镍基合金的焊接工艺分析

1、引言

  镍质量分数在30%以上的合金通称为镍基耐蚀合金，如奥氏体不锈钢一样，镍基耐蚀合金组织是单相奥氏体，固态下没有相变，母材及焊缝金属晶粒不能进行热处理细化。它具有独特的物理、化学和耐蚀性能，在200-1090℃范围内能耐蚀各种腐蚀介质的侵蚀，同时还具有良好的高温和低温力学性能，在石油化工、航天航空、核工业中得到广泛应用。

  常用的耐蚀镍基合金可分为四大系列：

① Ni-Cu系，以Ni、Cu为主要元素，称为蒙乃尔（Monel）合金,以4000系列数字表示；

②Ni-Cr-Fe系，以Ni为主要元素且Cr比Fe多，称为因康镍（Inconel）合金,以6000系列数字表示；

③Ni-Fe-Cr系，以Ni含量小于50%且Fe比Ni多，称为因康洛依（Incoloy）合金,以8000系列数字表示；

④Ni-Mo或Ni-Mo-Cr系，以Ni为主要元素且Mo含量较高，称为哈斯特洛依（Hastelloy）合金。

2、镍及合金在焊接过程中常见的问题

2.1热裂纹

  镍及合金焊接时易产生焊缝的宏观裂纹（凝固裂纹）及微观裂纹（多边化裂纹）或二者并存的热裂纹。晶间液膜是引发镍及合金单相奥氏体焊缝凝固裂纹的主要冶金元素，由于S、Si等杂质元素在焊缝金属中偏析，形成低熔点共晶物（Ni-NiS，645℃）。

  焊缝金属结晶时液态膜残留在晶界区，由于镍及合金线膨胀系数大，焊接时产生较大的拉应力，结晶时液态膜在收缩应力的作用下产生开裂。

  镍及合金焊缝金奥氏属组织为单相体，纯金属与单相合金焊缝多边化晶界的形成和发展，是镍及合金焊缝产生多变裂纹的主要原因。

  为提高单相奥氏体合金焊缝金属抗热裂纹的能力，在焊材中加入固溶强化的Mo、W、Mn、Ta、Cr和Nb等元素，可有效抑制镍及合金焊缝多边化晶界的形成和发展。

2.2气孔

  镍及合金的熔化区间在1287-1446℃，固液相温度间距小，熔敷金属很黏，流动性较差。在快速冷却结晶条件下，气体来不及逸出在焊缝中形成气孔。

2.3夹渣

  纯镍及镍及合金的氧化物与钢不同，如纯铁的熔点为1538℃，FeO为1420℃，Fe3O2为1565℃，因此钢焊接时氧化物和基体金属几乎一起熔化 。但镍和镍的氧化物的熔点相差很悬殊，如纯镍的熔点为1446℃，NiO为2090℃，由此可以知道，镍合金的氧化物在焊接时以固态的形式保留，结果形成了不完整的熔接和不连续的氧化物夹渣。

2.4咬边

  由于镍基合金焊缝金属流动性差，采用轻微摆动，可获得要求熔深。但在摆动到每一侧极限位置时，如果停留时间过短，没有留出足够的时间让熔化的焊缝金属填满，就会造成咬边现象。

3、焊接工艺要点

3.1焊接方法选择

  镍及合金焊接优先选用焊条电弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊，对于厚度较大的板材对接也可以采用埋弧自动焊。

3.2焊接材料的选用

  同种镍基合金的焊接宜选用和母材合金系统相同的焊接材料，异种接头选择焊接材料时应考虑母材线膨胀系数的差异、焊缝金属的强度、耐蚀性及焊接时裂纹、气孔的敏感性。常用镍基合金焊材见下表1

3.3坡口形式及尺寸

由于镍基合金焊缝金属流动性差、熔深浅，若用增大焊接电流的办法来增加熔深，反而会增大热裂纹敏感性，使焊缝金属中脱氧剂蒸发，产生气孔。

为保证熔透，应选用较大的坡口角度和较小的钝边。同时适当采用摆动焊接，摆动距离不超过焊条或焊丝直径的3倍，摆动到坡口两侧时稍加停留，使之熔合良好。坡口型式及尺寸如附图所示 

3.4焊前清理及焊材烘干

坡口及其两侧的清洁度是成功焊接镍基合金的重要条件之一。凡是能和镍形成低熔点共晶物的元素都会增加热裂纹倾向，这些元素通常存在于油脂、油漆、标记用的墨水、着色探伤材料等中。因此焊前应将坡口及其两侧30～50mm范围内，采用磨削加丙酮等清洗剂进行清理。

焊条使用前应320～350℃×1h进行烘干，烘干后应储存在100℃的恒温箱内，若焊工领出时间超过4小时，需重新烘干，但重复烘干次数不得超过2次。

3.5焊接工艺参数确认

由于镍基合金导热性差，如果焊接电流过大、电弧电压过高、焊接速度慢及层间温度过高，都会使接头过热，增加热裂纹倾向。因此在保证熔合良好的情况下，尽量选用较小的热输入量、较低的电弧电压和较快的焊接速度，同时应严格控制层间温度在100℃以下，收弧填满弧坑，避免产生热裂纹及弧坑裂纹。

焊条电弧焊及钨极氩弧焊推荐的焊接工艺参数见表2，采用钨极氩弧焊时焊枪氩气流量为10～14L/min，管内氩气流量为8～10L/min。

3.6焊前预热和焊后热处理

镍基合金合金焊接时一般不需要预热，但当母材温度低于15℃时，应在坡口两侧250-300mm范围内加热至15-20℃，以免空气冷凝，产生气孔。镍基合金一般不推荐焊后热处理。

4、分析结论

  焊接镍基合金时应注意

①焊前焊件要清理干净

②选用较小的线能量，严格控制层间温度

③选用较大的坡口角度和较小的钝边

④一般情况不做焊前预热和焊后热处理