镍及镍合金焊接性能研究

镍及镍合金焊接性能研究

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.