镍及镍基合金焊接

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。
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。
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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。
• 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。
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。
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。
HK40, Incoloy800合金 SUS310S, SUS316
Cr-Mo钢 SUS316 Incoloy800合金 HK40 Incoloy800合金 Incoloy800合金 HK40 Inconel600合金
氢 城市燃气
脱烃
600-700
1.96-4.90
氢(50%) 碳氢化合物
氢(60%) CO(35%) CO2,甲烷
• (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。
• (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。
• (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NiCr,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。
镍基合金在石油化工领域中的应用
流体条件
过程或装置名称 构成材料
温度℃
热分解过程 乙烯裂解 700-950
压力MPa
0.20-0.49
组成
碳氢化合物 蒸汽、氢、乙烯 Incoloy800合金 HK40,HP
装置的产 品或目的
乙烯
接触转换过程水 蒸汽接触转换 制氢装置
350-950
0.49-4.9
蒸汽(50%) 氢(35%) CO2,甲烷,CO
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。
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
• 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．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。
苯
部分氧化 (合成气)
800-900
0.98-2.94
氢 城市燃气
高温气冷 却炉
800-1200
1.96-4.90
氦Βιβλιοθήκη Baidu
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、NiCr-Fe、Ni-Cr-Mo和Ni-Cr-Mo-Cu等系列合金。
第二节
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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。
• (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DSNi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。
• 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。