蒙乃爾合金與銅鎳合金之間的焊接是異種合金焊接 ，各合金焊接特點完全不同， 焊接難度較大。通過分析研究其焊接特點和焊接工藝試驗，確立了適合的焊接參數(shù)，提出 了合理的預(yù)防措施，有效避免了在焊接過程出現(xiàn)焊接熱裂紋、焊接氣孔等焊接缺陷，顯著 提高了焊接質(zhì)量。

蒙乃爾合金又稱鎳合金，是一種以金屬鎳為基體 添加銅、鐵 、錳等其他元素而成的合金，具有獨特的 物理、力學(xué)和耐蝕性能，是一種用量較大、用途較廣、 綜合性能極佳的耐蝕合金。銅合金是以純銅為基體加 人一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。白銅是以鎳為 主要添加元素的銅合金，銅鎳合金的力學(xué)性能、耐蝕 性能較好，在海水、有機酸和各種鹽溶液中具有較好 的化學(xué)穩(wěn)定性?m 。

20 1 7年某公司承制了某煉化公司年產(chǎn)45萬t聚丙烯裝置中的甲烷化反應(yīng)冷卻器設(shè)備 , 該設(shè)備管板選用蒙乃爾合金，換熱管選用銅鎳合金。 設(shè)備結(jié)構(gòu)可見圖 1 , 設(shè)備技術(shù)特性可見表 1。

1?材料的性能要求?

換熱管和管板的化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)是否 滿足標(biāo)準和設(shè)計要求，決定該設(shè)備的研制是否能夠取得成功。

1 . 1 管板的化學(xué)成分

管板材 質(zhì) 選 用?N C u?3 0鎳 合 金 ，該 材 料 與?A S M E

標(biāo)準牌號為?N?04400的鎳合金性能相似，熱處理狀態(tài) 為退火，其化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準的規(guī) 定 [1，管板化學(xué)成分復(fù)驗結(jié)果可見表2。

1 . 2 換熱管的化學(xué)成分

換熱管材質(zhì)選用?S B?1 1 1?C?7 1 5 0 0?,該材料與我國 牌號為?BFe?30 - 0 . 7的銅合金無縫管性能相似，熱處理 狀態(tài)為軟化退火（0 6 0 )，其化學(xué)成分、力學(xué)性能需 符合相關(guān)標(biāo)準中的規(guī)定 [31。換熱管的化學(xué)成分復(fù)驗結(jié) 果可見表 3。

1 . 3 焊絲的化學(xué)成分

管子與管板間的焊接方式采用鎢極惰性氣體保 護 焊 ，焊 絲 材 料 選?E R N i C u?- 7，按 照?H G / T?20581— 20 1 1《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》標(biāo) 準 附 錄?D?中 的 表?D?- 1 , 與?E R N i C u?- 7 對應(yīng)的焊絲型號為?SNi?4060, 化學(xué)成分代號為?N i Cu30M n3Ti?141, 焊絲的化學(xué)成分復(fù) 驗結(jié)果可見表4。

2?材料焊接性能分析

銅鎳合金和蒙乃爾合金中，由于銅、鎳元素的熔 點溫度、熱導(dǎo)率、線脹系數(shù)及電阻率等參數(shù)差異較大， 因此兩者之間焊接較為困難。在焊接過程中銅、鎳元 素與空氣中氧接觸反應(yīng)生成嚴重氧化膜時，焊接將難 以 進 行 ；同時銅、鎳元素易與其他雜質(zhì)元素反應(yīng)產(chǎn)生 低熔點共晶體，最終導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生焊接熱裂紋。

2 . 1 銅鎳合金的焊接特點

C?7 1 500合金中銅的質(zhì)量分數(shù)達到6 5 % 以上，銅的 熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高，在 1000?t?時銅的熱導(dǎo)率 為 326.6?W?/ (?m?K?)?,焊接過程中大量熱被傳導(dǎo)，母 材的厚度越大，散熱越嚴重，就越難達到銅鎳合金的 熔點溫度。銅鎳合金焊接的主要問題是其難以熔化， 焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生焊接熱裂紋和氣孔，焊接殘余 應(yīng)力和變形較大，焊接過程中，雜質(zhì)和合金元素的摻 人及有用合金元素的氧化、蒸發(fā)都使得焊接接頭性能 嚴重下降

2 . 1 . 1焊接熱裂紋銅鎳合金本身焊接性能較好，但銅鎳合金中的銅 元素對氧、硫 、鉛 、磷等雜質(zhì)元素很敏感，焊接時易形成焊接熱裂紋。在焊接過程中，銅元素會與雜質(zhì)元 素 反 應(yīng) 產(chǎn) 生 低 溶 點 共 晶 體 （如?C u?+C u?20 、?C u?+C u?2S?、C u?+P b?等 ），低熔點共晶體在結(jié)晶過程中分布在晶間 或晶界處，使銅鎳合金具有明顯的熱脆性。

在這些雜質(zhì)元素中，氧的危害性最大，其存在于 銅鎳合金的制造和焊接過程中，會 以?C u?20 的形式溶 人焊縫金屬。為了避免焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋，必須嚴 格控制雜質(zhì)元素的含量，并在焊接材料中加人碳、硅 、 錳 、鋁 、鈦等脫氧元素以增強焊接接頭的脫氧能力。

2 . 1 . 2氣孔銅合金焊縫中的氣孔主要是由溶解的氫氣引起 的。在焊接過程中，氫在焊接熔池中的溶解度較大， 焊縫熔池凝固結(jié)晶過程十分迅速，時間很短，使得氣 孔傾向大大加劇，從而形成分布在焊縫各個部位的擴 散性氣孔。為了減少或消除焊縫中的氣孔，可采用減 少氫和氧的來源，或采用預(yù)熱來延長熔池存在時間， 使氣體易于逸出。

2 . 2 蒙乃爾合金的焊接特點

蒙乃爾合金的顯微組織是單一的奧氏體，其焊接 特性與奧氏體不銹鋼相似，且焊接性能較好，但蒙乃 爾合金中的鎳元素對硫、磷 、砷 、鉛等雜質(zhì)元素很敏 感 ；在焊接過程中，鎳元素能與雜質(zhì)元素反應(yīng)產(chǎn)生低 溶 點 共 晶 體 （如?Ni+Ni?3S2 , 熔 點 為 635?X?： ;?Ni?3P?，溶 點 為 880?T?等 ），其在結(jié)晶過程中分布在晶間或晶界 處 ，使蒙乃爾合金具有明顯的熱脆性，致使焊接接頭 易形成焊接熱裂紋 |5_7]。蒙乃爾合金焊接時存在與奧 氏體不銹鋼類似的問題，如易產(chǎn)生焊接熱裂紋、焊縫 氣孔、焊接接頭晶間腐蝕等。

2 . 2 . 1焊接熱裂紋蒙乃爾合金焊接工藝特性主要表現(xiàn)為液態(tài)焊縫 金屬流動性差、焊縫金屬熔深淺、凝固收縮量大，致 使焊接時易產(chǎn)生較大的焊接收縮應(yīng)力；在焊縫凝固過 程中，鎳元素易與雜質(zhì)元素形成低熔點共晶體，其強 度低、變形能力差、脆性大、延展性弱，因此在收縮 應(yīng)力的作用下焊縫極易產(chǎn)生焊接熱裂紋。焊接熱裂紋 的敏感性與焊縫金屬結(jié)晶溫度區(qū)間大小、合金元素和 雜質(zhì)含量、焊縫凝固過程中的應(yīng)力大小、焊縫冷卻速 度等因素有關(guān)。

2 . 2 . 2氣孔在焊接完成后快速冷卻時，蒙乃爾合金焊縫極易?產(chǎn)生氣孔。焊接過程中，氧氣、氫氣、氮氣等氣體在液態(tài)焊縫中溶解度極大，而固態(tài)時其溶解度大大減 小，同時蒙乃爾合金固液相的溫差比較小，液態(tài)焊縫 金屬流動性較差，使得蒙乃爾合金中的氣體不能在焊 縫快速冷卻時完全溢出而形成了氣孔。

3?焊接過程質(zhì)量的控制

換熱管與管板焊接時常采用鎢極惰性氣體保護 焊 ，該焊接方法具有電弧穩(wěn)定、熱影響區(qū)窄、局部熱 輸人較強以及氣體保護效果良好等特點。銅合金在焊 接過程中需要大功率、高能束的焊接熱源，焊接時熱 效率越高，能量越集中，對焊接越有利。該焊接方法 也適用于焊接鎳基合金薄板、小截面，焊接接頭不能 進行背面焊的封底焊以及不允許有焊接熔渣殘留的 焊接結(jié)構(gòu)。

3 . 1 焊接工藝的選擇

氬弧焊采用直流電流，電極接負極，焊機需配備 高頻引弧裝置和電流衰減裝置，以便在引弧、熄弧時 逐漸減小弧坑尺寸，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。鎢極直徑為 3.0?m m?，噴 嘴 直 徑 為 10.0?m m?, 氬氣純度為 99 . 99%。 為了防止焊縫產(chǎn)生焊接熱裂紋，應(yīng)選用小電流、短弧、 快焊速的焊接工藝。為了保證焊縫的熔深和寬度，鎢 極應(yīng)為尖頭，圓錐角為 30° ~60。，尖端磨平，直徑 為 0.4?m m?, 焊接時保持電弧穩(wěn)定與一定的熔深。預(yù) 熱溫度不應(yīng)小于 5?I?，道 間 溫 度 控 制 在 ~ 1 00?t?, 脈 沖 頻 率 為 4〇H z?, 脈 寬 比 為 3 0 % ~ 5 0 % ,正 面 氣體 流 量 為 9 ~ 1 2?L?/m i n?, 背面氣體流量為 3 ~ 5?L/m i n。焊 接接頭詳情如圖2 所示，焊接參數(shù)如表5 所示。

3 . 2 焊接注意事項

3 . 2 . 1焊前準備( 1 ) 保持焊接件表面清潔是成功焊接蒙乃爾合金和銅鎳合金的重要條件之一。焊接件表面的污染物主 要包括硫、磷 、鉛和某些低熔點元素，污染物會增大 焊接熱裂紋產(chǎn)生的傾向，因此，焊接前污染物必須完 全徹底清除。

( 2 ) 在焊接前管板坡口及兩側(cè)25?m m?寬度和換 熱管端部 150?m m?范圍內(nèi)的氧化膜應(yīng)打磨干凈，直至 其表面呈金屬光澤。

( 3 ) 焊絲應(yīng)保持干燥，并用丙酮、堿等溶劑清洗 去除油脂、水分、切削冷卻液與其他污染物。清理后 的焊絲和焊接件在焊接前嚴禁再次被污染，禁止用手 直接觸摸焊接部位。

( 4 ) 換熱管與管板不允許強力組裝，管板和換熱 管定位焊的焊接參數(shù)應(yīng)與正式焊接工藝的焊接參數(shù) 相同，定位焊的焊縫最后應(yīng)熔人整個焊縫中，焊接過 程中一旦發(fā)現(xiàn)定位焊的焊縫有缺陷則應(yīng)立即清除缺 陷，并對焊接坡口進行清理。

3 . 2 . 2焊接過程控制

( 1 ) 焊接過程中嚴禁為了增加焊縫液態(tài)金屬的流 動性而提高焊接電流，因為提高焊接電流會增加焊接 熱裂紋和氣孔產(chǎn)生的幾率。

( 2 ) 整個焊接過程均應(yīng)在氬氣保護下進行，焊接 起弧時，采用反向引弧，熄弧前液態(tài)金屬應(yīng)填滿弧坑。 焊接過程中當(dāng)鎢極觸及熔池或焊絲熔化端時，應(yīng)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。填充焊絲應(yīng)從熔池的前端進入熔池，避免 其與鎢極接觸。

( 3 ) 焊接過程中熔池應(yīng)保持平靜，尤其是應(yīng)避免 電弧攪動熔池；焊接完成熄弧后焊絲不得立即暴露在 空氣中，避免焊絲融化端被氧化，導(dǎo)致焊縫金屬被污染。

( 4 ) 焊接過程中保護氣體的流量要適當(dāng)，保護氣 體流量過大可能造成氣體紊流，影響焊縫的冷卻速 度 ，從而對焊縫造成不利影響。

3 . 2 . 3焊接環(huán)境的要求當(dāng)焊接環(huán)境出現(xiàn)下列任一情況，且無有效防護措施時，應(yīng) 禁 止 施 焊 ：（1 ) 環(huán)境溫度低于0?t?; ( 2 ) 風(fēng)速大 于 2?m/ s?; ( 3 ) 相對濕度大于 9 0 % ; ( 4 ) 雨 、 雪 環(huán) 境 ；（5 ) 焊件溫度低于5?t

3 . 3 焊后檢測

換熱管與管板的打底焊應(yīng)經(jīng)目視檢查確保焊縫 無 裂 紋 ；蓋面焊縫應(yīng)按NBAT?47013 . 5— 2 0 1 5《壓力容 器用鎳及鎳合金鍛件》標(biāo) 準 進 行 1 0 0 %滲透檢測確保 無 裂 紋 ；換熱管與管板間的焊縫應(yīng)按NB / T?々T O B J?-

ZOI S?標(biāo)準隨機抽取 8 個接頭進行?X?射線檢測 ，焊縫 質(zhì)量評估應(yīng)根據(jù)E N?I SO15614-8— 20 1 6標(biāo)準中 8 . 2段 的驗收標(biāo)準進行驗收，確保焊縫滿足要求。設(shè)備應(yīng)經(jīng) 過 7.8?M P a?的水壓試驗，確保沒有泄漏。該設(shè)備現(xiàn)已 投產(chǎn)，且未發(fā)現(xiàn)任何的質(zhì)量問題。

4?結(jié)論

蒙乃爾合金和銅鎳合金的熔點溫度、熱導(dǎo)率、線 脹系數(shù)及電阻率等參數(shù)差異較大，導(dǎo)致兩者焊接困 難 ，但通過對材料焊接性進行分析，制定焊接質(zhì)量的 保證措施，并通過工藝試驗，確定合理的焊接工藝參 數(shù) ，可以有效避免焊縫在焊接過程中產(chǎn)生焊接熱裂 紋 、焊接氣孔等焊接問題，顯著提高了焊縫的焊接質(zhì) 量 ，并取得了良好的效果。