CN104759743B - 一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法 - Google Patents

一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法，包括的步骤为：焊材选取；下料、坡口加工，下料采用冷切割、机械加工坡口；坡口及周围表面清理，对坡口周围50㎜‑100㎜范围内清理；坡口PT检测；接头组对，组对间隙控制在1‑2㎜范围内，无错边；打底焊接，分段对称打底焊接；填充及盖面焊接，采用多层多道的焊接方式，控制焊接的层间温度不超过100℃，设置了具体的焊接工艺参数；焊后检验。本发明能有效的解决离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管焊接中出现的热裂纹、焊缝金属过热、未熔合及焊缝根部未熔合等问题，获得对该类材质满意的焊接质量，保证其使用性能。

Description

一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法
技术领域
本发明涉及焊接工艺技术领域，特别是一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法。
背景技术
镍基合金是在以Ni或Ni-Fe为基体，添加Cu、Cr、Mo、Nb、W、Ti、Al等其他元素形成的合金。该材料具有良好的高温抗氧化、抗腐蚀性和良好的高温力学性能。基于镍基合金优越的性能，使其在石油化工、核工业、航天航空等领域得到了广泛的应用。
石油化工装置中离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管在焊接施工中极易出现热裂纹、焊缝金属过热和未熔合等焊接缺陷，尤其是热裂纹的返修就更难处理，往往只有通过割口重焊来避免二次出现热裂纹。因此需要采用必要的焊接工艺措施来防止热裂纹、焊缝金属过热、未融合和根部未焊透的现象产生，从而获得对该类材质满意的焊接质量，保证镍基合金管的高温抗氧化、抗腐蚀性和良好的高温力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法，适用于离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管氩弧焊接，解决焊接中出现的热裂纹、焊缝金属过热、未融合和根部未焊透的缺陷，使焊接接头具有高温抗氧化、抗腐蚀性和良好的高温力学性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法，镍基合金管具体为离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管，其特征在于包括如下步骤：
（1）焊材选取：选用镍含量较高的焊丝，其中元素的成份重量百分比具体为：C≤0.10%、Mn 2.5%～3.5%、S≤0.015%、Si≤0.50%、Cu≤0.50%、Cr 18.0%～22.0%、Ni≥67.0%、Al+Ti≤0.75%、Fe余量；焊丝直径为1.2mm、2.0mm；保护气选用纯度≥99.99%的高纯氩；
（2）下料、坡口加工：镍基合金管采用冷切割，坡口采用管道坡口机进行加工，坡口角度α为60～70°无钝边；用不锈钢钢丝刷对坡口及坡口周围表面进行清理；这样可以防止坡口表面过热、坡口表面渗碳，阻止焊接热裂纹的产生；
（3）坡口PT检测：坡口及四周清洗干净后，采用渗透检测，表面无裂纹为合格；
（4）组对：接头组对避免错边，避免任何敲击或强力组对，组对间隙B为1～2mm；这样可以保证焊接接头无外部附加应力，打底焊道熔透、成形均匀，以有利于耐蚀性要求；
（5）打底焊接：提前向被焊镍基合金管内充氩，要确保管内空气完全排除，焊接工艺参数：焊接电流80～100A，电压10～15V，速度焊接80～90mm/min，氩气流量为8～10L/min，焊缝背面氩气流量10～15L/min；通过控制打底焊缝厚度，使得焊缝表面形状平整，避免出现凹陷或较高突起，防止由于局部应力集中而产生裂纹；
（6）填充及盖面焊接：打底完成检测合格后，进行填充及盖面焊接，填充时继续进行管内充氩，防止焊缝背面氧化，也起到冷却作用；焊接工艺参数：焊接电流100～120A，电压12～15V，速度焊接90～120mm/min，焊接氩气流量为10-12L/min；施焊时，选用比较低的线能量，采用小直径焊丝、小电流、快速焊、多层多道焊，以减小电弧热输入，降低层间温度，控制在120℃以下；这样用来避免层间温度过高导致焊缝及热影响区过热和奥氏体晶粒的长大，采用低的层间温保证焊缝的耐腐蚀性能和焊缝的塑性和韧性，减少焊接热裂纹的产生；每焊完一层均将焊缝及焊缝两侧杂质清理干净；焊接完成后的焊缝余高不大于1mm；
（7）焊后检验：底层焊接完成后必须进行渗透检测，合格后方可进行填充焊接；焊接完成后进行全焊缝100%PT检测，合格后进行全焊缝100%RT检测。
作为本发明的进一步限定方案，若焊接的镍基合金管为服役管，还需对坡口及四周进行消氢处理以及施焊前对服役炉管侧坡口进行必要堆焊处理。坡口及四周的消氢处理，可以使服役管壁中的扩散氢逸出，降低坡口及四周区域的含氢量，防止产生冷裂纹。施焊前对服役管侧坡口进行必要的堆焊处理，可以使服役管侧坡口表面的熔敷金属的化学成分可以达到与焊丝相同的化学成分，减少填充盖面后焊缝金属由于收缩而产生的应力。
作为本发明的进一步限定方案，打底焊缝采用多人对称焊接。
作为本发明的进一步限定方案，进行填充时继续进行管内充氩。
作为本发明的进一步限定方案，焊接时的氩弧焊机具有高频引弧和电流衰减功能的氩弧焊机，能够减少在焊接时引弧和灭弧时引起的热裂纹产生。在焊接过程中适当摆动焊丝，把熔化金属送到坡口合适位置，摆动的幅度不大于焊丝直径的1～2倍。镍基合金的液态金属具有较高的黏稠度，流动性较差，焊接熔池深度浅，为保证接头熔合良好，施焊时可适当摆动焊丝，在焊道两侧的停留时间稍长，以利于焊透和防止坡口边缘产生未熔合。
本发明所述的服役管，是指已经使用过的镍基合金管。
本发明的有益效果在于：(1) 焊接时选用合适的焊接工艺参数、打底、填充及盖面的手工钨极氩弧焊工艺，焊接质量优良，焊缝成形美观，焊后热影响区有组织粗化现象。(2)焊接接头性能的常温和1100℃高温短时抗拉强度、延伸率达到母材的要求，在1050℃和25MPa拉伸应力作用下测试高温持久性能，经过100 h未断，表明焊接接头具有良好的高温持久性能。常温和高温短时力学性能测试时，试样均断于母材，表明焊接接头具有良好的常温、高温拉伸力学性能。
附图说明
图1为两镍基合金管组对示意图。
图2为无堆焊层焊接顺序示意图。
图3为有堆焊层焊接顺序示意图。
具体实施方式
实施例1
某工程离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管管径为φ108×10.8mm，具体的实施步骤如下：
（1）焊接材料选用ERNiCr-3，长度为1m，焊丝直径φ2.0mm；焊丝用丙酮清洗并擦干；保护气选用纯度≥99.99%的氩气。
（2）如图1所示，将镍基合金管1和镍基合金管2采用机械加工成V型对接坡口，坡口夹角为α为65°无钝边，用不锈钢钢丝刷对坡口及坡口周围100mm范围内表面进行清理，除去影响焊接质量的淬硬层，毛刺等，并用丙酮进行清洗坡口及坡口周围的油污、各种记号、杂质等。
（3）坡口及四周清洗干净后，采用PT检测，表面无裂纹为合格，检测合格后用清洗掉渗透液，并干净布擦干。
（4）采用对口器进行对口，不在转化管上引弧和点焊卡具，组对无错边，无任何敲击或强力组对，组对间隙为1～2mm。
（5）打底焊接焊接前，向被焊镍基合金管内充氩，确保管内空气完全排除后，在焊口上封闭一层锡箔纸；打底焊接时氩气流量应适当降低，保持平稳，避免焊缝背面因氩气吹托在成型时出现凹陷，打底焊缝采用4段对称焊接。焊接工艺参数：焊接电流80～100A，电压10～15V，速度焊接80～90mm/min，氩气流量为8～10L/min，焊缝背面采用氩气进行保护，氩气流量为10～15L/min，氩气为含量≥99.99%的高纯氩，焊接完成后用不锈钢丝刷刷除氧化物。
（6）打底焊缝经PT检测无裂纹后，清洗掉渗透液并擦干后进行填充焊接，焊接工艺参数：焊接电流100～120A，电压12～15V，焊接氩气流量为10～12L/min，施焊时，焊缝背面采用氩气进行保护，氩气流量为10～15L/min，采用多层多道焊接的方式（图2所示），控制焊接层间温度不超过120℃，在保证熔透的前提下线能量尽可能小，以防止焊缝及热影响区过热。采取短弧、快速、多层多道焊，焊接过程中保持焊枪与焊缝成70～80°夹角；每焊完一层均需要使用不锈钢丝刷将焊缝及焊缝两侧杂质清理干净。
（8）底层焊接完成后进行渗透检测，合格后进行下一层焊接；焊缝焊接完成后进行全焊缝100%的PT检测，合格后进行全焊缝100%RT检测，PT检测按照JB/T4730.5-2005，级合格；RT检测按照JB/T4730.2-2005，合格。
实施例2
某工程离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管管径为φ141×18mm，为已经使用过的服役管，具体的实施步骤如下：
（1）焊接材料的选取。根据材料的质量证明文件中的合金元素含量，选用镍含量成份百分比大于母材镍含量成份百分比且S、P等有害杂质元素相对少的直焊丝ERNiCr-3，长度为1m，焊丝直径φ2.0mm；焊丝用丙酮清洗并擦干；保护气选用纯度≥99.99%的氩气。
（2）如图1所示，将镍基合金管1和镍基合金管2采用机械加工成V型对接坡口，坡口夹角为α为70°无钝边，用不锈钢钢丝刷对坡口及坡口周围100mm范围内表面进行清理，除去影响焊接质量的淬硬层，毛刺等。并用丙酮进行清洗坡口及坡口周围的油污、各种记号、杂质等。
（3）坡口及四周清洗干净后，采用PT检测，表面无裂纹为合格。检测合格后用清洗掉渗透液，并干净布擦干。对镍基合金管1和镍基合金管2坡口及坡口四周100mm的范围内进行消氢处理，热处理工艺为：采用履带式电加热片加热，消氢处理的温度为300～350℃，时间为60min，采用硅酸铝镁保温，厚度为100mm，消氢处理完成后采用PT检测，表面无裂纹为合格,，检测合格后用清洗掉渗透液，并干净布擦干。
（4）采用对口器进行对口，不能在转化管上引弧和点焊卡具。组对无错边，无任何敲击或强力组对，组对间隙为1～2mm。
（5）打底焊接前，向被焊镍基合金管内充氩，确保管内空气完全排除后，在焊口上封闭一层锡箔纸；打底焊接时氩气流量应适当降低，保持平稳，避免焊缝背面因氩气吹托在成型时出现凹陷，打底焊缝采用4段对称焊接。焊接工艺参数：焊接电流80～100A，电压10～15V，速度焊接80～100mm/min，氩气流量为8～10L/min，焊缝背面采用氩气进行保护，氩气流量为10～15L/min，氩气为含量≥99.99%的高纯氩，焊接完成后用不锈钢丝刷刷除氧化物。
（6）打底焊缝经PT检测无裂纹后，清洗掉渗透液并擦干后进行坡口两侧堆焊（图3所示），堆焊层厚度为3mm，焊接工艺参数：焊接电流100～120A，电压12～15V，焊接氩气流量为10～12L/min，施焊时，堆焊及填充焊接时继续进行管内充氩，防止焊缝背面氧化，也起到冷却作用，采用多层多道焊接的方式（图3所示），控制焊接层间温度不超过120℃；在保证熔透的前提下线能量尽可能小，以防止焊缝及热影响区过热。采取短弧、快速、多层多道焊，焊接过程中保持焊枪与焊缝成70～80°夹角；每焊完一层均需要使用不锈钢丝刷将焊缝及焊缝两侧杂质清理干净。
（7）底层焊接完成后必须进行渗透检测，合格后方可进行下一层焊接；焊缝焊接完成后进行全焊缝100%的PT检测，合格后进行全焊缝100%RT检测，PT检测按照JB/T4730.5-2005，级合格；RT检测按照JB/T4730.2-2005，合格。
具体工程中：
在某45万吨/年合成装置一段转化炉中，采用本发明描述的焊接工艺，焊接规格为Ф108×10.5mm镍基合金管284道焊口；焊接规格为Ф141×18mm镍基合金管18道焊口；一次焊接合格率达98.9%以上，焊接质量良好。
本发明所述的具体实施方式仅为一种较佳的案例，并非用来限定本发明的实施范围，相关从事本领域的人员可以对本发明的内容等效改进与润饰，都应作为本发明的技术范畴。
对比例1
某合成氨装置一段转化炉炉管更换施工中，有8根材质为ZG45Ni35Cr25NbM，规格为Ф141×18mm的上升管进行更换，新管与服役管相焊。采用如下的焊接工艺：（1）焊接材料的选取ERNiCr-3，长度为1m，焊丝直径φ2.0mm；焊丝用丙酮清洗并擦干；保护气选用纯度≥99.99%的氩气。（2）将镍基合金管1和镍基合金管2采用机械加工成V型对接坡口，坡口夹角为α为70°、无钝边，坡口加工完成后除去影响焊接质量的淬硬层，毛刺等。（3）用不锈钢钢丝刷对坡口及坡口周围100mm范围内表面进行清理，除去影响焊接质量的淬硬层，毛刺等。并用丙酮进行清洗坡口及坡口周围的油污、各种记号、杂质等，清洗干净后的表面具有明显的金属光泽。（4）采用对口器进行对口，不能在转化管上引弧和点焊卡具。组对无错边，无任何敲击或强力组对，组对间隙为1mm。（5）打底焊接，焊接工艺参数：焊接电流80～100A，电压9～11V，速度焊接70～100mm/min，层间温度80～100℃，氩气流量为10～15L/min，焊缝背面采用氩气进行保护，氩气流量为10～14L/min，氩气为含量≥99.99%的高纯氩；焊接完成后用不锈钢丝刷刷除氧化物。（6）填充及盖面焊接，焊接工艺参数：焊接电流90～120A，电压10～12V，速度焊接70～100mm/min，层间温度80～120℃，焊接氩气流量为10～15L/min；
上升管打底焊接时均无裂纹产生，在前期焊接完成的4道上升管的焊口中，有2道焊口填充厚度约9mm处，在上坡口母材（服役管）融合线处出现100～150mm裂纹，焊缝金属未出现裂纹；另外2道焊口在填充盖面完成后出现裂纹，为贯穿性裂纹。
对比例2
某合成氨装置一段转化炉炉管更换施工中，有336根材质为ZG45Ni35Cr25NbM，规格为Ф108×10.5mm的转化管进行焊接。采用如下的焊接工艺：（1）焊接材料的选取ERNiCr-3，长度为1m，焊丝直径φ2.0mm；焊丝用丙酮清洗并擦干；保护气选用纯度≥99.99%的氩气。（2）将镍基合金管1和镍基合金管2采用机械加工成V型对接坡口，坡口夹角为α为70°、无钝边，坡口加工完成后除去影响焊接质量的淬硬层，毛刺等。（3）用不锈钢钢丝刷对坡口及坡口周围100mm范围内表面进行清理，除去影响焊接质量的淬硬层，毛刺等。并用丙酮进行清洗坡口及坡口周围的油污、各种记号、杂质等，清洗干净后的表面具有明显的金属光泽。（4）采用对口器进行对口，不能在转化管上引弧和点焊卡具。组对无错边，无任何敲击或强力组对，组对间隙为2mm。（5）打底焊接，焊接工艺参数：焊接电流80～100A，电压9～11V，速度焊接70～100mm/min，层间温度80～100℃，氩气流量为10～15L/min，焊缝背面采用氩气进行保护，氩气流量为10～14L/min，氩气为含量≥99.99%的高纯氩；焊接完成后用不锈钢丝刷刷除氧化物。（6）填充及盖面焊接，焊接工艺参数：焊接电流90～120A，电压10～12V，速度焊接70～100mm/min，层间温度80～120℃，焊接氩气流量为10～15L/min；焊接时采用采取短弧、快速、多层多道、不摆动焊。（7）焊接情况：在前期焊接完成的300道转化管焊口中，有1道焊口的裂纹在焊缝热影响区，7道焊口的裂纹在坡口融合线处，20道口出现未融合，转化管返修时，在做打磨消除过程中，发现缺陷处出现微裂纹。

Claims (4)

1.一种镍基合金管氩弧焊接工艺方法，焊接的镍基合金管为服役管，具体为离心铸造ZG45Ni35Cr25NbM镍基合金管，其特征在于包括如下步骤：
（1）焊材选取：选用镍含量较高的焊丝，其中元素的成份重量百分比具体为：C≤0.10%、Mn 2.5%～3.5%、S≤0.015%、Si≤0.50%、Cu≤0.50%、Cr 18.0%～22.0%、Ni≥67.0%、Al+Ti≤0.75%、Fe余量；焊丝直径为1.2mm、2.0mm；保护气选用纯度≥99.99%的高纯氩；
（2）下料、坡口加工：镍基合金管采用冷切割，坡口采用管道坡口机进行加工，坡口角度α为60～70°无钝边；用不锈钢钢丝刷对坡口及坡口周围表面进行清理；可以防止坡口表面过热、坡口表面渗碳，阻止焊接热裂纹的产生；同时需对坡口及四周进行消氢处理以及施焊前对服役炉管侧坡口进行必要堆焊处理；坡口及四周的消氢处理，可以使服役管壁中的扩散氢逸出，降低坡口及四周区域的含氢量，防止产生冷裂纹；施焊前对服役管侧坡口进行必要的堆焊处理，可以使服役管侧坡口表面的熔敷金属的化学成分可以达到与焊丝相同的化学成分，减少填充盖面后焊缝金属由于收缩而产生的应力；
（3）坡口PT检测：坡口及四周清洗干净后，采用渗透检测，表面无裂纹为合格；
（4）组对：接头组对避免错边，避免任何敲击或强力组对，组对间隙B为1～2mm，保证焊接接头无外部附加应力，打底焊道熔透、成形均匀，以有利于耐蚀性要求；
（5）打底焊接：提前向被焊镍基合金管内充氩，要确保管内空气完全排除，焊接工艺参数：焊接电流80～100A，电压10～15V，速度焊接80～90mm/min，氩气流量为8～10L/min，焊缝背面氩气流量10～15L/min；控制打底焊缝厚度，保持焊缝表面形状平整，避免出现凹陷或较高突起，防止由于局部应力集中而产生裂纹；
（6）填充及盖面焊接：打底完成检测合格后，进行填充及盖面焊接，填充时继续进行管内充氩，防止焊缝背面氧化，也起到冷却作用；焊接工艺参数：焊接电流100～120A，电压12～15V，速度焊接90～120mm/min，焊接氩气流量为10-12L/min；施焊时，选用比较低的线能量，采用小直径焊丝、小电流、快速焊、多层多道焊，以减小电弧热输入，降低层间温度，控制在120℃以下，层间温度过高会导致焊缝及热影响区过热和奥氏体晶粒的长大，因此低的层间温度保证焊缝的耐腐蚀性能和焊缝的塑性和韧性，减少焊接热裂纹的产生；每焊完一层均需要使用不锈钢丝刷将焊缝及焊缝两侧杂质清理干净；焊接完成后的焊缝余高不大于1mm；
（7）焊后检验：底层焊接完成后必须进行渗透检测，合格后方可进行填充焊接；焊接完成后进行全焊缝100%PT检测，合格后进行全焊缝100%RT检测。
2.根据权利要求1所述镍基合金管氩弧焊接工艺方法，其特征在于：打底焊缝采用多人对称焊接。
3.根据权利要求1所述镍基合金管氩弧焊接工艺方法，其特征在于：进行填充时继续进行管内充氩。
4.根据权利要求1所述镍基合金管氩弧焊接工艺方法，其特征在于：焊接时的氩弧焊机具有高频引弧和电流衰减功能的氩弧焊机，能够减少在焊接时引弧和灭弧时引起的热裂纹产生；在焊接过程中适当摆动焊丝，把熔化金属送到坡口合适位置，摆动的幅度不大于焊丝直径的1～2倍；镍基合金的液态金属具有较高的黏稠度，流动性较差，焊接熔池深度浅，为保证接头熔合良好，施焊时适当摆动焊丝，在焊道两侧的停留时间稍长，以利于焊透和防止坡口边缘产生未熔合。
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