Monel400銅鎳合金化學成分

Ni-Cu 合金兼備銅的貴金屬性和鎳的鈍化性，在還原性介質中比鎳耐蝕， 在氧化性介質中比銅耐蝕。Monel400 合金對一定濃度、 溫度的苛性鹼溶液、稀鹽酸、硫酸、磷酸， 尤其對氫氟酸都具有良好的耐蝕性， 是石油、化工等行業腐蝕介質場合下壓力容器等裝置延長使用壽命、 降低檢修和使用成本的優選材料之一。但由於其價格昂貴， 通常與鋼材料複合後使用， 以降低製造成本。 在碳鋼基體表面堆焊Monel400 合金作為耐腐蝕層是最基本的複合手段。目前， 工程上常用於鋼基表面堆焊 Monel400 合金的方法為 焊條電弧焊 SMAW（ shielded metal arc welding） ， 但焊條堆焊時由於熔池攪拌相對劇烈， 導致首層焊縫中的關鍵元素稀釋嚴重， 通常需要用特定材質成分的焊條進行首層過渡焊； 多層多道堆焊過程中藥皮清理工作強度大， 往往會引起層道間夾渣等缺陷。 鎢極氣體保護焊 GTAW（ gas tungsten arc welding） 和熔化極氣體保護焊 GMAW（ gas metal arc welding） 兩種焊接方法， 前者可選用較小的焊接工藝引數， 減弱熔池的攪拌作用； 後者易實現自 動化， 熔敷速度快， 焊接效率高。 為更加適應工程化焊接優質、高效的發展趨勢， 進行上述兩種方法的堆焊試驗， 分析了其堆焊工藝的可行性和適應性。

試驗方法

基體16MnR和堆焊層 ERNiCu-7 合金焊絲標稱化學成分見表 1。

這兩種合金的化學成分雖然差異很大， 但依據達爾根狀態圖 1a， 從冶金學相容性角度分析， Ni 元素和 Cu 元素都能夠與 Fe 元素形成連續固溶體， 熔化狀態下難以形成金屬間化合物等脆性相， 具有良好的焊接性。 然而兩種合金的熔點、熱導率和線膨脹係數等物理效能的差別， 加上 S 元素、P 元素等雜質易與 Ni 元 素、 Fe 元素生成低熔點共晶 組織； O 2 ，H 2 ，N 2 ， CO 2 等氣體在液態 Monel400 合金中溶解度較大， 諸多因素都會增大焊接熱裂紋和氣孔傾向。

減小母材在焊縫中的熔合比， 增大焊縫成形係數（ 即焊縫寬度與厚度之比） ， 有利於防止焊縫金屬的熱裂紋； 堆焊過程中透過加強惰性氣體保護措施也可以有效預防氣孔的產生。

Monel400 是單相固溶合金， 因而不會出現相間電池效應導致的腐蝕。 但 16MnR 表面堆焊Monel400合金， 基體和堆焊層的主要化學成分Fe元素、Ni元素、Cu 元素會相互稀釋， 直接影響堆焊層的耐蝕效能。 由達爾根狀態圖 1b 可見： 堆焊時 16MnR 中相對富足的 Fe 元素要擴散到 Ni 基合金中， 而 Fe 元素只能有限地固溶於鎳合金， 熔池凝固過程中一部分 Fe元素將集結並彌散分佈在堆焊層中， 隨著堆焊層中Fe 元素聚集增多， 與腐蝕介質接觸時， 極易形成小陽極大陰極電池反應， 造成點蝕 。 這種點腐蝕若連續發展， 能導致腐蝕穿孔或應力腐蝕破裂， 直至整臺壓力容器失效， 甚至產生危害性極大的事故。所以， 控制堆焊層中的 Fe 元素含量是保證其耐蝕性的關鍵。

參照機械部標準 JB4708-2000%鋼製壓力容器焊接工藝評定&和機械部標準 JB4744-2000%鋼製壓力容器產品焊接試板的力學效能檢驗&等相關標準，採用 16 mm 200 mm 300 mm 的 16MnR 板為基體板， ERNiCu-7 合金焊絲堆焊。

分別採用 GTAW， 脈衝 GMAW 和 GTAW+ 脈衝GMAW 進行焊接對比試驗。 焊接時均採用純氬氣體（99。 99% ） 進行高溫區 保護， 純 氬 氣露點 不 高於- 50（， 並符合國家標準 GB/T 4842-2006 的規定。

採用鎢極氣體保護

焊機 WSM-400； 採用熔化極氣體保護焊機 TPS4000。

焊接工藝引數見表 2。

無

損檢測

按照機械部標準 JB/T4730。 5 -2005%承壓裝置無損檢測&對堆焊焊縫逐層進行表面滲透檢測， 未發現裂紋和其它超標缺陷， 達到Ⅰ級合格指標。

化學成分和宏觀金相採用上述裝置和方法焊接後， 對堆焊層不同厚度處的 Fe，Ni， Cu 等元素的成分進行了 測試（ 表 3） ，並對不同焊接方法的堆焊截面做了 低倍組織檢驗（ 圖 2） 。

經過多次堆焊試驗和成分驗證， 結果顯示： 首層焊縫焊接， 由於熔融介面上主要元素相對集中且濃度高， 擴散速度快， 元素間相互稀釋最嚴重； 以熔合線為界限， 隨著堆焊層厚度的 增厚， 稀釋率逐漸降低；不同 的焊接方法， 其稀釋程度 也 有差 別。 用GTAW 和 GMAW 方法焊接， 當堆焊層厚度分別達到2。 5， 3。 5 mm 以上時， Fe， Ni， Cu 三種主要元素的含量就能達到 ERNiCu-7 焊絲的標稱成分要求； 如果採用 GTAW 方法打底過渡， 再用 GMAW 方法完 成堆焊， 同樣在堆焊層厚度達到2。 5 mm時， 其化學成分也能符合標稱要求。 結果還表明： 其餘元素由於含量很少， 稀釋不明顯， 均在合格範圍內波動。

堆焊時通常採用小電流、 低電壓、薄層多道的方法， 以獲得小的熔合比， 減小熔敷金屬的稀釋率。 另外， 堆焊焊縫節距大小， 對堆焊層表面的平整度、 堆焊層化學成分均勻性及母材的稀釋率都有明顯的影響。 根據國家標準 GB/T6417。 1-2005%金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明&， 分析其低倍組織： 堆焊截面均無裂紋、孔穴、固體夾雜、 未熔合、未焊透、 形狀和尺寸不良及其它缺陷。 但由形貌上堆焊介面可以看出， GTAW 方法焊接熔深淺， 而 GMAW 方法焊接熔深較深， 反映出 GMAW 方法堆焊焊縫節距和熔合比較大， 基體母材熔入焊縫中的比例加大， 導致元素相互稀釋較嚴重。

從焊接工藝方面考慮， GTAW 方法焊接容易實現小的焊縫節距和熔合比， 有利於控制元素的稀釋，但自 動化程度和焊接效率低； 而 GMAW 方法焊接結果正好相反。 若將兩種焊接方法有效地結合起來，首層焊接採用小規範 GTAW 方法， 既可嚴格控制基體中大量的 Fe 元素向堆焊層擴散， 又可防止弧坑微熱裂紋產生， 其餘各層採用自 動 脈衝 GMAW 方法，提高焊接效率， 且純氬氣保護焊接飛濺和氣孔傾向很小， 質量穩定。

彎曲效能

焊後在 550 （消應熱處理狀態下， 參照機械部標準 JB4708-2000 和 JB4744-2000 要求， 進行堆焊層和基層同時承受拉伸應力的側彎試驗， 試樣厚度t= 10 mm， 寬度（ 包括 6 mm 厚堆焊層） 22mm， 彎軸直徑4t， 支座間距離 L= 6t+ 3， 冷彎角= 180+。 試驗結果顯示： 試樣拉伸面上堆焊層和基體均無裂紋和缺陷， 熔合線上僅有個別的長度小於 1。 5 mm 的微小裂紋。 這表明堆焊層塑性和成形等工藝效能良好。

顯微組織討論

按照國 家標準 GB/T13298-991《金屬顯微組織檢驗方法》， 分別對基體、 熔合區、堆焊層進行了微觀金相組織觀察， 未發現顯微裂紋等缺陷。 堆焊層：樹枝狀奧氏體+ 少量顆粒狀析出 相， 見圖 3a， b； 熔合區： 左邊為堆焊層， 右邊為過熱區， 4% 硝酸酒精浸蝕見圖 3c， 稀王水浸蝕見圖 3d； 過熱區： 鐵素體+ 珠光體+ 魏氏組織， 見圖 3e； 基體： 鐵素體+ 珠光體，見圖 3f。

結論

（ 1） GTAW + 脈衝 GMAW 堆焊 層 厚度 大 於2。 5 mm時， 影響堆焊層腐蝕效能的 Fe， Ni， Cu 元素等主要成分就能達到 ERNiCu 7 焊絲的 標稱合金成分要求， 從經濟性和使用性方面， 為承受介質腐蝕的容器等裝置的 Monel400 合金/鋼基堆焊設計提供了一些參考。（2） 與常 規 SMAW， GTAW， GMAW 等堆焊方法相比較， GTAW+ 自動脈衝 GMAW 方法， 能充分發揮各自 的長處， 焊接工藝和質量穩定、 勞動強度低、 生產效率高。 堆焊層和基體結合力學效能良好。