【镍及镍合金焊接性能研究】含镍合金提镍

　　摘要：目前国内对于镍及镍合金的焊接性能还没有系统的研究，各施工单位在施工过程中也方法不一，文章将系统阐述镍及镍合金的焊接特点，工艺方法，焊接难点以及焊材的选择及应用。　　关键词：镍；镍合金；焊接性能
　　1、镍及镍合金的焊接特点
　　1.1一般要求
　　镍合金的焊接工艺与不锈钢相似，其热膨胀系数与碳钢接近，故焊接时的变形有相同趋势。
　　所有焊缝应有微凸的外形，要避免平焊缝和凹形焊缝，因为凹形焊缝会导致焊缝中心部位开裂。
　　焊接镍合金通常不需要预热，但如果母材温度低于2℃，则应将金属加热到比环境温度高10℃，以免水汽凝结造成气孔。
　　焊接接头的性能通常与母材相同，大多数固溶镍合金可在液态下工作。沉淀硬化合金焊后应热处理以获得最佳性能。在大气环境下工作的镍合金构件最好进行消除应力处理，否则会引起应力腐蚀开裂。
　　在大多数腐蚀介质中焊缝金属的抗腐蚀能力类似与母材，在某些强烈腐蚀的环境中可能需要高匹配或非匹配的焊缝金属。
　　1.2表面准备
　　清洁是成功焊接镍及镍合金的最重要因素。在高温下，由于硫、磷、铅和某些其他低熔点杂质的作用，镍和镍合金会有很大的脆化敏感性，而这种杂质元素往往存在于常规生产过程中的材料中，如油、脂、漆、涂料、记号笔印、润滑剂等，所以在任何焊接操作前，必须将金属彻底弄干净。
　　对于常温接头拉说，接头没边约50mm的清洁区就足够了，在高温下形成的氧化物必须清除，而在常温下形成的氧化膜则关系不大，因为氧化镍的熔点在2090℃，大大高于镍的熔点（约1440℃）。这样，在焊接时，母材熔化，而氧化物则处于固体状态，会形成未融合缺陷。
　　1.3坡口
　　厚度在2.4mm以下可不开坡口，大于此厚度要开坡口否则如有未焊透，会导致缝隙产生，加快腐蚀，而且亦会提高局部应力集中，形成裂纹。
　　如果不能进行双面焊，则用GTAW焊接根部焊道是最佳选择如管子对接。
　　1.4异种材料焊接
　　异种材料焊接通常需要考虑复杂的冶金因素，焊缝熔敷金属的成分不但收焊条或填充金属的控制，而且亦受两侧母材稀释量的控制，稀释量随焊接方法、操作技术和接头设计的改变而变化，所有这些都影响到连接方法和焊接材料的选择。
　　某些焊接材料特别适用于异种材料的焊接。镍-铬焊丝和焊条，如INCO-WELDA、INCO-WELDB焊条，INCONEL112和IN-CONEL182焊条，INCONEL625和INCO-WELD686CPT焊丝均为异种钢焊接的常用品种，它们能够适用母材的不同稀释率而不产生裂纹。
　　2、不同焊接方法的工艺特点
　　目前使用较多的是手工电弧焊和钨极气体保护焊。
　　2.1手工电弧焊
　　手工电弧焊（SMAW）一般用于厚度大于等于1.6mm的镍合金材料。大多数情况下，焊条熔敷金属的成分与母材相似。每一焊条直径有一最佳的电流范围，过大的电流会导致气孔和弯曲不合格，因为合金元素和脱氧剂在它们熔入前会造成氧化。
　　镍和镍合金寒风金属流动性不如钢好，所以焊接时最好少许摆动，但其幅度不要大于三倍焊条的直径，不管是否采用摆动，焊缝的外形应稍凸。
　　焊缝十分脆，每焊一道后，焊下一道前应把焊渣彻底清除，并且用不锈钢刷子刷干净。推荐对所有焊缝都去除焊渣。特别对焊缝有耐蚀要求时，更要清除干净。
　　2.2钨极气体保护焊
　　钨极气体保护焊（GTAW）广泛用于镍合金焊接，特别在连接搏件和不希望残留焊渣时更宜使用。GTAW也是沉淀硬化合金的首选焊接方法。GTAW采用直流正接。
　　推荐气体为氩气、氦气或两者混合气体。对单道焊可在氩中加入少量的氢（≤5%）。
　　在GTAW时，通常要求对根部进行保护，如采用惰性气体保护衬垫等。
　　3、镍及镍合金焊接难点
　　镍及镍合金的焊接难点主要反映在两个方面，既防止焊接热裂纹和气孔。
　　3.1焊接热裂纹
　　镍合金焊缝金属对焊接热裂纹有较高的敏感性。由于镍合金系单项奥氏体组织，寒风中的一些杂质元素和低熔点物质容易在晶界偏析和集聚，在熔池的凝固过程中造成开裂。这些低熔点的物质主要是Ni-S和Ni-Si等的化合物与镍形成的共晶体，其熔点大多在1000℃以下。所以为了减少焊接热裂纹产生的概率，应该尽量控制焊缝中硫、磷以及硅、铅等元素的含量，选用纯度高的优质焊材，在焊接工艺上应尽量可能采用小的焊接工艺参数，保持焊接坡口的高度清洁，采用合理的焊接顺序以及减少焊接应力等。
　　由于镍基合金焊缝金属对焊接热裂纹（微裂纹）有较强的敏感性，而这种裂纹通过无损检测又很难发现，故在焊材标准中规定在试样的弯曲面允许有一定量的开裂来加以控制。
　　3.2气孔
　　镍基合金焊缝金属对气孔也比较敏感，这是由于镍合金的固液相温度间距比较小，而且液态金属的流动性也比较差，倘若加上焊缝金属的冷却速度比较快。熔池中的气体来不及逸出，就可能被凝固在焊缝中，造成气孔。而且氧气、二氧化碳和氢气等气体在液态镍中的溶解度比较大，冷却时溶解度明显减少，也是造成气孔的一个原因。此外，如果在焊接坡口中还带有涂料、漆、油脂等赃物，则其分解更容易进入熔池而产生气孔。所以在焊接镍及镍合金前一定要将坡口清理干净，气体保护焊时，在有条件的情况下，可以在气体中适当加入一些氢气，以提高保护气体的还原性，减少气孔产生，如在焊接材料中适当加入铝和钛，也有利于减少焊缝中的气体。
　　4、镍基合金焊材的应用
　　4.1在核电工业的应用
　　核能发电的关键装备是核反应堆压力容器和蒸汽发生器。其中蒸汽发生器的上千根镍基合金换热管要与厚度约为500mm、直径约为4500mm带有镍基合金堆焊层的大型管板焊接。由于这些焊缝常年在纯水的环境下工作，所以如何选用合适的焊材经过了一条漫长的道路。
　　20世纪50年代到80年代，一般采用INCONEL600及600T合金材料和INCONEL82填充金属以及INCONEL182焊条来制作蒸汽发生器，但是在70年代后期发现，上述焊缝中出现了晶间应力腐蚀裂纹（IGSCC），因此转而研究其他镍基焊材。
　　20世纪90年代末期，美国海军研究十组在适用30%Cr焊丝时又发现了异种不寻常的开裂。这是一种在焊后产生的冷裂纹（DDP），在这种开裂裂口处经常出现微小的再结晶晶粒。
　　最近SMC公司推出了异种根本解决IGSCC和DDP开裂的新材料---INCONEL52M焊丝和INCONEL152M焊条。这是一种含30%Cr以及B和Zr的焊接材料，除了具有防止IGSCC和DDP开裂的功能外，还具有更强的防止根部开裂能力。
　　4.2在火电工业中的应用
　　为了抑制低氮氧化合物的形成（NO2），通常采用一种特种燃烧器使煤得不到充分燃烧。但这会带来一个副作用，既由于煤的不完全燃烧而产生H2S，而H2S会对锅炉内壁产生严重腐蚀，其腐蚀率每年可达1.5-2.3mm，为此电厂需要经常停机对锅炉进行维修。
　　6年来，SMC公司使用ERNiCrMo-10焊材（既INCONEL622填充金属）在降低上述腐蚀危害方面发挥了卓越的作用。传统的做法是将这些焊材用TIG焊接方法以及低的熔敷率堆焊在锅炉的水冷壁上。由于堆焊工作量大，后来则采用全自动带专门控制程序的TIG焊工艺。
　　参考文献
　　[1]余燕,吴祖乾.焊接材料选用手册,上海,上海科学技术文献出版社.2005.
　　[2] John C.lippold, Damian J.Kotecki. Welding metallurgy and weldability of stainless,1 edition,Wiley-Interscience,2005.
　　[3] 杨富，新型耐热钢焊接，北京，北京电力出版社，2006.