張育卓 路 濱 唐元生
【摘要】我公司在某液空項目施工過程中，有一批鎳銅合金MONEL400和奧氏體不銹鋼TP304L材料的異種鋼接頭焊接。我們針對兩種材料的特性進行研究分析，選擇合理的焊接材料和焊接工藝，并進行了焊接工藝評定。根據焊接工工藝評定編制焊接工藝規程，順利完成了異種鋼接頭的焊接。為此類異種鋼焊接積累了經驗。
關鍵詞：MONEL400；不銹鋼TP304L；焊接性分析；電弧偏吹
MONEL400屬于鎳銅合金，是一種單相固溶體Ni-Cu合金，它在很多介質環境下有良好的耐蝕性能。從輕微的氧化性介質環境到中性環境，到適宜的還原性環境，都有良好的耐蝕性能。其特性可以歸納為如下幾點：①在海洋和化工環境下有良好的耐蝕性能。②對氯離子應力腐蝕開裂很不敏感。③從零度以下到550℃都有良好的力學性能。④良好的加工和焊接性能。
TP304不銹鋼是以Cr、Ni為主要合金元素的奧氏體不銹鋼，它最明顯的特征是沒有磁性。其塑韌性很好，具有良好的焊接性，焊接時一般不需要采取特殊的工藝措施。線膨脹系數大（比碳鋼約大50%），而導熱系數小（約為碳鋼的1/3），均與碳鋼和低合金鋼差別較大，導致焊接應力比較大，因此在冷卻時產生的收縮應力大，故產生的變形大。且熔池流動性差，成形較差，特別是全位置焊接時更為突出。兩種材料的化學成分對比如表1所示。
（1）MONEL400管道焊接性分析 ①鎳基MONEL400材料熔點高會導致鎢極氬弧焊電弧在焊縫短時間內不能形成熔池，鐵液由于熔點高較為粘稠，流動性差，表現在焊接時電弧移動到那個位置，鐵液跟隨電弧流動到哪里，焊接時容易造成夾渣等缺陷。這就要求焊工手持焊槍移動，停頓電弧要穩、準。宜采用大坡口、小鈍邊特點的接頭形式。②有較大的熱裂紋傾向，合金元素與Ni、Fe作用生成低熔物質，特別是Ni、P、 S親和力很強，易形成低熔共晶物分布于晶界，形成熱裂紋。③容易產生氣孔，氧、氫、二氧化碳在液態MONEL400合金中溶解度較大，但在冷卻時溶解度顯著減少，而且液態合金流動性偏低在焊接快速冷卻凝固結晶條件下，極易產生氣孔。
（2）TP304L管道焊接性分析 TP304奧氏體不銹鋼管道焊接時具有熔點高、鐵液流動性差、導熱性差、焊縫易氧化變色等特性。同時不銹鋼導熱性差，焊縫極易氧化變色，特別是焊縫及熱影響區呈暗灰氧化色時，鐵液流動發澀，造成焊紋凌亂，咬邊嚴重。
經過對比分析，打底鎢極氬弧焊焊絲選用牌號ERNiCu—7，焊條牌號選用 ENiCu—7，化學成分如表2所示。
（1）考慮到鎳基材料焊接時容易出現磁偏吹，焊接設備采用逆變式交直流焊機。
表 1 管道材料化學成分對比（質量分數） （%）
化學成分 C Mn Si S P Ni Cr Fe Cu MONEL400 ≤0.3≤2.0≤0.5≤0.024≤0.020≥63.0 — ≤2.5 28.0～34.0 TP304L ≤0.035≤2.0≤0.75≤0.030≤0.040 8.0～13 18～20余量 —
表2 焊材的化學成分（質量分數） （%）
化學成分 C Mn Fe P S Si Cu Ni Al Ti 其他焊絲 0.04 3.37 0.23 0.004 0.001 0.21 28.34 65.3 0.08 2.23 ＜0.50焊條 0.05 3.47 0.23 0.01 0.02 0.21 29.00 64.40 0.190 1.35 ＜0.50
（2）坡口角度為65°～70°，不留鈍邊，并將坡口及其內、外邊緣兩側20mm范圍內的油污、水等雜質清理干凈。修磨時采用不銹鋼專用磨片。
（3）按焊接工藝指導書要求的尺寸進行裝配、定位焊。定位焊時，采用搭橋點焊方法或采用不銹鋼小板塊進行連接點固，坡口間隙3.0～3.8mm。考慮到焊接時焊接變形大，因此焊縫平焊位置的間隙要比仰焊位置的大一點，即所說的上大下小。點焊完的焊縫用膠帶封死，管口兩端用硬膠皮或用海綿堵死，一端留下充氣口便于充氬（見圖1）。
（1）鎢極氬弧焊打底 將焊機模式調至鎢極氬弧焊，極性直流正接。焊接時為水平固定全位置焊接，焊接難度較大，為防止焊縫內凹，打底層我們采用仰焊內填絲法，立、平焊位置外填絲法進行施焊。
焊接過程中管膛內充氬保護，氬氣流量每分鐘25L。引弧前，應先將管膛內空氣置換滿足焊接要求后再進行焊接。焊接過程中焊絲不能與鎢極接觸或直接深入電弧的弧柱區，否則造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩定。焊絲端部不得抽離保護區，以免氧化，影響質量。水平固定焊接時由過6點處10mm起焊，不論什么位置的焊接，鎢極盡量垂直管子的軸心，這樣才能更好的控制熔池的大小，而且可使噴嘴均勻的保護熔池不被氧化。
圖1 焊縫點固及封堵
焊接時鎢極端部距離熔池2mm左右，焊絲要順著坡口沿著管子的切點送到熔池的前端，利用熔池的高溫把焊絲熔化。電弧引燃后，在坡口一側預熱，待金屬熔化后立即滴一滴焊絲形成金屬，然后電弧擺到坡口另一端，給送第二滴熔滴，再用焊絲連接兩焊滴連接形成焊縫的根基。電弧作橫向擺動，兩邊稍作停留，焊絲繼續均勻的送進熔池向前施焊。仰焊部位接頭時，用電弧熔化已焊完的接頭，待出現熔孔時給送焊絲，前兩滴可以多給點焊絲，避免接頭內凹，過后按正常焊接。打底焊縫成形如圖2所示。
12點收尾處打磨成斜坡狀，焊至斜坡時暫停送絲，用電弧把斜坡處熔化成熔孔，最后收口。注意在焊道收尾處，減小內部保護氣體流量到每分鐘3L，以防止因氣壓過大而使焊縫接頭內凹。收弧時容易產生熱裂紋，注意采用衰減的方式熄弧，還可以采用連續斷弧，將弧坑引至坡口的邊緣，防止產生熱裂紋（見圖3）。
由于這兩種母材焊接時變形大，易產生熱裂紋，所以焊接過程中需控制熱輸入量，采用小熱輸入，小電流焊接，冷卻速度快，使其在敏化溫度區停留時間短，有利于防止晶間腐蝕。焊接時，熱輸入小，焊接應力和焊接變形就小，和有利于防止應力腐蝕和熱裂紋，為此多層多道焊時，嚴格控層間溫度在100℃左右。
（2）焊條電弧焊工藝 如果采用直流焊條電弧焊時，容易在焊道上產生電弧偏吹，電弧偏向TP304L一側，熔化的鐵液很難與母材MONEL400熔合，造成夾溝易出現氣孔夾渣缺陷。由于采用改變地線夾的位置、減小焊接電流、調整焊條角度等方法都不能克服偏吹現象，所以焊條焊接時采用交流電弧焊，可以有效克服偏吹現象，使焊接能正常進行。
焊條電弧焊填充蓋面時，應在焊縫坡口上引弧，避免在母材表面引弧，以免打傷表面，降低抗腐蝕性。收弧時采用反復斷弧收尾法，這樣可防止收弧處產生弧坑裂紋。
仰立焊位焊接時，電弧長度保持1～2mm的高度。如果焊條與工件距離高, 焊接過程中電弧不穩定, 金屬飛濺嚴重, 藥皮保護性差，會使焊縫成形不良。焊條擺動要均勻，擺動不超過焊條直徑的兩倍。每根焊條焊完后, 再接一根焊條引弧要過收弧處6mm , 引弧成功后, 移到收弧處, 這樣的接頭形式良好，也不會產生夾渣，焊縫的高低基本上一樣。
圖2 打底焊縫成形
圖3 收弧裂紋
表3 焊接參數
焊道/焊層焊接方法 填充金屬 焊接電流 電弧電壓/V牌號 規格/mm 極性 A 1 GTAW ERNiCu－7 φ2.4 DC/EN 75～85 8～14 4～10 ≤11.7 2～n SMAW ENiCu－7 φ3.2 AC 75～90 20～28 5～12 ≤16.1焊接速度/cm·min-1熱輸入/J
焊接時, 焊條與管子的角度要正確, 焊接時上爬坡和平焊位采用反月牙形擺動, 兩側稍作停留穩弧, 中間速度稍快, 這樣可以避免焊縫凸起, 不平整。填充時,要注意坡口邊緣不要被電弧擦傷,以備蓋面層焊接。蓋面時應在坡口邊緣稍作停頓, 以保證熔池與坡口更好地熔合，防止咬邊。焊接過程中, 焊條擺動幅度和頻率要適應, 以保證蓋面層焊縫表面尺寸和邊緣熔合整齊。焊接參數如表3所示。
MONEL400與不銹鋼TP304L焊接的關鍵點在于控制焊道的熱輸入，如果電流過大，溫度過高很容易產生熱裂紋，因此在施工中要嚴格按焊接工藝執行。我公司在某液空項目此類異種鋼接頭管道安裝施工中，選用優秀焊工，運用上述焊接工藝進行焊接。經X射線探傷，焊口一次抽檢合格率達100%，焊縫外觀焊波均勻整齊，與母材過渡圓滑，呈銀白色，受到了業主的高度好評。
參考文獻：
[1] 梁祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.
作者簡介：張育卓等，中石化第十建設有限公司。
