镍和镍基合金的焊接方法及步骤解析
镍是重要的有色金属,纯镍有很高的强度和塑性,它对许多浸蚀性介质均有良好的耐蚀性,对所有的碱性溶液非常稳定,在硝酸中也不容易溶解。因此常用镍及镍基合金来制造石油化工设备。在核反应堆工程中高镍合金应用甚广,如换热器等设备为了避免应力腐蚀,目前国外广泛采用因康镍600 或因康洛依800 等材料代替1Cr18Ni9Ti 不锈钢。因为镍对氧酸有较好的耐蚀性,故在制造浓缩铀的核燃料扩散厂中,也大量应用镍。此外,镍合金具有耐热性和热强性能,所以在航空工业中也应用广泛。
1 镍及镍基合金的焊接特点和要求
1. 1焊前清理
镍及镍基合金获得成功焊接最重要的是清理,焊前要严格将焊接坡口及两侧15 mm 范围内清理干净,尤其要去除表面的氧化层。因为焊接过程中Ni 能与P、S、Pb 、Al 或低熔点的物质形成脆化元素。由于氧化物(一般在540 ℃以上形成) 的熔点高(2 040 ℃) 而镍的熔点低为1 400 ℃,因而易造成未熔合。另外在镍及镍基合金焊接中主要有害杂质锌( Zn) 、硫( S) 、碳( C) 、铋(Bi) 、铅(Pb) 、镉( Cd) 等能增加镍基合金的焊接裂纹倾向;氧、氢、一氧化碳等气体在熔化的镍中溶解度极大,而在固态下溶解度大大减小,溶解度的变化是在熔化焊中引起气孔的主要原因。见表1～表2 。
表1 常用镍基合金的牌号及化学成分
镍基合金牌号 化学成分/ %
中国 | 美国 | C | Cr | Ni | Mo | Fe | Cu | Al | Ti | Mn | Si | P | S | Nb+Ta | |
NS312 | 600 (因康镍) | ≤0. 15 | 14. 0 - 17. 0 | ≥72. 0 | 6. 0 - 10. 0 | ≤0. 5 | ≤0. 40 | ≤1. 00 | ≤0. 50 | ≤0. 030 | ≤0. 015 | ||||
NS336 | 625 (因康镍) | ≤0. 10 | 20. 0 - 23. 0 | ≥58. 0 | 8. 0 - 10. 0 | ≤5. 0 | ≤0. 40 | ≤0. 5 | ≤0. 50 | ≤0. 015 | ≤0. 015 | 3. 15 - 4. 15 | ≤1. 0 | ||
NS111 | 800 (因康洛依) | ≤0. 10 | 19. 0 - 23. 0 30. 0 - 35. 0 | ≥39. 5 | ≤0. 75 | 0. 15 - 0. 60 0. 15 - 0. 60 | ≤1. 50 | ≤1. 00 | ≤0. 03 | ≤0. 015 | |||||
NS142 825 | 825 (因康洛依) | ≤0. 05 | 19. 5 - 23. 5 38. 0 - 46. 0 2. 5 - 3. 5 | ≥22 | 1. 5 - 3. 0 | ≤0. 20 0. 60 - 1. 20 | ≤1. 00 | ≤0. 50 | ≤0. 030 | ≤0. 030 |
表2 常用镍基合金牌号及力学性能
| 牌号 | σb/ MPa | σ0. 2/ MPa | δ5/ % 600 (因康镍) | ≥552 | ≥241 | ≥30 |
| 625 (因康镍) | ≥827 | ≥414 | ≥30 | |||
| 800 (因康洛依) | ≥517 | ≥207 | ≥30 | |||
| 825 (因康洛依) | ≥586 | ≥241 | ≥30 |
1. 2焊接接头形式
由于镍及镍基合金熔焊与钢相比具有导热性差,粘性强,熔深较浅,焊缝较高,易形成道间和层间熔合不良,为保证熔透,应选用较大的坡口角度和较小的钝边。同时焊接时尽量采取摆动焊(摆动焊缝宽度不大于焊条直径的3 倍) ,摆动至2 边稍停顿使之熔合良好。
1. 3工艺参数的控制
镍及镍基合金焊接时应选用较小的焊接线能量并严格控制层间温度。由于镍及镍基合金导热性差,如果焊接电流过大,电弧电压过高,焊接速度较慢及层间温度过高都易使焊接接头过热,产生粗大的晶粒,在粗大的柱状晶粒边界上,集中了一些低熔点共晶体,他们的强度低,脆性大,在焊接应力的作用下很容易形成裂纹。这些低熔点共晶体主要有Ni - S 共晶、Ni - Pb 共晶、Ni - NiO 和Ni - P 共晶等。由此可见,焊缝中氧、硫、铅、磷等杂质对热裂纹倾向有很大的影响。另外产生粗大晶粒也会使焊接接头的机械性能和耐蚀性能下降。因此在保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接电流,较低的电弧电压和较快的焊接速度, 氩弧焊时焊接电流必须衰减,衰减时间4～6 秒为好。同时应严格控制层间温度在150 ℃以下 (必要时100 ℃以下) ,避免焊接接头过热产生热裂纹。
1. 4镍及镍基合金焊缝表面成形的控制
镍及镍基合金焊缝应尽量凸起,自然成形,尽量不使焊缝拉平或凹下。由于镍及镍基合金焊缝金属表面张力大,流动性差,粘性大不易成形和易产生氧化等因素,自然成形的焊缝一般为凸状,如果焊缝是平坦或下凹状就会由于应力的作用产生裂纹。因此在单面焊双面成形时手弧焊背面最好加垫板,氩弧焊时除加强对正面焊缝的气体保护外,氩弧焊背面必须加气体保护装置。
1. 5预热和焊后热处理
镍及镍基合金焊接一般情况下不需预热和热处理,只是在耐蚀堆焊时考虑适当的预热和热处理。
2 常见缺陷产生原因及防止措施
由于镍基具有单相组织,焊接时存在与奥氏体不锈钢相类似的问题,在焊接时比较容易出现焊缝气孔,焊接热裂纹,未熔合,变形量过大,咬边等缺陷。在实际生产中经常遇到且危害较大的是焊缝气孔和焊接热裂纹。
2. 1焊缝气孔
1. 1. 1 焊缝气孔的产生原因
(1) 氧气、氢气、二氧化碳气体在熔化的液态镍基合金中溶解度极大,而在固态溶解度大大减小,镍基合金焊接过程中从高温变冷时,气体在熔敷金属的溶解度也随之下降,游离出来的气体在流动性较差的液态镍中不能在镍基合金焊缝凝固前完全逸出而形成气孔。
(2) 焊接坡口及其两侧的油污、水分、灰尘及氧化层清理不干净。
(3) 焊接电流及电弧电压较低,焊接速度过快焊接热能量低。
(4) 焊枪气体保护喷嘴直径较小,保护气体流量过低,气体保护效果不良。
(5) 焊条烘干不良, 烘干温度计保温时间不够。
2. 1. 2焊缝气孔的防止措施
(1) 采用含有脱氧元素或形成氧化物(如铝和钛,它们与氧和氮有较强的亲和力并形成稳定的化合物) 的焊条或焊丝可减少气孔。
(2) 焊接坡口及其两侧用专用砂轮或不锈钢丝刷将氧化层清除干净,并用丙酮和无水乙醇去除其表面油污、水分、灰尘等有害物质。
(3) 选用适宜的焊接电流、电弧电压和焊接速度即焊接线能量进行施焊,使有害气体在熔敷金属凝固前充分逸出。
(4) 选用直径较大的焊枪气体保护喷嘴使其对熔敷金属有足够的气体保护面积,并选用适当的气体保护流量,使其具有良好的气体保护效果, 防止空气中的氢、氧、氮等有害气体侵入熔池金属中。
(5) 严格按规定的烘干温度和保温时间对所使用的焊条进行烘干,使用时将焊条放置在保温筒中。
2. 2焊接热裂纹
2. 2. 1 焊接热裂纹的产生原因
(1) 焊缝热脆性是由于硫、铅、磷或低熔点共晶体混入,它们形成晶间薄膜引起高温下的严重脆化,焊缝金属的热裂纹一般是由于低熔点夹杂物从表面沿晶间渗透而引起的。
(2) 焊接坡口及其两侧的污物清理不干净其油污中的硫常常引起镍基合金焊缝产生热裂纹。
(3) 焊缝表面凸凹不平引起应力集中而产生裂纹。
(4) 收弧时没有填满弧坑和电流衰减时间较短,收弧处熔敷金属量少出现弧坑其强度比较薄弱,在相变应力和拘束应力的作用下产生收弧处微裂纹。
(5) 焊接电流过大,焊接速度较慢,焊接线能量较大,层间温度过高使焊接接头过热产生粗大晶粒,在粗大晶粒边界上集中了一些低熔点共晶体他们的强度低脆性大,在焊接应力的作用下很容易形成热裂纹。
2. 2. 2 焊接热裂纹的防止措施
(1) 选用硫、磷含量较低的镍基合金焊材以防止熔敷金属中低熔点夹杂物的产生。
(2) 焊接坡口及其两侧的污物及氧化层必须清理干净,防止硫、铅、磷或低熔点杂质混入熔敷金属中。
(3) 焊缝表面应均匀平整。无局部凸凹不平存在,以防止由于局部应力集中而产生裂纹。镍基合金焊缝成形以均匀凸起的自然成形为好。
(4) 收弧时必须采取多次填弧坑的方法将弧坑均匀填满。氩弧焊收弧时电流衰减时间要长, 并电流衰减至最小程度,使收弧处无任何凹陷存在。
(5) 选用的焊接电流、电弧电压和焊接速度必须适当,即在保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接线能量和较低的层间温度,以防止焊缝及热影响区过热而产生热裂纹。
3 结束语
通过对镍及镍基合金的焊接特点和镍及镍基合金焊接中常见缺陷的分析,我们在焊接镍及镍基合金时应注意以下几个方面: 镍及镍基合金获得成功焊接的前提条件是做好焊前清理。镍及镍基合金焊接在保证熔合良好的前提下应选用较小的焊接线能量,同时要严格控制层间温度。镍及镍基合金焊接应选用较大的坡口角度和较小的钝边。镍及镍基合金焊缝表面成形应尽量凸起,自然成形,尽量不使焊缝拉平或凹下。镍及镍基合金焊接一般情况下不需预热和热处理,只是在耐蚀堆焊时考虑适当的预热和热处理。
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