镍及镍基合金焊接

1、镍及镍基合金的焊接镍及镍基合金的焊接 镍及镍基合金是随着航空、宇航、核 能和石油化工工业的兴起而迅速发展 起来的。现已成为上述工业生产领域 不可缺少的重要材料。 镍及镍基合金不仅在高温具有热强性， 在介质作用下还具有高的耐蚀性能。 所以，目前在航空发动机上所需要镍 合金材料约占整体结构材料的60。 如发动机的燃烧室、火箭叶片、导向 叶片等均采用镍基合金的焊接结构， 因而镍基合金的焊接技术及其专用焊 接材料等在航空结构制造中已占据着 重要地位。 镍基合金在石油化工领域中的应用镍基合金在石油化工领域中的应用 过程或装置名称 流体条件 构成材料 装置的产 品或目的 温度压力MPa组成 热分解过程 乙

2、烯裂解 700-9500.20-0.49 碳氢化合物 蒸汽、氢、乙烯 Incoloy800合金 HK40,HP 乙烯 接触转换过程水 蒸汽接触转换 制氢装置 350-9500.49-4.9 蒸汽(50%) 氢(35%) CO2,甲烷,CO HK40, Incoloy800合金 SUS310S, SUS316 氢 城市燃气 脱烃600-7001.96-4.90 氢(50%) 碳氢化合物 Cr-Mo钢 SUS316 Incoloy800合金 苯 部分氧化 (合成气) 800-9000.98-2.94 氢(60%) CO(35%) CO2,甲烷 HK40 Incoloy800合金 氢 城市燃气 高温

3、气冷 却炉 800-12001.96-4.90氦 Incoloy800合金 HK40 Inconel600合金 能源 主要内容主要内容 第一节第一节 镍及镍基合金种类及特性镍及镍基合金种类及特性 第二节第二节 镍及镍基合金焊接性分析镍及镍基合金焊接性分析 第三节第三节 镍及镍合金的焊接工艺镍及镍合金的焊接工艺 一、镍与镍基合金的分类及其应用一、镍与镍基合金的分类及其应用 1按合金元素分 (1)工业纯镍 工业纯镍色较银略微黄而有光泽。 它具有优良的塑性和韧性。还具有耐大气、碱、 淡水之锈蚀能力。在工业生产中纯镍多是以压延 型的板材用于产品结构。其镍成分占99以上， 它的含碳量不超过O.3。它在高

4、温中比较稳定， 有一定的热强性。目前工业纯镍结构件在航空飞 机、宇航飞机上的燃烧室，燃烧汽轮机、核反应 堆的换热器等结构上被广泛地应用。 （2)镍基合金 镍基合金是在纯镍中加入Cu、Cr、 Mo、Nb、W等合金元素的镍基合金如Ni-Cu、Ni- Cr-Fe、Ni-Cr-Mo和Ni-Cr-Mo-Cu等系列合金。 镍基合金 蒙乃尔合金 Ni-Cu合金是Cu对Ni为无限固 溶的镍基合金，是一种耐蚀合金 Ni-Cr、 Ni-Cr-Fe型合金 Ni含量较多，大 约有70以上。一般将这种合金称为因康镍 (Inconel)合金。 Ni-Fe-Cr型合金 称为Incoloy合金，也 常叫铁镍基合金。一般合金中

5、Ni30%5， 而Ni+Fe65。这一类铁镍基合金的综合性 能良好，尤其是耐介质腐蚀性能更为优良。 2按合金强化方式分 (1)非热处理强化的工业纯镍 这类纯镍 金属，不加入任何合金元素，不能用热处 理来使之提高强度。如Ni200系列纯镍等， 这种工业纯镍，根据纯镍本身的特性，多 用于火箭发动机构件、耐腐蚀的蒸发器、 声纳设备中的元件、点火塞极和电子管阴 极等，其应用也很广泛。 (2)固溶强化合金 这类合金是加人适当 少量的合金元素如Al、Cr、Cu、Fe、Mo、 Ti、w、v、Nb以及稀土合金等。采用高温 固溶处理方法来提高合金的强度。 (3)沉淀强化镍基合金 这类合金是加入 合金元素之后，采

6、用固溶处理，再加上时 效处理，来达到提高强度的目的。研制这 类合金主要是适应高温高应力状态下的工 作条件。 (4)弥散强化合金 这类合金主要是以氧 化钍弥散强化的镍基合金，如TD-Ni和DS- Ni等。合金中约有2的氧化钍和98的Ni， 氧化物呈弥散分布于合金的基体中，使其 抗拉强度有显著的提高。含Cr为20左右 的Ni-Cr型TD-NiCr合金与TD-Ni合金相比， 具有更高的强度和耐蚀性。 3按合金成形方式来分 (1)变形镍基合金 这类合金主要是以压力加工成 形的镍基合金，可轧制成薄板和其它小形轧件等。 因此，这种合金的特点，它具有较高的热稳定性 和热强性。固溶处理后的镍基合金具有良好的塑

7、 韧性，可承受高温动载荷，还可进行冲压加工。 组成焊接结构件是生产中常见的。 (2)铸造镍基合金 采用铸造工艺将镍基合金铸造 成有一定形状和尺寸的设备构件。在生产中多是 采用精密成型的铸造方法。其合金仍具有良好的 热强性和焊接性。由于铸造合金的铸造性组织， 加上易于出现铸造缺陷，所以，铸造合金的应用 没有变形合金多。 二、镍及镍基合金的合金化二、镍及镍基合金的合金化 1合金元素对镍合金的作用 (1)硫的影响 焊接镍合金时，硫对焊缝金 属的影响比其它的合金材料更为敏感。其 影响的首要问题是焊缝金属结晶裂纹的问 题。 (2)镁的影响 镁在镍及镍合金中能形成镁 的硫化物，它的熔点比一般硫化物高得多。

8、 因此，硫的凝固可由镁来促成，这可以减 少硫的有害作用。 (3)铌的影响 铌加入镍合金中可明显地减 少热裂纹的出现。 (4)铅的影响 铅在镍合金中是不利的元素主要是易 于引起焊接热裂纹。也就是所说的铅的脆化。 (5)磷的影响 磷对镍合金的影响与硫、铅相似。它在 合金中虽含量很少，但不能低估它的有害作用、磷在合 金中主要是与镍形成低熔点共晶物，偏析于晶界，增大 半熔化区宽度，促使裂纹倾向增大。 (6)硼的影响 硼在镍合金中对改善高温机械性能、提高 强度是有利的，但也有不利的作用.在镍合金焊缝金属和 热影响区中，当含量超过限量时，硼与镍可形成低熔点 共晶体，同时它还可参与其合金元素形成低熔点物，有

9、 增加热裂纹倾向。 (7)锆的影响 在镍基合金中锆的作用与硼相似，如果 加入少量的锆，可以提高镍合金的高温机械性能和提高 断裂韧性。如果含量过多时，尤其是在焊接条件下，在 焊缝金属中更易于偏析，增加热裂纹倾向。 (8)碳的影响 碳在镍合金中呈间隙强化元素，与镍合 金中的Mo、Cr、Nb等碳化物元素形成碳化物起到强化作 用。碳在无铬镍合金中，在焊接高温条件下，在热影响 区晶粒边界可析出形成颗粒状的石墨，可降低热影响区 的塑性。另外，对Ni-Cr、Ni-Cr-Fe等合金中，可增加 晶间腐蚀敏化程度。如果合金中加入钛和铌起稳定作用， 可不会增加晶间腐蚀倾向。采用超低碳的镍铬合金也会 得到同样的效果。

10、 (9)钼的影响 钼在镍及镍基合金中是碳化物形成元素， 它可明显的起到固溶强化和时效强化作用，而且也提高 合金的热强性，是非常有利的元素。所以，在Ni- Cr,Ni-Cr-Fe合金都加入一定量的钼。 (10)硅的影响 硅在镍基合金中都控制在较低的含量。 因为硅在镍合金易引起热裂纹，尤其是在高Ni-Cr合金 硅的作用更为敏感。同时硅含量过高时还明显的降低塑 韧性。为防止硅能增加热裂纹倾向，往往加入铌元素可 抵消硅的不利作用。作者在研制ZNiCrFe-1镍合金焊条 中，一方面控制硅含量,另一方面加入铌元素，可大大 提高抗裂性能。 (11)铝的影响 铝作为脱氧剂加入镍合金中产生氧 化物还可起到时效硬

11、化作用。所以，在高镍合金中的铝 都是以起到时效硬化效应才加入的。在焊镍合金时，铝 也是焊接材料中的添加剂，使焊缝金属的性能得到提高， 与基本金属性能相匹配。但铝含量不能过多，否则降低 焊缝金属性能。 (12)钛的影响 钛是镍合金中不可缺少的合金化元素之 一。它与铝很相似，既可脱氧产生氧化物又可产生时效 硬化作用，同时可减少焊缝金属产生疏松、气孔等缺陷。 但含量不能太多，仅是微量的成分。 (13)稀土的影响 稀土合金多是铈、谰、钙等稀土氧化 物bu入镍合金的。它可起到净化作用，如对除氢、氧、 氮等气体十分有效。同时可以改善氧化物在晶界中的分 布形态，对高镍合金提高持久强度非常有利。 2基体的固溶

12、强化 3金属间化合物析出强化 4晶界强化 (1)通过热处理改变晶界状态； (2)控制晶界成分； (3)形成碳化物和其它化合物的有利形态。 5镍基合金的组织特征 (1)铁镍基合金 铁镍基合金中组织结构， 除了相单一组织外，还有了相强化相及 碳化物等组成 (2)镍基合金 一般的镍基合金中，除了有 各种碳化物、氮化物、碳氮化合物以外，还可 能有Laves相、相、相和二次强化相等。 三、镍基合金的热处理及性能 固溶强化型镍基合金一般只能进行固溶强化处 理。通过固溶处理后的合金能获得晶粒大小适 度和组织均匀的固溶体组织。 沉淀强化型合金固溶处理后都要经过时效处理。 固溶处理的目的是使基体内的碳化物、相

13、等均能溶解到基体中，形成均匀的固溶体组织， 为时效处理作好准备。固溶处理温度范围一般 为1040l230。固溶处理后再经时效处理。 时效处理过程中可以充分均匀地析出强化 相。时效处理的温度一般为7001000范围。 时效温度的确定取决于强化相的成分及性能。 第二节第二节 镍及镍基合金焊接性分析镍及镍基合金焊接性分析 一、焊接热裂纹 1. 结晶裂纹 2多边化裂纹 3. 液化裂纹 二、应变时效裂纹 三、焊接接头的等强度问题 四、气 孔 一、焊接热裂纹一、焊接热裂纹 1，结晶裂纹 镍及镍基耐蚀合金、镍基高温合金在焊接过程 中，焊缝金属具有较大的结晶裂纹倾向。主要 与下列因素有关。 工业纯镍、镍基耐蚀

14、合金和镍基高温合金中的 合金元素较多，组织又是单相奥氏体组织对合 金元素的溶解度是有限的。这些合金元素与基 体中的Ni和Fe作用，而生成低熔点共晶体，偏 析于晶界，在焊接应力作用下而产生结晶裂纹。 加上焊缝金属在凝固时，形成方向很强的单相 奥氏体柱状晶体，当低熔点合金偏析于柱状晶 体之间时，在焊接应力作用下，极易产生晶间 开裂。 S、P、Si是造成晶间低熔点液膜的主要元素。 2多边化裂纹 多边化裂纹是属于热裂纹中的另一种 形态，一船是微裂纹。当然在应力作 用下，严重时也可扩展成宏观裂纹。 多边化裂纹是由于空位、位错的移动 和聚集，在二次边界上成核，并扩展 而成为沿多边化边界开裂的一种裂纹。 常

15、发生在重复受热多层焊焊缝中，其 部位并不靠近熔合区。 3，液化裂纹 镍及镍基合金焊接中产生液化裂纹是 常见的一种热裂纹缺陷。它是沿奥氏 体晶界开裂的微小裂纹，多发生在焊 缝中的熔合区和多层焊的层间过热区 内。这种液化裂纹对镍基合金来说是 很敏感的，应引起重视。 二、应变时效裂纹二、应变时效裂纹 应变时效裂纹常出现在沉淀强化型镍基合金的 焊接结构，它是在焊后加热过程中，随着残余 应力的松弛和材料的二次硬化相析出时，接头 的应变能力不足以承受金属内部产生的应变而 引起的一种裂纹，这种裂纹称为应变时效裂纹。 实际上也应属于再热裂纹的范围。 镍基合金结构件的应变时效裂纹也是沿晶界生 核和逐渐扩展，具有

16、晶间开裂的特征。这种应 变时效裂纹一般常是起源于热影响区的粗晶区， 而逐渐延伸至接头的细晶区。它的产生原因是 与晶内强化和晶间弱化的程度有关。 三、焊接接头的等强度问题三、焊接接头的等强度问题 镍基合金的焊接接头在一般焊态下均达不到与母材等 强度的要求，不论是固溶强化的合金或是沉淀强化合 金，其接头的高强度和塑性与母材相比均有所下降。 在固溶强化型合金中的Al、Ti含量较低，在焊接过程 中，热影响区的高温部位，也可能出现沉淀硬化现象。 尤其是较长时间的时效条件下使用时，这种硬化现象， 将影响接头性能，也应引起重视 。 镍及镍基合金焊接过程中接头热影响区普遍存在着过 热晶粒长大，而塑韧性降低,一

17、般是用热处理方法也得 不到适当的改善，过热区越宽，这种影响也越大 。 镍基合金若是在时效状态施焊时，在高温过热区中会 有部分重新固溶状态，实际上这部分就形成了软化， 而使其强度降低。 四、气四、气 孔孔 镍及镍基合金时，形成气孔的敏感性较强。 焊接表面的潮气、油垢、氧化物等，如清理 不净， 镍及合金焊接时，熔池的流动性较差，有时 可产生较大的气孔大。这些气孔多位于熔合 线附近。 生产实践表明，只要对焊件进行清理，选定 合适的焊接材料，采用合理的焊接规范，一 般是防止气孔的产生。 第三节第三节 镍及镍合金的焊接工艺镍及镍合金的焊接工艺 一、焊接方法的选择 根据镍及镍合金可焊性特点，焊接工艺方法

18、的选择是否能焊好镍及镍合金材料的关键。 生产实践证明，焊接这种材料的方法可有多 种，可根据不同的生产条件和结构性能的要 求，可以选择不同的焊接方法。诸如：焊条 电弧焊、埋弧自动焊、TIG、MIG、扩散焊、 电阻点焊、缝焊及对焊等；还可以采用等离 子弧焊、电子束焊以及钎焊等方法。但在生 产中应用比较多的是钨极氩弧焊（TIG）和 焊条电弧焊。 二、焊前准备 首先焊前必须清除工件表面上的油脂、漆和 油垢，还有氧化膜等污物。 表面上氧化膜及污点，在加热气氛中表面上 也会形成还原性氧化物。 镍基合金熔化焊与焊接钢相比有低熔透性的 特点，熔池小，熔附金属流动性差。从焊接 性能来看，不宜采用大的线能量来增加

19、熔透 性，以防止焊接材料过热，使脱氧元素过多 的烧损以及焊接熔池过分搅动所导致的焊缝 成型不良。为保证熔透，应选用大坡口角度 和小钝边的接头形式。 三、预热和焊后热处理 轧制的镍基合金一般不需预热，但当母 材温度低于15以下时，应对接头两侧 250-300mm宽的区域加热15-20，以免 湿气冷凝导致焊缝气孔。 层间温度应严格控制，生产实践中大都 控制在100以下，以减少过热。 虽然有时为保证使用中不发生晶间腐蚀 或应力腐蚀而采取稳定化处理，但一般 不推荐焊后热处理。 四、钨极氩弧焊焊接工艺 钨极氩弧焊是镍基合金生产中应用最广泛 的焊接方法，一般采用直流正极性，高频 引弧以及电流衰减，延时断气

20、的焊接技术。 氩气作为保护气体，要求必须干燥而且 纯度要高，同时背面应通以氩气保护。 钨极通常采用铈钨极，磨成尖部直径 0.4mm，夹角30-60度的尖状，可保证电弧 稳定和足够的熔深。应注意避免钨极与熔 池相接触，尖端污染必须磨掉。 焊丝选择是决定焊接接头质量和性能的 关键。TIG用的焊丝大多与母材成分相当。 （）工艺特点 施焊时应采取短弧、快速焊。 操作时可作微小摆动，但应掌握好焊炬和焊 丝的角度。 多层焊时应控制层间温度，不超过100。 注意填满弧坑。 线能量在保证熔透的前提下尽可能小。 镍基合金焊接熔池液态金属的流动性差，熔 深浅，焊接时应注意对熔池的观察，防止气 孔、未焊透等缺陷的产

21、生，焊后应采取快速 冷却的措施。 五、焊条电弧焊工艺 为避免焊条和焊缝金属过热，减少焊接 应力，应采取小直径焊条、选用小电流、 短弧法施焊。 由于熔池金属流动性差，为防止未熔合、 气孔等缺陷，一般要求在焊接过程中焊 条适当摆动，把熔化金属送到坡口合适 位置。 接头再引弧时采用反向引弧技术，以抑 制气孔等缺陷的产生。 部分高温镍基合金焊条成分、工艺特点及应用部分高温镍基合金焊条成分、工艺特点及应用 焊条牌号 焊缝金属成分 焊接工艺特点 应 用 Ni307 Cr15,Mo2-3 Nb3-5,Fe7 Ni70 焊缝金属具有良好 的耐热、 耐蚀、抗裂性 用于耐热、耐蚀的镍基合金焊 接，亦可用于异种金属

22、焊接 Ni317 Mn0.7-1.7 Cr13.5-16.5 Nb0-3,Mo9.6-11 Ni68-78 焊缝金属具有良好 的耐热、 耐蚀、抗裂性 用于镍基合金的焊接也可用于 异种钢的焊接和过渡层的堆焊 Ni307B Cr14-17,Mn7.5 Nb2-3,Fe10 C0.08,Si0.5 Ni70 是低氢型Ni70Cr15型耐 热合金，具有高的抗裂 性 用于耐热合金和耐蚀合金 Ni132 （EniCrFe-1） (Inconel135) Cr13-17,Cu0.5 Nb1.5-4,Mn3.5 Fe6-11,Si0.75 C0.08,Ni余量 低氢型焊条工艺性良好， 抗裂性好。 用于Inco

23、nel600及其它镍基合 金焊接 Ni133 （ENiCr-1） Cr17-21,Nb1.5-4 Mn3.5 Fe4,Si0.75 C0.08,Ni余量 低氢型焊条工艺性良好， 抗裂性好。 用于Inconel600，800镍基合 金焊接和铁镍基合金的焊接 Ni182 （ENiCrFe-3） (Inconel182) Cr13-17, Nb1.-2.5 Mn5-9,Si1.0 Fe6-10,Ti1.0 C1.0,Ni余量 低氢型焊条工艺性良好， 抗裂性好。 用于Inconel600，800镍基合 金焊接和异种不锈钢焊接及堆 焊 镍基高温合金焊接工程实例镍基高温合金焊接工程实例 1.合成氨装置的气

24、化炉中Incoloy825镍 基合金焊接。 设计压力6.9MPa,工作压力6.5Mpa，设 计温度870，工作温度852气化炉长 期处于高温、高压及腐蚀介质下工作。 焊接方法采用手工钨极氩弧焊，焊丝 WELTIG82（2.4）母材和焊材的化学 成分和力学性能见下表 : 化学成分（%） CSiMnSCrNiMoTiCuFeAl 0.030.20 0.50- 0.75 0.02 19.0- 21.5 423.00.9-1.22.230.40.1 力 学 性 能 s MPa b MPa (%) 硬度HV 24062050120-180 钢钢 材材 焊焊 材材 CSiMnSpCr 1.00.52.5-

25、3.50.0150.0319.0-21.5 NiTiCuFeNb+Ta 420.9-1.22.230.42.0-3.0 焊接工艺参数焊接工艺参数 焊接电流 （A） 电弧电压 （V） 氩气流量（L/Min） 电源极性 正 面 背 面 120-14012-1410-1220-24直流正接 母材及厚度 （mm） 力学性能金相组织 b (Mpa) 弯曲 （D=4a） 焊缝热影响区母材 Incoloy825 （12mm） 749 断在焊口 面弯180 合格 背弯180 合格 A+FA+FA Incoloy825Incoloy825镍基合金对接接头检验结果镍基合金对接接头检验结果 2.2.吐哈项目甲醇厂制氢转化炉吐哈项目甲醇厂制氢转化炉 镍基高温合金的焊接镍基高温合金的焊接 吐哈甲醇厂改造工程中，制氢转化炉炉管采 用Incoloy800H镍基高温合金，并涉及到 I n c o l o y 8 0 0 H 与 珠 光 体 耐 热 钢 的 焊 接 （A335P11等）。 Iocoloy800型合金有两种，以耐蚀为目的的 固溶温度较低的GR