镍及镍合金的焊接工艺

镍及镍合金的焊接工艺

一、常用镍及镍基合金及其分类

镍及镍基合金具有特殊的物理、力学及耐腐蚀性能，镍基耐蚀合金在200～1090℃范围内能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能，尤其在一些苛刻腐蚀条件下是一般不锈钢所无法取代的优良材料。在镍中添加铬、铜、铁、钼、铝、钛、铌、钨等元素后，通过固溶强化，不但可以改善纯镍的力学性能，而且可适应于各种腐蚀介质下侵蚀，并使之具有优良的耐腐蚀性。

镍基耐蚀合金根据其合金元素的含量和所占比例进行分类和命名，如Ni-Cu合金称为蒙乃尔合金；Ni-Cr-Fe合金中镍含量占优势，称因康镍合金，若铁含量高则称因康洛依合金；对于钼含量较高的Ni-Cr-Mo合金则多数称哈斯特洛依合金，也称海氏合金或哈氏合金。

二、镍及镍合金的焊接特点

1、焊接热裂纹

由于镍基合金为单相奥氏体组织，所以与不锈钢相比，具有高的焊接热裂纹敏感性，特别是焊缝易产生多边化晶间裂纹。这种裂纹为微裂纹，焊后对焊缝进行着色检查时，短时间一般发现不了，但经过一段时间后，才会显露出来。

2、限制热输入

采用高热输入焊接镍基耐蚀合金可能产生不利的影响。在热影响区产生一定程度的退火和晶粒长大，高热输入可能产生过度的偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金现象，易引起热裂纹或降低耐蚀性。

如果热输入过小，会加速焊缝的凝固结晶速度，更易形成多边晶界，在一定应力下有助于多边化裂纹的产生。

3、耐蚀性能

对于大多数镍基耐蚀合金，焊后对耐蚀性能并没有多大影响。通常选择填充材料的化学成分与母材接近。但有些镍基合金焊接加热后对靠近焊缝的热影响区产生有害影响，如Ni-Mo合金通过焊后退火处理来恢复热影响区的耐蚀性，而对于大多数镍基合金不需要通过焊后热处理来恢复耐蚀性。

4、工艺特性

（1）镍及镍基合金液态焊缝金属流动性差，不像钢焊缝金属那样容易润湿展开。由于需要控制接头的焊缝金属，镍基耐蚀合金接头形式与钢不同，接头的坡口角度更大，以便使用摆动工艺。

（2）焊缝金属熔深浅，同样不能通过增大焊接电流来增加熔深，如果电流过大可能引起裂纹和气孔，因此接头钝边的厚度要薄一些。

（3）镍基耐蚀合金一般不需要焊前预热，但当母材温度低于15℃时，应对接头两侧加热到15～20℃。一般不推荐焊后热处理。

三、焊接方法的选用

镍及镍合金适用的焊接方法有：焊条电弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊和等离子弧焊。

四、焊接材料

镍及镍合金焊材的选用原则是应保证焊缝金属的力学性能高于或等于母材规定的限值，当需要时，其耐蚀性能不应低于母材的相应

要求，或力学性能和耐蚀性能满足设计文件规定的技术条件。焊条或焊丝熔敷金属化学成分应与母材相近。为了控制焊接气孔和热裂纹，在焊接材料中一般加入合金元素如钛、锰和铌。

1、焊接镍及镍合金时焊条的选用

镍及镍合金焊条主要用于焊接工业纯镍及高镍合金，也可用于异种金属的焊接及堆焊。镍及镍合金焊接时焊条的选用，主要是根据母材的合金类别来选用相应合金成分的焊条。可以调整化学成分以满足焊接性能的要求，如通过添加合金控制气孔，增加抗热裂纹的能力或改善力学性能；当抗裂性要求高时宜选用含有较高钼、钨的镍铬钼焊条，如ENi6002。镍及镍合金焊条执行GB／T13814—2008《镍及镍合金焊条》。

2、镍基耐蚀合金埋弧焊焊剂及焊丝的选用

可以使用埋弧焊焊接某些固溶镍基耐蚀合金，不推荐使用埋弧焊焊接厚板镍-钼合金，因为焊接高的热输入和低的冷却速度使焊缝延性降低，并且由于焊剂反应引起成分的变化，使耐蚀性能降低。

镍基耐蚀合金焊接时，有类似奥氏体不锈钢焊接时所发生的问题，如热裂纹、气孔和接头晶间腐蚀等，焊接材料的选用应严格控制硅、硫和磷的含量。

（1）焊剂的选用

焊接碳钢和不锈钢用埋弧焊剂，一般不宜用于焊接镍基耐蚀合金，镍基耐蚀合金埋弧焊用焊剂还要往焊缝中添加重要的合金元素。因此，焊剂与焊丝的共同作用应与母材相匹配。

（2）焊丝的选用

选用焊丝应与母材成分相匹配，焊丝成分大多与母材相当，为补偿某些重要合金元素的烧损以及控制焊接气孔和热裂纹，通过焊剂还要添加部分合金。镍及镍合金焊丝执行GB／T15620—2008《镍及镍合金焊丝》。

3、镍基耐蚀合金气体保护焊焊接材料的选用

（1）TIG焊焊接材料的选用

TIG焊已广泛应用于镍基耐蚀合金的焊接及异种镍基合金和镍基合金对Cu-Ni、铜或钢的焊接。特别适用于薄件、小截面工件和焊后不允许有残留熔渣的结构件的焊接。焊接时一般采用直流反接、高频引弧、电流衰减收弧等技术。

保护气体一般选用氩气、氦气或氩气和氦气混合气体。单道焊时可采用Ar＋H25％，有助于消除纯镍焊缝中的气孔。当不加填充焊丝焊接薄件时，用氦气进行保护比氩气具有导热大、向熔池输入热量多、焊速快的优点；但当使用电流小于60A时，宜用氩气进行保护，此时若用氦气则电弧稳定性较差。氩和氦的纯度应不小于99.95％。焊丝的选用一般来说应与母材对应。

焊丝的成分一般略高于母材，以补充焊接过程中合金元素的烧损，并利于控制焊缝中气孔和裂纹的产生。钨极则宜选用铈钨极。

（2）MIG焊焊接材料的选用

镍基耐蚀合金可采用MIG焊。用来焊接固溶强化镍基耐蚀合金，很少用来焊接沉淀硬化耐蚀合金，一般采用氩气或氩气和氦气混合气

体进行保护。由于熔滴过渡形式不同，形成最佳保护的气体也不同。喷射或颗粒状过渡形式时，宜采用纯氩进行保护；短路过渡时宜用Ar＋He（50∶50）混合气体保护；脉冲电弧过渡时宜用Ar＋He（15％～20％）进行保护，可获得最佳保护效果。

焊丝的选用基本上与TIG焊相同，即焊丝成分与被焊母材的成分相匹配。焊丝直径的选用主要取决于熔滴过渡形式和母材厚度，对于喷射过渡宜选用Φ0.8～Φ1.6mm的焊丝，短路过渡一般选用Φ1.2mm 或更细的焊丝。

五、焊接工艺措施

1、坡口和清理

（1）镍及镍合金焊接坡口与钢相比，其特点是坡口角度大，根部间隙大，且钝边高度小。可采用机加工和等离子弧切割加工坡口，但不能使用氧乙炔切割。

（2）单面焊接头，可采取背面放置成形衬垫、背面通保护气体等措施，保证背面焊透和防止氧化。

（3）在任何形式的加热之前，对焊丝、坡口、衬垫、坡口两侧母材表面及与接头接触的刷子、凿子等工具进行清理，要求表面无异物。

2.施焊

（1）清理合格的镍及镍合金工件及焊丝应在专用洁净环境内施焊。

（2）焊条电弧焊应选择最佳焊接电流范围，严格控制焊接参数，