钨极氩弧焊在镍基压力容器中的应用
徐 洪
摘要:介绍了将钨极氩弧焊(GTAW)用于镍基(Inconel600)压力容器中的焊接制造,采用适当的焊接规范参数,焊接工艺评定试验结果满足了产品制造技术条件的要求.在产品焊接过程中,通过焊接操作和焊接工艺的控制,使焊缝通过100%的射线检测和超声波检测以及水压试验。
关键词:GTAW,Inconel600, 压力容器
一、前言
2006年8月份,我公司为四川某公司生产一台Inconel600的三氯化铝发生器的压力容器,虽然国外已经有相关的标准,但当时国内还没有压力容器这方面的制造检验标准.我公司通过走访、学习兄弟单位的相关的有色金属容器的生产制造经验，经过反复的焊接工艺试验验证后，将GTAW用于Inconel600焊缝接头的焊接方法，焊后经RT和UT检验，焊缝质量达到要求。
二、设备结构及主体材料
三氯化铝发生器装置（设备结构简图见图1）设计参数见表1。其工作介质为 Cl2、，TiCl4 ，Al ，AlCl3 。壳体主体材质为Inconel600(其化学成分和力学性能见表2,表3)
图1 设备结构简图
表1 容器设计技术参数
壳体内径( mm) | 壳体壁厚(mm) | 设计压力(Mpa) | 设计温度(℃) | 工作压力(MPa) | 工作温度(℃) | 工作介质 |
Φ1600 | 16 | 1.0 | 480 | 0.45 | 450 | Cl2、TiCl4、Al、AlCl3 |
表2 Inconel600（退火）板材化学成分 （Wt%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Cu | Ti | Fe |
标准值 | ≤0.15 | ≤0.50 | ≤1.00 | ≤0.015 | ≥72.0 | 14.0-17.0 | ≤0.50 | ≤.70 | 6.00-10.00 | |
实际值 | 0.05 | 0.17 | 0.35 | 0.001 | 75.8 | 15.16 | 0.01 | 0.13 | 8.19 |
表3 Inconel600的力学性能
力学性能 | 屈服强度（Mpa） | 抗拉强度（MPa） | 延伸率 |
标准值 | 240 | 550 | 30 |
实际值 | 279 | 667 | 45 |
三、焊接材料的选用
Inconel600的焊接材料的选择首先要保证其熔敷金属的化学成分与母材相当,S、P等杂质元素的含量要控制的很低,使焊缝金属具有相应的性能指标.其次母材厚度为16mm,为了保证焊缝每层的质量,飞溅少,层间易清理等因素,我公司综合上述因素,采用单面U型坡口,焊接方法为GTAW,焊丝为2.5.Inconel82 .焊丝其化学成分和力学性能见表4,表5。
表4 Inconel82焊丝的化学成分
元素 | C | Cr | Ti | Si | Ni | Mn | Nb | Fe | Cu | S | P |
标准含量(%) | ≤0.10 | 18.0-22.0 | ≤0.75 | ≤0.50 | ≥67.0 | 2.5-3.5 | 2.0-3.0 | ≤3.0 | ≤0.50 | ≤0.015 | ≤0.03 |
实际含量(%) | 0.03 | 20.05 | 0.40 | 0.15 | 余量 | 2.92 | 2.54 | 1.23 | 0.035 | 0.0012 | 0.005 |
表5 Inconel82焊丝的力学性能
抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) |
600.00 | 240.00 | 36 |
四、焊接工艺评定
在进行焊接工艺评定之前,我查阅了许多相关的资料,选择不同的规范参数匹配,并在试板上进行一系列的焊接工艺试验,通过观察飞溅大小,电弧稳定性,焊接表面的成型,母材的熔合情况,确定焊接电流为160-210(A)电弧电压为16-18(V)电流太小,不仅生产效率低,还容易产生未熔合,气孔等缺陷,电流过大,会引起钨极熔化和蒸发,其微粒有可能进入熔池而造成污染,而且还容易引起烧穿或焊缝下陷,咬边等缺陷.选择合理的焊接规范参数见表6,参照JB4708-2000和GB50236的标准,试板规格500X150X16对接,保护气体为Ar,气体纯度 99.99%焊枪中Ar气流量为14-18L/Min, 尾部Ar气流量为10-12L/Min, 焊缝背面Ar气流量为12-14L/Min,对焊接工艺评定试板进行100%RT无损检测,符合JB/T4730.2—2005的规定,II级合格.然后进行理化解剖和力学性能试验,其结果见表7,表8.力学性能全部满足产品制造的技术条件的要求.
表6 焊接规范参数
焊丝直径（㎜） | 极性 | 电流（A） | 电压（V） | 焊接速度（㎝/Min） | 尾部气体流量（L/Min） | 背部气体流量（L/Min） | 焊枪气体流量（L/Min） |
Φ2.5 | 正极 | 160-210 | 16-18 | 19-20 | 10-12 | 12-14 | 14-18 |
表7 焊缝接头的化学成分
元素 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Nb | Ti | Fe |
实际值 | 0.04 | 0.22 | 3.06 | 0.008 | 0.003 | 75.8 | 19.91 | 2.49 | ＜0.001 | 1.29 |
表8 焊缝接头的力学性能
力学性能 | 侧弯 | 抗拉强度（MPa） | 延伸率 |
结果 | 合格 | 560 | 40 |
图2 GTAW拖罩保护示意图
1---焊枪 2---进气管 3---尾部保护拖罩 4---背面保护拖罩 5---进气管 6---焊件
五、产品焊接
（一）焊接坡口的准备
对接焊缝的坡口型式U,采用机加工,焊前对坡口区域进行仔细清理,用丙酮或乙醇清洗并去除坡口附近50mm区域的氧化色等杂质.
（二）焊接要点
在焊接之前,经焊工需进行相关资格的考试,焊工用焊接评定给出的规范参数范围,在非产品试件上进行试焊,调节焊接电流,电压。
（三）在焊接过程中,层间温度严格控制在小于或等于90℃,随时用测温笔进行测量
施焊过程中背部和尾部需用氩气进行保护（如图2）,(尤其第一层、第二层)并且每焊完一层需用PT检测，必须仔细检查，如有缺陷，按照有关程序进行处理，合格后再继续施焊。熄弧时一定要填满弧坑，以防止弧坑裂纹。
六、焊后检验
焊缝表面无裂纹，气孔，咬边等缺陷。焊缝按照JB/T4730.2-2005进行100%RT检测，II级合格。
七、小结
Inconel600是镍基材料中焊接性比较好的一种材料，只要严格控制焊接工艺参数和层间温度以及层间的清洗，选用匹配好焊接材料，焊缝完全达到产品制造技术的要求。
将GTAW用于镍基材料的焊接技术的成功，在焊接工艺，焊工培训，现场操作和焊接质量管理方面积累了经验，为公司以后向有色金属压力容器的制造奠定了基础。
参考文献：
[1]ASME 锅炉及压力容器规范.中国石化出版社.
[2] .北京：劳动部，压力容器安全技术监察规程.
[3]JB4708--2000钢制压力容器焊接工艺评定，北京：国家机械工业局，国家石 油和化工工业局，2000.
[4]GB50236 现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范.
[5]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册--材料的焊接，北京：机械工业出版社，1995
作者简介：徐洪，（1974---）焊接助理工程师，大专学历，机械及压力容器专业，现从事焊接工艺/评定、焊工考试与管理工作。
