镍及镍基合金焊接.

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,COHK40,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SUS316Incoloy800合金苯部分氧化(合成气)800-9000.98-2.94氢(60%)CO(35%)CO2,甲烷HK40Incoloy800合金氢城市燃气高温气冷却炉800-12001.96-4.90氦Incoloy800合金HK40Inconel600合金能源主要内容•第一节镍及镍基合金种类及特性•第二节镍及镍基合金焊接性分析•第三节镍及镍合金的焊接工艺一、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Ni≥30%~5％，而Ni+Fe≥65％。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•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。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。•(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．γ基体的固溶强化•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γ相单一组织外，还有了γ‘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、σ相、η相和二次强化γ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、γ'相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1040℃~l230℃。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γ'强化相。时效处理的温度一般为700℃~1000℃范围。时效温度的确定取决于强化相的成分及性能。第二节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•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•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•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