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鐵鎳基高溫合金的焊接性及焊接工藝一、焊接性 對于固熔強化的高溫合金，主要問題是焊縫結晶裂紋和過熱區的晶粒長大，焊接接頭的“等強度”等。 對于沉淀強化的高溫合金，除了焊縫的結晶裂紋外，還有液化裂紋和再熱裂紋；焊接接頭的“等強度”問 題也很突出，焊縫和熱影響區的強度、塑性往往達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物質，如 Ni—Si，Fe—Nb，Ni—B 等；同時對某些雜質非常敏感，如：S、P、Pb、Bi、 Sn、Ca 等；這些高溫合金易形成方向性強的單項奧氏體柱狀晶，促使雜質偏析；這些高溫合金的線膨脹系 數很大，易形成較大的焊接應力。 實踐證明，沉淀強化的合金比固熔強化合金具有更大的熱裂傾向。 影響焊縫產生熱裂紋的因素有： ①合金系統特性的影響。 凝固溫度區間越大，且固相線低的合金，結晶裂紋傾向越大。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，選用 與母材合金同質的焊絲，即焊縫含有γ ／ 形成元素，結果焊縫產生結晶裂紋；而選用固熔強化型 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，不會形成易熔物質，故也不 會引起熱裂紋。含 Mo 量越高，焊縫的熱裂傾向越小；同時 Mo 還能提高固熔體的擴散激活能，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變質劑的影響。 用變質劑細化焊縫一次結晶組織，能明顯減少熱裂傾向。 ④雜質元素的影響。 有害雜質元素，S、P、B 等，常常是焊縫產生熱裂紋的原因。 ⑤焊接工藝的影響。 焊接接頭具有較大的拘束應力，促使焊縫熱裂傾向大。采用脈沖氬弧焊或適當減少焊縫電流，以減少 熔池的過熱，對于提高焊縫的抗熱裂性是有益的。 2、熱影響區的液化裂紋 低熔點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，對裂紋的產生也有很大的影響。焊接時常常在粗晶部位產生液化裂紋。因此， 在焊接工藝上，應盡可能采用小焊接線能量，來避免熱影響區晶粒的粗化。 對焊接熱影響區液化裂紋的控制，關鍵在于合金本身的材質，去除合金中的雜質，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 強化合金消除應力退火，加熱必須是快速而且均勻，加熱曲線要避開等溫時效的溫度、時間曲 線的影響區。 對于固熔態或退火態的母材合金進行焊接時，有利于減少再熱裂紋的產生。 焊接工藝上應盡可能選用小焊接線能量，小焊道的多層焊，合理設計接頭，以降低焊接結構的拘束度。 雜質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“等強度”問題 高溫合金焊后，在過熱區有顯著的晶粒粗化現象，接頭性能不均勻，對高溫塑性、疲勞強度、蠕變極 限、持久強度、硬度等都有較大影響。 為了獲得比較理想的焊接接頭，應盡量減少接頭的過熱和組織不均勻性，故焊接時應盡可能選用能量 集中的焊接方法和小的焊接線能量。 焊補次數增加，大大降低焊接接頭的性能，促使再熱裂紋的產生。所以，一般規定同一部位補焊不允 許超過三次。重要焊縫甚至禁止補焊。 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，特別適應用于 12.5mm 以下薄板。 為防止產生裂紋，焊接時采用小焊接線能量，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，以保持電弧穩定，易于控制熔透和窄焊道。 Ar 氣保護。特別是焊接含有 Al、Ti 等元素的合金時，要特別加強保護。 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、窄焊道焊接；焊接開始或結尾都應裝引弧板或熄弧板，防止裂紋的產生；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，固熔強化型合金，不能用于沉淀強化型合 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，易出現熱裂紋，只用于 T＞12.5mm 或高效率場合。 自動埋弧焊同上。 電子束焊接熱量集中，但易出現一些特有的缺陷，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 1、加強保護 高溫合金中有很多合金元素對氧具有很大的親和力，若保護不好易被燒損，特別是鐵基合金。 2、加強焊接區的清理 高溫合金的表面常存在有難熔氧化膜，NiO 的熔點為 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，也會帶來一些有害雜質：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，都應徹底清理干凈。 3、設計合理的坡口 鐵基和鎳基合金的液體金屬流動性較差， 焊接時易產生未熔合缺陷。 熔深一般只有低碳鋼的 50%左右， 奧氏體鋼的 60%左右。為達到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要適當增大，鈍邊減小。 鋼和鎳基合金坡口設計的比較 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，減少補焊次數，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。即使焊接沉淀強化型合金， 也寧可犧牲一些強度，不希望采用 Al、Ti 含量較高，會形成γ 金焊絲。 為了確保焊接接頭的高溫強度，以采用同質焊絲或力求焊縫與母材的合金成分相近為好。 對保護氣體、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。／ 相的焊絲，而選用 Ni—Cr—Mo（W）系合
鎳基高溫合金的特點、制備及應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力作用下 長期工作的一類金屬材料。 并具有較高的高溫強度， 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℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫 合金稱之為鎳基高溫合金（以下簡稱“鎳基合金”） 。 鎳基高溫合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。鎳 基高溫合金是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基高溫合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti) ； 為 了 提 高 蠕 變 強 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，真空熔煉技術的發展，為煉制含 高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。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度，但是合金的 強度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發展出一 系列具有良好高溫強度的鑄造合金。 60年代中期發展出性能更好的定向結晶和單 晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要，60 年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從40 年代初到70年代末大約40年的時間內，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用最廣、高溫強度最高的一類合金。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)]相作為強化相，使合 金得到有效的強化， 獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；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氣腐蝕能力。 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，其他元素主要起強化作 用。根據它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等； 沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。 鎳基合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。
