層狀析出，KIV在晶界呈細晶點狀，這是因為在焊接過程中急劇的加熱熔化和急劇凝固過程中產(chǎn)生不同形狀的組織。

圖4 為熱影響區(qū)微觀金相組織，與焊縫區(qū)組織相近也是由α 與不同形狀的K 相組成，不同之處是層狀的KIII相增多，這種相會影響材料的耐腐蝕性能，并且硬度會增加，從表5 中的硬度結(jié)果也可看出，熱影響區(qū)硬度高于母材和焊縫區(qū)，但影響程度有限，不會導(dǎo)致材料的性能惡化。

圖1 INOXYDA 3P 材料焊接接頭宏觀形貌Fig.1 Macroscopic picture of weld joint of INOXYDA 3P material

圖2 母材微觀組織Fig.2 Microcosmic structure of base metal

圖3 焊縫微觀組織 200×Fig.3 Microcosmic structure of weld metal

圖4 熱影響區(qū) 200×Fig.4 Microcosmic structure of HAZ

7 產(chǎn)品制造及焊接應(yīng)用

MMA 脫酸塔僅下段為INOXYDA 3P 材料，規(guī)格為ID 1 200×8/10 t， 包括兩段筒體、一個橢圓形封頭及相應(yīng)的接管、法蘭，焊縫焊接完畢進行100%RT檢測，無焊后熱處理要求。

7.1 材料成形

此材料有一定的加工硬化性，在筒體成型及封頭成形過程中須隨時檢測硬度的變化，尤其在封頭成形時須防止材料加工硬化而導(dǎo)致脆斷，必要時可進行消應(yīng)力熱處理以恢復(fù)材料的韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能。由于本設(shè)備所用材料壁厚較薄，在筒體及封頭成形后檢測了硬度；沒有產(chǎn)生明顯的加工硬化，所以不需要進行消應(yīng)力熱處理。

7.2 焊接環(huán)境

因為銅及銅合金的焊接對潔凈度要求比較高，因此應(yīng)在潔凈、封閉的環(huán)境中進行焊接，避免其他金屬及其他雜質(zhì)的影響。

7.3 焊前準備

焊前準備是決定焊接質(zhì)量好壞的關(guān)健環(huán)節(jié)，筒體縱、環(huán)縫坡口采用機加工，V 坡口，坡口及兩側(cè)母材表面光潔平整，吸附在焊絲和工件坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的表面油脂、水分及其他雜質(zhì)以及金屬表面的氧化膜都必須仔細清理，直至露出金屬光澤為止，這是避免產(chǎn)生氣孔的最有效措施。

7.4 焊前預(yù)熱與焊縫清理

焊前預(yù)熱可降低熔池的冷卻速度，延長熔池由液相完全凝固的時間，便于氣體的充分逸出，減少氣孔傾向，因此在焊前對焊接處進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在150～200 ℃，并保持層間溫度不超過250 ℃。焊接過程中每層焊道間的清理非常重要，保持每道焊縫焊接前無任何雜質(zhì)。

7.5 焊接要點

焊接方法采用GTAW，保護氣為99.997%Ar，焊接時焊縫盡量處于平焊位置，焊材及焊接參數(shù)基本與評定一致，焊接過程中采用多層薄焊道，并控制層間溫度。焊縫成形美觀，焊接過程中無熱裂紋產(chǎn)生，偶見少量不超標氣孔，產(chǎn)品焊接完畢進行了100%RT檢測，焊接一次合格率達到了98%以上。

8 結(jié)論

通過對INOXYDA 3P 材料的系統(tǒng)分析和試驗以及在產(chǎn)品上的成功應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）INOXYDA 3P 材料與一般的銅及銅合金相比具有良好的可焊性，但同樣具有一定的熱裂紋、氣孔傾向。

（2）采用含較高脫氧元素Mn 及其他成分與母材相當(dāng)?shù)暮附z可降低熱裂紋傾向，采取焊前預(yù)熱、焊前、層前仔細清理母材及焊絲表面雜質(zhì)可減少氣孔缺陷。

（3）采用GTAW 焊接是最佳的焊接方法，合適的焊接參數(shù)和一定的工藝措施是保證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量的關(guān)健因素。