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鎳和鎳基合金的焊接方法及步驟解析
鎳是重要的有色金屬,純鎳有很高的強度和塑性,它對許多浸蝕性介質均有良好的耐蝕性,對所有的堿性溶液非常穩定,在硝酸中也不容易溶解。因此常用鎳及鎳基合金來制造石油化工設備。在核反應堆工程中高鎳合金應用甚廣,如換熱器等設備為了避免應力腐蝕,目前國外廣泛采用因康鎳600 或因康洛依800 等材料代替1Cr18Ni9Ti 不銹鋼。因為鎳對氧酸有較好的耐蝕性,故在制造濃縮鈾的核燃料擴散廠中,也大量應用鎳。此外,鎳合金具有耐熱性和熱強性能,所以在航空工業中也應用廣泛。
1 鎳及鎳基合金的焊接特點和要求
1. 1焊前清理
鎳及鎳基合金獲得成功焊接最重要的是清理,焊前要嚴格將焊接坡口及兩側15 mm 范圍內清理干凈,尤其要去除表面的氧化層。因為焊接過程中Ni 能與P、S、Pb 、Al 或低熔點的物質形成脆化元素。由于氧化物(一般在540 ℃以上形成) 的熔點高(2 040 ℃) 而鎳的熔點低為1 400 ℃,因而易造成未熔合。另外在鎳及鎳基合金焊接中主要有害雜質鋅( Zn) 、硫( S) 、碳( C) 、鉍(Bi) 、鉛(Pb) 、鎘( Cd) 等能增加鎳基合金的焊接裂紋傾向;氧、氫、一氧化碳等氣體在熔化的鎳中溶解度極大,而在固態下溶解度大大減小,溶解度的變化是在熔化焊中引起氣孔的主要原因。見表1～表2 。
表1 常用鎳基合金的牌號及化學成分
鎳基合金牌號 化學成分/ %
中國 | 美國 | C | Cr | Ni | Mo | Fe | Cu | Al | Ti | Mn | Si | P | S | Nb+Ta | |
NS312 | 600 (因康鎳) | ≤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 (因康鎳) | ≤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 常用鎳基合金牌號及力學性能
| 牌號 | σb/ MPa | σ0. 2/ MPa | δ5/ % 600 (因康鎳) | ≥552 | ≥241 | ≥30 |
| 625 (因康鎳) | ≥827 | ≥414 | ≥30 | |||
| 800 (因康洛依) | ≥517 | ≥207 | ≥30 | |||
| 825 (因康洛依) | ≥586 | ≥241 | ≥30 |
1. 2焊接接頭形式
由于鎳及鎳基合金熔焊與鋼相比具有導熱性差,粘性強,熔深較淺,焊縫較高,易形成道間和層間熔合不良,為保證熔透,應選用較大的坡口角度和較小的鈍邊。同時焊接時盡量采取擺動焊(擺動焊縫寬度不大于焊條直徑的3 倍) ,擺動至2 邊稍停頓使之熔合良好。
1. 3工藝參數的控制
鎳及鎳基合金焊接時應選用較小的焊接線能量并嚴格控制層間溫度。由于鎳及鎳基合金導熱性差,如果焊接電流過大,電弧電壓過高,焊接速度較慢及層間溫度過高都易使焊接接頭過熱,產生粗大的晶粒,在粗大的柱狀晶粒邊界上,集中了一些低熔點共晶體,他們的強度低,脆性大,在焊接應力的作用下很容易形成裂紋。這些低熔點共晶體主要有Ni - S 共晶、Ni - Pb 共晶、Ni - NiO 和Ni - P 共晶等。由此可見,焊縫中氧、硫、鉛、磷等雜質對熱裂紋傾向有很大的影響。另外產生粗大晶粒也會使焊接接頭的機械性能和耐蝕性能下降。因此在保證熔合良好的情況下盡量選用較小的焊接電流,較低的電弧電壓和較快的焊接速度, 氬弧焊時焊接電流必須衰減,衰減時間4～6 秒為好。同時應嚴格控制層間溫度在150 ℃以下 (必要時100 ℃以下) ,避免焊接接頭過熱產生熱裂紋。
1. 4鎳及鎳基合金焊縫表面成形的控制
鎳及鎳基合金焊縫應盡量凸起,自然成形,盡量不使焊縫拉平或凹下。由于鎳及鎳基合金焊縫金屬表面張力大,流動性差,粘性大不易成形和易產生氧化等因素,自然成形的焊縫一般為凸狀,如果焊縫是平坦或下凹狀就會由于應力的作用產生裂紋。因此在單面焊雙面成形時手弧焊背面最好加墊板,氬弧焊時除加強對正面焊縫的氣體保護外,氬弧焊背面必須加氣體保護裝置。
1. 5預熱和焊后熱處理
鎳及鎳基合金焊接一般情況下不需預熱和熱處理,只是在耐蝕堆焊時考慮適當的預熱和熱處理。
2 常見缺陷產生原因及防止措施
由于鎳基具有單相組織,焊接時存在與奧氏體不銹鋼相類似的問題,在焊接時比較容易出現焊縫氣孔,焊接熱裂紋,未熔合,變形量過大,咬邊等缺陷。在實際生產中經常遇到且危害較大的是焊縫氣孔和焊接熱裂紋。
2. 1焊縫氣孔
1. 1. 1 焊縫氣孔的產生原因
(1) 氧氣、氫氣、二氧化碳氣體在熔化的液態鎳基合金中溶解度極大,而在固態溶解度大大減小,鎳基合金焊接過程中從高溫變冷時,氣體在熔敷金屬的溶解度也隨之下降,游離出來的氣體在流動性較差的液態鎳中不能在鎳基合金焊縫凝固前完全逸出而形成氣孔。
(2) 焊接坡口及其兩側的油污、水分、灰塵及氧化層清理不干凈。
(3) 焊接電流及電弧電壓較低,焊接速度過快焊接熱能量低。
(4) 焊槍氣體保護噴嘴直徑較小,保護氣體流量過低,氣體保護效果不良。
(5) 焊條烘干不良, 烘干溫度計保溫時間不夠。
2. 1. 2焊縫氣孔的防止措施
(1) 采用含有脫氧元素或形成氧化物(如鋁和鈦,它們與氧和氮有較強的親和力并形成穩定的化合物) 的焊條或焊絲可減少氣孔。
(2) 焊接坡口及其兩側用專用砂輪或不銹鋼絲刷將氧化層清除干凈,并用丙酮和無水乙醇去除其表面油污、水分、灰塵等有害物質。
(3) 選用適宜的焊接電流、電弧電壓和焊接速度即焊接線能量進行施焊,使有害氣體在熔敷金屬凝固前充分逸出。
(4) 選用直徑較大的焊槍氣體保護噴嘴使其對熔敷金屬有足夠的氣體保護面積,并選用適當的氣體保護流量,使其具有良好的氣體保護效果, 防止空氣中的氫、氧、氮等有害氣體侵入熔池金屬中。
(5) 嚴格按規定的烘干溫度和保溫時間對所使用的焊條進行烘干,使用時將焊條放置在保溫筒中。
2. 2焊接熱裂紋
2. 2. 1 焊接熱裂紋的產生原因
(1) 焊縫熱脆性是由于硫、鉛、磷或低熔點共晶體混入,它們形成晶間薄膜引起高溫下的嚴重脆化,焊縫金屬的熱裂紋一般是由于低熔點夾雜物從表面沿晶間滲透而引起的。
(2) 焊接坡口及其兩側的污物清理不干凈其油污中的硫常常引起鎳基合金焊縫產生熱裂紋。
(3) 焊縫表面凸凹不平引起應力集中而產生裂紋。
(4) 收弧時沒有填滿弧坑和電流衰減時間較短,收弧處熔敷金屬量少出現弧坑其強度比較薄弱,在相變應力和拘束應力的作用下產生收弧處微裂紋。
(5) 焊接電流過大,焊接速度較慢,焊接線能量較大,層間溫度過高使焊接接頭過熱產生粗大晶粒,在粗大晶粒邊界上集中了一些低熔點共晶體他們的強度低脆性大,在焊接應力的作用下很容易形成熱裂紋。
2. 2. 2 焊接熱裂紋的防止措施
(1) 選用硫、磷含量較低的鎳基合金焊材以防止熔敷金屬中低熔點夾雜物的產生。
(2) 焊接坡口及其兩側的污物及氧化層必須清理干凈,防止硫、鉛、磷或低熔點雜質混入熔敷金屬中。
(3) 焊縫表面應均勻平整。無局部凸凹不平存在,以防止由于局部應力集中而產生裂紋。鎳基合金焊縫成形以均勻凸起的自然成形為好。
(4) 收弧時必須采取多次填弧坑的方法將弧坑均勻填滿。氬弧焊收弧時電流衰減時間要長, 并電流衰減至最小程度,使收弧處無任何凹陷存在。
(5) 選用的焊接電流、電弧電壓和焊接速度必須適當,即在保證熔合良好的情況下盡量選用較小的焊接線能量和較低的層間溫度,以防止焊縫及熱影響區過熱而產生熱裂紋。
3 結束語
通過對鎳及鎳基合金的焊接特點和鎳及鎳基合金焊接中常見缺陷的分析,我們在焊接鎳及鎳基合金時應注意以下幾個方面: 鎳及鎳基合金獲得成功焊接的前提條件是做好焊前清理。鎳及鎳基合金焊接在保證熔合良好的前提下應選用較小的焊接線能量,同時要嚴格控制層間溫度。鎳及鎳基合金焊接應選用較大的坡口角度和較小的鈍邊。鎳及鎳基合金焊縫表面成形應盡量凸起,自然成形,盡量不使焊縫拉平或凹下。鎳及鎳基合金焊接一般情況下不需預熱和熱處理,只是在耐蝕堆焊時考慮適當的預熱和熱處理。
