鎳及鎳基合金焊接

1、鎳及鎳基合金的焊接鎳及鎳基合金的焊接 鎳及鎳基合金是隨著航空、宇航、核能和石油化工工業(yè)的興起而迅速發(fā)展起來的?，F(xiàn)已成為上述工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的重要材料。 鎳及鎳基合金不僅在高溫具有熱強性，在介質(zhì)作用下還具有高的耐蝕性能。所以，目前在航空發(fā)動機上所需要鎳合金材料約占整體結(jié)構(gòu)材料的60。如發(fā)動機的燃燒室、火箭葉片、導(dǎo)向 葉片等均采用鎳基合金的焊接結(jié)構(gòu)，因而鎳基合金的焊接技術(shù)及其專用焊接材料等在航空結(jié)構(gòu)制造中已占據(jù)著重要地位。鎳基合金在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用鎳基合金在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用過程或裝置名稱流體條件構(gòu)成材料裝置的產(chǎn)品或目的溫度壓力MPa組成熱分解過程乙烯裂解700-9500.20-0.49

2、碳氫化合物蒸汽、氫、乙烯Incoloy800合金HK40,HP乙烯接觸轉(zhuǎn)換過程水蒸汽接觸轉(zhuǎn)換制氫裝置350-9500.49-4.9蒸汽(50%)氫(35%)CO2,甲烷,COHK40, Incoloy800合金SUS310S,SUS316氫城市燃氣 脫烴600-7001.96-4.90氫(50%)碳氫化合物Cr-Mo鋼SUS316Incoloy800合金苯部分氧化(合成氣)800-9000.98-2.94氫(60%)CO(35%)CO2,甲烷HK40Incoloy800合金氫城市燃氣高溫氣冷卻爐800-12001.96-4.90氦Incoloy800合金HK40Inconel600合金能源主要

3、內(nèi)容主要內(nèi)容 第一節(jié)第一節(jié) 鎳及鎳基合金種類及特性鎳及鎳基合金種類及特性 第二節(jié)第二節(jié) 鎳及鎳基合金焊接性分析鎳及鎳基合金焊接性分析 第三節(jié)第三節(jié) 鎳及鎳合金的焊接工藝鎳及鎳合金的焊接工藝 一、鎳與鎳基合金的分類及其應(yīng)用一、鎳與鎳基合金的分類及其應(yīng)用 1按合金元素分 (1)工業(yè)純鎳 工業(yè)純鎳色較銀略微黃而有光澤。它具有優(yōu)良的塑性和韌性。還具有耐大氣、堿、淡水之銹蝕能力。在工業(yè)生產(chǎn)中純鎳多是以壓延型的板材用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。其鎳成分占99以上，它的含碳量不超過O.3。它在高溫中比較穩(wěn)定，有一定的熱強性。目前工業(yè)純鎳結(jié)構(gòu)件在航空飛機、宇航飛機上的燃燒室，燃燒汽輪機、核反應(yīng)堆的換熱器等結(jié)構(gòu)上被廣泛地應(yīng)用。

4、 （2)鎳基合金 鎳基合金是在純鎳中加入Cu、Cr、Mo、Nb、W等合金元素的鎳基合金如Ni-Cu、Ni-Cr-Fe、Ni-Cr-Mo和Ni-Cr-Mo-Cu等系列合金。鎳基合金 蒙乃爾合金 Ni-Cu合金是Cu對Ni為無限固溶的鎳基合金，是一種耐蝕合金 Ni-Cr、 Ni-Cr-Fe型合金 Ni含量較多，大約有70以上。一般將這種合金稱為因康鎳(Inconel)合金。 Ni-Fe-Cr型合金 稱為Incoloy合金，也常叫鐵鎳基合金。一般合金中Ni30%5，而Ni+Fe65。這一類鐵鎳基合金的綜合性能良好，尤其是耐介質(zhì)腐蝕性能更為優(yōu)良。 2按合金強化方式分 (1)非熱處理強化的工業(yè)純鎳 這類

5、純鎳金屬，不加入任何合金元素，不能用熱處理來使之提高強度。如Ni200系列純鎳等，這種工業(yè)純鎳，根據(jù)純鎳本身的特性，多用于火箭發(fā)動機構(gòu)件、耐腐蝕的蒸發(fā)器、聲納設(shè)備中的元件、點火塞極和電子管陰極等，其應(yīng)用也很廣泛。 (2)固溶強化合金 這類合金是加人適當(dāng)少量的合金元素如Al、Cr、Cu、Fe、Mo、Ti、w、v、Nb以及稀土合金等。采用高溫固溶處理方法來提高合金的強度。 (3)沉淀強化鎳基合金 這類合金是加入合金元素之后，采用固溶處理，再加上時效處理，來達到提高強度的目的。研制這類合金主要是適應(yīng)高溫高應(yīng)力狀態(tài)下的工作條件。 (4)彌散強化合金 這類合金主要是以氧化釷彌散強化的鎳基合金，如TD-N

6、i和DS-Ni等。合金中約有2的氧化釷和98的Ni，氧化物呈彌散分布于合金的基體中，使其抗拉強度有顯著的提高。含Cr為20左右的Ni-Cr型TD-NiCr合金與TD-Ni合金相比，具有更高的強度和耐蝕性。 3按合金成形方式來分 (1)變形鎳基合金 這類合金主要是以壓力加工成形的鎳基合金，可軋制成薄板和其它小形軋件等。因此，這種合金的特點，它具有較高的熱穩(wěn)定性和熱強性。固溶處理后的鎳基合金具有良好的塑韌性，可承受高溫動載荷，還可進行沖壓加工。組成焊接結(jié)構(gòu)件是生產(chǎn)中常見的。 (2)鑄造鎳基合金 采用鑄造工藝將鎳基合金鑄造成有一定形狀和尺寸的設(shè)備構(gòu)件。在生產(chǎn)中多是采用精密成型的鑄造方法。其合金仍具有

7、良好的熱強性和焊接性。由于鑄造合金的鑄造性組織，加上易于出現(xiàn)鑄造缺陷，所以，鑄造合金的應(yīng)用沒有變形合金多。二、鎳及鎳基合金的合金化二、鎳及鎳基合金的合金化 1合金元素對鎳合金的作用 (1)硫的影響 焊接鎳合金時，硫?qū)缚p金屬的影響比其它的合金材料更為敏感。其影響的首要問題是焊縫金屬結(jié)晶裂紋的問題。 (2)鎂的影響 鎂在鎳及鎳合金中能形成鎂的硫化物，它的熔點比一般硫化物高得多。因此，硫的凝固可由鎂來促成，這可以減少硫的有害作用。 (3)鈮的影響 鈮加入鎳合金中可明顯地減少熱裂紋的出現(xiàn)。 (4)鉛的影響 鉛在鎳合金中是不利的元素主要是易于引起焊接熱裂紋。也就是所說的鉛的脆化。 (5)磷的影響 磷對

8、鎳合金的影響與硫、鉛相似。它在合金中雖含量很少，但不能低估它的有害作用、磷在合金中主要是與鎳形成低熔點共晶物，偏析于晶界，增大半熔化區(qū)寬度，促使裂紋傾向增大。 (6)硼的影響 硼在鎳合金中對改善高溫機械性能、提高強度是有利的，但也有不利的作用.在鎳合金焊縫金屬和熱影響區(qū)中，當(dāng)含量超過限量時，硼與鎳可形成低熔點共晶體，同時它還可參與其合金元素形成低熔點物，有增加熱裂紋傾向。 (7)鋯的影響 在鎳基合金中鋯的作用與硼相似，如果加入少量的鋯，可以提高鎳合金的高溫機械性能和提高斷裂韌性。如果含量過多時，尤其是在焊接條件下，在焊縫金屬中更易于偏析，增加熱裂紋傾向。 (8)碳的影響 碳在鎳合金中呈間隙強化

9、元素，與鎳合金中的Mo、Cr、Nb等碳化物元素形成碳化物起到強化作用。碳在無鉻鎳合金中，在焊接高溫條件下，在熱影響區(qū)晶粒邊界可析出形成顆粒狀的石墨，可降低熱影響區(qū)的塑性。另外，對Ni-Cr、Ni-Cr-Fe等合金中，可增加晶間腐蝕敏化程度。如果合金中加入鈦和鈮起穩(wěn)定作用，可不會增加晶間腐蝕傾向。采用超低碳的鎳鉻合金也會得到同樣的效果。 (9)鉬的影響 鉬在鎳及鎳基合金中是碳化物形成元素，它可明顯的起到固溶強化和時效強化作用，而且也提高合金的熱強性，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鉬。 (10)硅的影響 硅在鎳基合金中都控制在較低的含量。因為硅在鎳合金易引

10、起熱裂紋，尤其是在高Ni-Cr合金硅的作用更為敏感。同時硅含量過高時還明顯的降低塑韌性。為防止硅能增加熱裂紋傾向，往往加入鈮元素可抵消硅的不利作用。作者在研制ZNiCrFe-1鎳合金焊條中，一方面控制硅含量,另一方面加入鈮元素，可大大提高抗裂性能。 (11)鋁的影響 鋁作為脫氧劑加入鎳合金中產(chǎn)生氧化物還可起到時效硬化作用。所以，在高鎳合金中的鋁都是以起到時效硬化效應(yīng)才加入的。在焊鎳合金時，鋁也是焊接材料中的添加劑，使焊縫金屬的性能得到提高，與基本金屬性能相匹配。但鋁含量不能過多，否則降低焊縫金屬性能。 (12)鈦的影響 鈦是鎳合金中不可缺少的合金化元素之一。它與鋁很相似，既可脫氧產(chǎn)生氧化物又可

11、產(chǎn)生時效硬化作用，同時可減少焊縫金屬產(chǎn)生疏松、氣孔等缺陷。但含量不能太多，僅是微量的成分。 (13)稀土的影響 稀土合金多是鈰、讕、鈣等稀土氧化物bu入鎳合金的。它可起到凈化作用，如對除氫、氧、氮等氣體十分有效。同時可以改善氧化物在晶界中的分布形態(tài)，對高鎳合金提高持久強度非常有利。 2基體的固溶強化 3金屬間化合物析出強化 4晶界強化 (1)通過熱處理改變晶界狀態(tài)； (2)控制晶界成分； (3)形成碳化物和其它化合物的有利形態(tài)。 5鎳基合金的組織特征 (1)鐵鎳基合金 鐵鎳基合金中組織結(jié)構(gòu)，除了相單一組織外，還有了相強化相及碳化物等組成 (2)鎳基合金 一般的鎳基合金中，除了有各種碳化物、氮化

12、物、碳氮化合物以外，還可能有Laves相、相、相和二次強化相等。 三、鎳基合金的熱處理及性能 固溶強化型鎳基合金一般只能進行固溶強化處理。通過固溶處理后的合金能獲得晶粒大小適度和組織均勻的固溶體組織。 沉淀強化型合金固溶處理后都要經(jīng)過時效處理。 固溶處理的目的是使基體內(nèi)的碳化物、相等均能溶解到基體中，形成均勻的固溶體組織，為時效處理作好準(zhǔn)備。固溶處理溫度范圍一般為1040l230。固溶處理后再經(jīng)時效處理。時效處理過程中可以充分均勻地析出強化相。時效處理的溫度一般為7001000范圍。時效溫度的確定取決于強化相的成分及性能。 第二節(jié)第二節(jié) 鎳及鎳基合金焊接性分析鎳及鎳基合金焊接性分析 一、焊接熱

13、裂紋 1. 結(jié)晶裂紋 2多邊化裂紋 3. 液化裂紋 二、應(yīng)變時效裂紋 三、焊接接頭的等強度問題 四、氣 孔一、焊接熱裂紋一、焊接熱裂紋 1，結(jié)晶裂紋 鎳及鎳基耐蝕合金、鎳基高溫合金在焊接過程中，焊縫金屬具有較大的結(jié)晶裂紋傾向。主要與下列因素有關(guān)。 工業(yè)純鎳、鎳基耐蝕合金和鎳基高溫合金中的合金元素較多，組織又是單相奧氏體組織對合金元素的溶解度是有限的。這些合金元素與基體中的Ni和Fe作用，而生成低熔點共晶體，偏析于晶界，在焊接應(yīng)力作用下而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。 加上焊縫金屬在凝固時，形成方向很強的單相奧氏體柱狀晶體，當(dāng)?shù)腿埸c合金偏析于柱狀晶體之間時，在焊接應(yīng)力作用下，極易產(chǎn)生晶間開裂。 S、P、Si是造

14、成晶間低熔點液膜的主要元素。 2多邊化裂紋 多邊化裂紋是屬于熱裂紋中的另一種形態(tài)，一船是微裂紋。當(dāng)然在應(yīng)力作用下，嚴(yán)重時也可擴展成宏觀裂紋。 多邊化裂紋是由于空位、位錯的移動和聚集，在二次邊界上成核，并擴展而成為沿多邊化邊界開裂的一種裂紋。常發(fā)生在重復(fù)受熱多層焊焊縫中，其部位并不靠近熔合區(qū)。 3，液化裂紋 鎳及鎳基合金焊接中產(chǎn)生液化裂紋是常見的一種熱裂紋缺陷。它是沿奧氏體晶界開裂的微小裂紋，多發(fā)生在焊縫中的熔合區(qū)和多層焊的層間過熱區(qū)內(nèi)。這種液化裂紋對鎳基合金來說是很敏感的，應(yīng)引起重視。二、應(yīng)變時效裂紋二、應(yīng)變時效裂紋 應(yīng)變時效裂紋常出現(xiàn)在沉淀強化型鎳基合金的焊接結(jié)構(gòu)，它是在焊后加熱過程中，隨著

15、殘余應(yīng)力的松弛和材料的二次硬化相析出時，接頭的應(yīng)變能力不足以承受金屬內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變而引起的一種裂紋，這種裂紋稱為應(yīng)變時效裂紋。實際上也應(yīng)屬于再熱裂紋的范圍。 鎳基合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變時效裂紋也是沿晶界生核和逐漸擴展，具有晶間開裂的特征。這種應(yīng)變時效裂紋一般常是起源于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，而逐漸延伸至接頭的細晶區(qū)。它的產(chǎn)生原因是與晶內(nèi)強化和晶間弱化的程度有關(guān)。三、焊接接頭的等強度問題三、焊接接頭的等強度問題 鎳基合金的焊接接頭在一般焊態(tài)下均達不到與母材等強度的要求，不論是固溶強化的合金或是沉淀強化合金，其接頭的高強度和塑性與母材相比均有所下降。 在固溶強化型合金中的Al、Ti含量較低，在焊接過程中，熱影

16、響區(qū)的高溫部位，也可能出現(xiàn)沉淀硬化現(xiàn)象。尤其是較長時間的時效條件下使用時，這種硬化現(xiàn)象，將影響接頭性能，也應(yīng)引起重視 。 鎳及鎳基合金焊接過程中接頭熱影響區(qū)普遍存在著過熱晶粒長大，而塑韌性降低,一般是用熱處理方法也得不到適當(dāng)?shù)母纳?，過熱區(qū)越寬，這種影響也越大 。 鎳基合金若是在時效狀態(tài)施焊時，在高溫過熱區(qū)中會有部分重新固溶狀態(tài)，實際上這部分就形成了軟化，而使其強度降低。四、氣四、氣 孔孔 鎳及鎳基合金時，形成氣孔的敏感性較強。 焊接表面的潮氣、油垢、氧化物等，如清理不凈， 鎳及合金焊接時，熔池的流動性較差，有時可產(chǎn)生較大的氣孔大。這些氣孔多位于熔合線附近。 生產(chǎn)實踐表明，只要對焊件進行清理，選

17、定合適的焊接材料，采用合理的焊接規(guī)范，一般是防止氣孔的產(chǎn)生。第三節(jié)第三節(jié) 鎳及鎳合金的焊接工藝鎳及鎳合金的焊接工藝 一、焊接方法的選擇 根據(jù)鎳及鎳合金可焊性特點，焊接工藝方法的選擇是否能焊好鎳及鎳合金材料的關(guān)鍵。 生產(chǎn)實踐證明，焊接這種材料的方法可有多種，可根據(jù)不同的生產(chǎn)條件和結(jié)構(gòu)性能的要求，可以選擇不同的焊接方法。諸如：焊條電弧焊、埋弧自動焊、TIG、MIG、擴散焊、電阻點焊、縫焊及對焊等；還可以采用等離子弧焊、電子束焊以及釬焊等方法。但在生產(chǎn)中應(yīng)用比較多的是鎢極氬弧焊（TIG）和焊條電弧焊。 二、焊前準(zhǔn)備 首先焊前必須清除工件表面上的油脂、漆和油垢，還有氧化膜等污物。 表面上氧化膜及污點，

18、在加熱氣氛中表面上也會形成還原性氧化物。 鎳基合金熔化焊與焊接鋼相比有低熔透性的特點，熔池小，熔附金屬流動性差。從焊接性能來看，不宜采用大的線能量來增加熔透性，以防止焊接材料過熱，使脫氧元素過多的燒損以及焊接熔池過分?jǐn)噭铀鶎?dǎo)致的焊縫成型不良。為保證熔透，應(yīng)選用大坡口角度和小鈍邊的接頭形式。 三、預(yù)熱和焊后熱處理 軋制的鎳基合金一般不需預(yù)熱，但當(dāng)母材溫度低于15以下時，應(yīng)對接頭兩側(cè)250-300mm寬的區(qū)域加熱15-20，以免濕氣冷凝導(dǎo)致焊縫氣孔。 層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，生產(chǎn)實踐中大都控制在100以下，以減少過熱。 雖然有時為保證使用中不發(fā)生晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕而采取穩(wěn)定化處理，但一般不推薦焊后熱處

19、理。四、鎢極氬弧焊焊接工藝鎢極氬弧焊是鎳基合金生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的焊接方法，一般采用直流正極性，高頻引弧以及電流衰減，延時斷氣的焊接技術(shù)。氬氣作為保護氣體，要求必須干燥而且純度要高，同時背面應(yīng)通以氬氣保護。 鎢極通常采用鈰鎢極，磨成尖部直徑0.4mm，夾角30-60度的尖狀，可保證電弧穩(wěn)定和足夠的熔深。應(yīng)注意避免鎢極與熔池相接觸，尖端污染必須磨掉。焊絲選擇是決定焊接接頭質(zhì)量和性能的關(guān)鍵。TIG用的焊絲大多與母材成分相當(dāng)。 （）工藝特點 施焊時應(yīng)采取短弧、快速焊。 操作時可作微小擺動，但應(yīng)掌握好焊炬和焊絲的角度。 多層焊時應(yīng)控制層間溫度，不超過100。 注意填滿弧坑。 線能量在保證熔透的前提下盡可

20、能小。 鎳基合金焊接熔池液態(tài)金屬的流動性差，熔深淺，焊接時應(yīng)注意對熔池的觀察，防止氣孔、未焊透等缺陷的產(chǎn)生，焊后應(yīng)采取快速冷卻的措施。 五、焊條電弧焊工藝 為避免焊條和焊縫金屬過熱，減少焊接應(yīng)力，應(yīng)采取小直徑焊條、選用小電流、短弧法施焊。 由于熔池金屬流動性差，為防止未熔合、氣孔等缺陷，一般要求在焊接過程中焊條適當(dāng)擺動，把熔化金屬送到坡口合適位置。 接頭再引弧時采用反向引弧技術(shù)，以抑制氣孔等缺陷的產(chǎn)生。部分高溫鎳基合金焊條成分、工藝特點及應(yīng)用部分高溫鎳基合金焊條成分、工藝特點及應(yīng)用 焊條牌號 焊縫金屬成分 焊接工藝特點 應(yīng) 用Ni307Cr15,Mo2-3Nb3-5,Fe7Ni70焊縫金屬具有

21、良好的耐熱、耐蝕、抗裂性用于耐熱、耐蝕的鎳基合金焊接，亦可用于異種金屬焊接Ni317Mn0.7-1.7Cr13.5-16.5Nb0-3,Mo9.6-11Ni68-78焊縫金屬具有良好的耐熱、耐蝕、抗裂性用于鎳基合金的焊接也可用于異種鋼的焊接和過渡層的堆焊Ni307BCr14-17,Mn7.5Nb2-3,Fe10C0.08,Si0.5Ni70是低氫型Ni70Cr15型耐熱合金，具有高的抗裂性用于耐熱合金和耐蝕合金Ni132（EniCrFe-1）(Inconel135)Cr13-17,Cu0.5Nb1.5-4,Mn3.5Fe6-11,Si0.75C0.08,Ni余量低氫型焊條工藝性良好，抗裂性好。

22、用于Inconel600及其它鎳基合金焊接Ni133（ENiCr-1）Cr17-21,Nb1.5-4Mn3.5Fe4,Si0.75C0.08,Ni余量低氫型焊條工藝性良好，抗裂性好。用于Inconel600，800鎳基合金焊接和鐵鎳基合金的焊接Ni182（ENiCrFe-3）(Inconel182)Cr13-17, Nb1.-2.5Mn5-9,Si1.0Fe6-10,Ti1.0C1.0,Ni余量低氫型焊條工藝性良好，抗裂性好。用于Inconel600，800鎳基合金焊接和異種不銹鋼焊接及堆焊鎳基高溫合金焊接工程實例鎳基高溫合金焊接工程實例 1.合成氨裝置的氣化爐中Incoloy825鎳基合金焊

23、接。 設(shè)計壓力6.9MPa,工作壓力6.5Mpa，設(shè)計溫度870，工作溫度852氣化爐長期處于高溫、高壓及腐蝕介質(zhì)下工作。 焊接方法采用手工鎢極氬弧焊，焊絲WELTIG82（2.4）母材和焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見下表 :化學(xué)成分（%）CSiMnSCrNiMoTiCuFeAl0.030.200.50-0.750.0219.0-21.5423.00.9-1.22.230.40.1 力 學(xué) 性 能sMPabMPa(%)硬度HV24062050120-180鋼鋼 材材焊焊 材材CSiMnSpCr1.00.52.5-3.50.0150.0319.0-21.5NiTiCuFeNb+Ta420.9-1.2

24、2.230.42.0-3.0 焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù) 焊接電流 （A）電弧電壓 （V）氬氣流量（L/Min）電源極性 正 面 背 面120-14012-1410-1220-24直流正接母材及厚度（mm）力學(xué)性能金相組織b (Mpa)彎曲 （D=4a）焊縫熱影響區(qū)母材Incoloy825（12mm）749斷在焊口面彎180合格背彎180合格A+FA+FAIncoloy825Incoloy825鎳基合金對接接頭檢驗結(jié)果鎳基合金對接接頭檢驗結(jié)果 2.2.吐哈項目甲醇廠制氫轉(zhuǎn)化爐吐哈項目甲醇廠制氫轉(zhuǎn)化爐鎳基高溫合金的焊接鎳基高溫合金的焊接 吐哈甲醇廠改造工程中，制氫轉(zhuǎn)化爐爐管采用Incoloy800H鎳基高溫合金，并涉及到I n c o l o y 8 0 0 H 與 珠 光 體 耐 熱 鋼 的 焊 接（A335P11等）。 Iocoloy800型合金有兩種，以耐蝕為目的的固溶溫度較低的GRADE1和以