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鐵鎳基高溫合金的焊接性及焊接工藝一、焊接性 對于固熔強(qiáng)化的高溫合金，主要問題是焊縫結(jié)晶裂紋和過熱區(qū)的晶粒長大，焊接接頭的“等強(qiáng)度”等。 對于沉淀強(qiáng)化的高溫合金，除了焊縫的結(jié)晶裂紋外，還有液化裂紋和再熱裂紋；焊接接頭的“等強(qiáng)度”問 題也很突出，焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度、塑性往往達(dá)不到母材金屬的水平。 1、焊縫的熱裂紋 鐵鎳基合金都具有較大的焊接熱裂紋傾向，特別是沉淀強(qiáng)化的合金，溶解度有限的元素 Ni 和 Fe，易 在晶界處形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，如 Ni—Si，Fe—Nb，Ni—B 等；同時(shí)對某些雜質(zhì)非常敏感，如：S、P、Pb、Bi、 Sn、Ca 等；這些高溫合金易形成方向性強(qiáng)的單項(xiàng)奧氏體柱狀晶，促使雜質(zhì)偏析；這些高溫合金的線膨脹系 數(shù)很大，易形成較大的焊接應(yīng)力。 實(shí)踐證明，沉淀強(qiáng)化的合金比固熔強(qiáng)化合金具有更大的熱裂傾向。 影響焊縫產(chǎn)生熱裂紋的因素有： ①合金系統(tǒng)特性的影響。 凝固溫度區(qū)間越大，且固相線低的合金，結(jié)晶裂紋傾向越大。如： N—155（30Cr17Ni15Co12Mo3Nb） ， 而 S—590（40Cr20Ni20Co20Mo4W4Nb4）裂紋傾向就較小。 ②焊縫中合金元素的影響。 采用不同的焊材，焊縫的熱裂傾向有很大的差別。如鐵基合金 Cr15Ni40W5Mo2Al2Ti3 在 TIG 焊時(shí)，選用 與母材合金同質(zhì)的焊絲，即焊縫含有γ ／ 形成元素，結(jié)果焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；而選用固熔強(qiáng)化型 HGH113， Ni—Cr—Mo 系焊絲，含有較多的 Mo，Mo 在高 Ni 合金中具有很高的溶解度，不會(huì)形成易熔物質(zhì)，故也不 會(huì)引起熱裂紋。含 Mo 量越高，焊縫的熱裂傾向越小；同時(shí) Mo 還能提高固熔體的擴(kuò)散激活能，而阻止形 成正亞晶界裂紋（多元化裂紋） 。 B、Si、Mn 含量降低，Ni、Ti 成分增加，裂紋減少。 ③變質(zhì)劑的影響。 用變質(zhì)劑細(xì)化焊縫一次結(jié)晶組織，能明顯減少熱裂傾向。 ④雜質(zhì)元素的影響。 有害雜質(zhì)元素，S、P、B 等，常常是焊縫產(chǎn)生熱裂紋的原因。 ⑤焊接工藝的影響。 焊接接頭具有較大的拘束應(yīng)力，促使焊縫熱裂傾向大。采用脈沖氬弧焊或適當(dāng)減少焊縫電流，以減少 熔池的過熱，對于提高焊縫的抗熱裂性是有益的。 2、熱影響區(qū)的液化裂紋 低熔點(diǎn)共晶物形成的晶間液膜引起液化裂紋。 A—286 的晶界處有 Ti、Si、Ni、Mo 等元素的偏析，形成低熔點(diǎn)共晶物。 液膜還可以在碳化物相 （MC 或 M6C） 的周圍形成， 如 Inconel718,鑄造鎳基合金 B—1900 和 Inconel713C。 高溫合金的晶粒粗細(xì)，對裂紋的產(chǎn)生也有很大的影響。焊接時(shí)常常在粗晶部位產(chǎn)生液化裂紋。因此， 在焊接工藝上，應(yīng)盡可能采用小焊接線能量，來避免熱影響區(qū)晶粒的粗化。 對焊接熱影響區(qū)液化裂紋的控制，關(guān)鍵在于合金本身的材質(zhì)，去除合金中的雜質(zhì)，則有利于防止液化 裂紋。 3、再熱裂紋 γ ／ 形成元素 Al、Ti 的含量越高，再熱裂紋傾向越大。／ 對于γ 強(qiáng)化合金消除應(yīng)力退火，加熱必須是快速而且均勻，加熱曲線要避開等溫時(shí)效的溫度、時(shí)間曲 線的影響區(qū)。 對于固熔態(tài)或退火態(tài)的母材合金進(jìn)行焊接時(shí)，有利于減少再熱裂紋的產(chǎn)生。 焊接工藝上應(yīng)盡可能選用小焊接線能量，小焊道的多層焊，合理設(shè)計(jì)接頭，以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度。 雜質(zhì)對高溫合金再熱裂紋的影響 1—加熱曲線對于 A、B 均不裂；2—加熱曲線對 A 裂，B 不裂 4、焊接接頭的“等強(qiáng)度”問題 高溫合金焊后，在過熱區(qū)有顯著的晶粒粗化現(xiàn)象，接頭性能不均勻，對高溫塑性、疲勞強(qiáng)度、蠕變極 限、持久強(qiáng)度、硬度等都有較大影響。 為了獲得比較理想的焊接接頭，應(yīng)盡量減少接頭的過熱和組織不均勻性，故焊接時(shí)應(yīng)盡可能選用能量 集中的焊接方法和小的焊接線能量。 焊補(bǔ)次數(shù)增加，大大降低焊接接頭的性能，促使再熱裂紋的產(chǎn)生。所以，一般規(guī)定同一部位補(bǔ)焊不允 許超過三次。重要焊縫甚至禁止補(bǔ)焊。 三、高溫合金的焊接工藝 1、TIG 焊接 TIG 焊是高溫合金比較好的焊接方法，尤其是鐵基合金，特別適應(yīng)用于 12.5mm 以下薄板。 為防止產(chǎn)生裂紋，焊接時(shí)采用小焊接線能量，窄焊道，電弧長度盡可能短，一般為 1~1.5mm 為宜。 采用小直徑釷鎢極，端部磨成 30~60°的尖角，以保持電弧穩(wěn)定，易于控制熔透和窄焊道。 Ar 氣保護(hù)。特別是焊接含有 Al、Ti 等元素的合金時(shí)，要特別加強(qiáng)保護(hù)。 焊材可用奧氏體耐熱不銹鋼或鎳基合金。 采用直流正接電源。 焊接時(shí)焊矩與母材保持垂直。 2、手工電弧焊 鐵基合金中手工電弧焊使用較少，特別是沉淀強(qiáng)化型合金幾乎不用。 焊條通常選用與母材合金成分相近，或選用高鎳焊條。 Incoloy800 使用溫度在 900 ℃以上，推薦用 ENiCrFe—2 焊條；使用溫度在 540℃以上，推薦用 ENiCrFe—3 焊條。采用小焊接線能量，小電流、快焊 速、不橫向擺動(dòng)、窄焊道焊接；焊接開始或結(jié)尾都應(yīng)裝引弧板或熄弧板，防止裂紋的產(chǎn)生；采用直流反接 電源。 對于鎳基合金，手工電弧焊一般只適用于板厚 1.6mm 以上，固熔強(qiáng)化型合金，不能用于沉淀強(qiáng)化型合 金的焊接。 3、等離子弧焊接 熔深大，可大于 7~8mm（Incoloy800） ，效率高；TIG 熔深 2~3mm。 4、MIG 焊接的熱輸入量較大，易出現(xiàn)熱裂紋，只用于 T＞12.5mm 或高效率場合。 自動(dòng)埋弧焊同上。 電子束焊接熱量集中，但易出現(xiàn)一些特有的缺陷，如氣孔、冷隔等，裂紋敏感性也較大。 三、高溫合金的焊接工藝要點(diǎn) 1、加強(qiáng)保護(hù) 高溫合金中有很多合金元素對氧具有很大的親和力，若保護(hù)不好易被燒損，特別是鐵基合金。 2、加強(qiáng)焊接區(qū)的清理 高溫合金的表面常存在有難熔氧化膜，NiO 的熔點(diǎn)為 2090℃，如焊前未清理干凈，易在焊縫中形成夾 雜物。另外，工件表面的污物未清理，也會(huì)帶來一些有害雜質(zhì)：如 Pb、P、S 等，影響焊接接頭性能。所 以，對坡口邊緣或多道焊的每道焊縫表面，都應(yīng)徹底清理干凈。 3、設(shè)計(jì)合理的坡口 鐵基和鎳基合金的液體金屬流動(dòng)性較差， 焊接時(shí)易產(chǎn)生未熔合缺陷。 熔深一般只有低碳鋼的 50%左右， 奧氏體鋼的 60%左右。為達(dá)到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要適當(dāng)增大，鈍邊減小。 鋼和鎳基合金坡口設(shè)計(jì)的比較 4、要求高精度的裝配。 5、減少焊接接頭的過熱。 焊縫的布置盡量避免交叉和分布過密，減少補(bǔ)焊次數(shù)，采用小焊接線能量和小截面焊道，選用脈沖焊， 分段焊等工藝。 6、選用好的焊接材料。 通常采用 Mo 和 W 含量較高的 Ni—Cr—Mo（W）系合金焊絲，抗裂性高。即使焊接沉淀強(qiáng)化型合金， 也寧可犧牲一些強(qiáng)度，不希望采用 Al、Ti 含量較高，會(huì)形成γ 金焊絲。 為了確保焊接接頭的高溫強(qiáng)度，以采用同質(zhì)焊絲或力求焊縫與母材的合金成分相近為好。 對保護(hù)氣體、焊條、焊劑等，要求純度高，具有最小的氧化性，以保證最大的合金過渡系數(shù)。／ 相的焊絲，而選用 Ni—Cr—Mo（W）系合
鎳基高溫合金的特點(diǎn)、制備及應(yīng)用高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下 長期工作的一類金屬材料。 并具有較高的高溫強(qiáng)度， 良好的抗氧化和抗腐蝕性能， 良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫 度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。 那么， 以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫 合金稱之為鎳基高溫合金（以下簡稱“鎳基合金”） 。 鎳基高溫合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。鎳 基高溫合金是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基高溫合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti) ； 為 了 提 高 蠕 變 強(qiáng) 度 又 添 加 鋁 ， 研 制 出 Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中 國于50年代中期也研制出鎳基合金。50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含 高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基高溫合金大都是變形合金。50年代 后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強(qiáng)度，但是合金的 強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一 系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。 60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單 晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60 年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40 年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi)，鎳基高溫合金的工作溫度從700℃提高到 1100℃，平均每年提高10℃左右。 鎳基高溫合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金。其主要原 因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是 可以形成共格有序的 A3B 型金屬間化合物 g[Ni3(Al，Ti)]相作為強(qiáng)化相，使合 金得到有效的強(qiáng)化， 獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是 含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。 鎳基合金 含有十多種元素，其中 Cr 主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強(qiáng)化作 用。根據(jù)它們的強(qiáng)化作用方式可分為：固溶強(qiáng)化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等； 沉淀強(qiáng)化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強(qiáng)化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。 鎳基合金按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型合金和沉淀強(qiáng)化型合金。
