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铁镍基高温合金的焊接性及焊接工艺一、焊接性 对于固熔强化的高温合金，主要问题是焊缝结晶裂纹和过热区的晶粒长大，焊接接头的“等强度”等。 对于沉淀强化的高温合金，除了焊缝的结晶裂纹外，还有液化裂纹和再热裂纹；焊接接头的“等强度”问 题也很突出，焊缝和热影响区的强度、塑性往往达不到母材金属的水平。 1、焊缝的热裂纹 铁镍基合金都具有较大的焊接热裂纹倾向，特别是沉淀强化的合金，溶解度有限的元素 Ni 和 Fe，易 在晶界处形成低熔点物质，如 Ni—Si，Fe—Nb，Ni—B 等；同时对某些杂质非常敏感，如：S、P、Pb、Bi、 Sn、Ca 等；这些高温合金易形成方向性强的单项奥氏体柱状晶，促使杂质偏析；这些高温合金的线膨胀系 数很大，易形成较大的焊接应力。 实践证明，沉淀强化的合金比固熔强化合金具有更大的热裂倾向。 影响焊缝产生热裂纹的因素有： ①合金系统特性的影响。 凝固温度区间越大，且固相线低的合金，结晶裂纹倾向越大。如： N—155（30Cr17Ni15Co12Mo3Nb） ， 而 S—590（40Cr20Ni20Co20Mo4W4Nb4）裂纹倾向就较小。 ②焊缝中合金元素的影响。 采用不同的焊材，焊缝的热裂倾向有很大的差别。如铁基合金 Cr15Ni40W5Mo2Al2Ti3 在 TIG 焊时，选用 与母材合金同质的焊丝，即焊缝含有γ ／ 形成元素，结果焊缝产生结晶裂纹；而选用固熔强化型 HGH113， Ni—Cr—Mo 系焊丝，含有较多的 Mo，Mo 在高 Ni 合金中具有很高的溶解度，不会形成易熔物质，故也不 会引起热裂纹。含 Mo 量越高，焊缝的热裂倾向越小；同时 Mo 还能提高固熔体的扩散激活能，而阻止形 成正亚晶界裂纹（多元化裂纹） 。 B、Si、Mn 含量降低，Ni、Ti 成分增加，裂纹减少。 ③变质剂的影响。 用变质剂细化焊缝一次结晶组织，能明显减少热裂倾向。 ④杂质元素的影响。 有害杂质元素，S、P、B 等，常常是焊缝产生热裂纹的原因。 ⑤焊接工艺的影响。 焊接接头具有较大的拘束应力，促使焊缝热裂倾向大。采用脉冲氩弧焊或适当减少焊缝电流，以减少 熔池的过热，对于提高焊缝的抗热裂性是有益的。 2、热影响区的液化裂纹 低熔点共晶物形成的晶间液膜引起液化裂纹。 A—286 的晶界处有 Ti、Si、Ni、Mo 等元素的偏析，形成低熔点共晶物。 液膜还可以在碳化物相 （MC 或 M6C） 的周围形成， 如 Inconel718,铸造镍基合金 B—1900 和 Inconel713C。 高温合金的晶粒粗细，对裂纹的产生也有很大的影响。焊接时常常在粗晶部位产生液化裂纹。因此， 在焊接工艺上，应尽可能采用小焊接线能量，来避免热影响区晶粒的粗化。 对焊接热影响区液化裂纹的控制，关键在于合金本身的材质，去除合金中的杂质，则有利于防止液化 裂纹。 3、再热裂纹 γ ／ 形成元素 Al、Ti 的含量越高，再热裂纹倾向越大。／ 对于γ 强化合金消除应力退火，加热必须是快速而且均匀，加热曲线要避开等温时效的温度、时间曲 线的影响区。 对于固熔态或退火态的母材合金进行焊接时，有利于减少再热裂纹的产生。 焊接工艺上应尽可能选用小焊接线能量，小焊道的多层焊，合理设计接头，以降低焊接结构的拘束度。 杂质对高温合金再热裂纹的影响 1—加热曲线对于 A、B 均不裂；2—加热曲线对 A 裂，B 不裂 4、焊接接头的“等强度”问题 高温合金焊后，在过热区有显著的晶粒粗化现象，接头性能不均匀，对高温塑性、疲劳强度、蠕变极 限、持久强度、硬度等都有较大影响。 为了获得比较理想的焊接接头，应尽量减少接头的过热和组织不均匀性，故焊接时应尽可能选用能量 集中的焊接方法和小的焊接线能量。 焊补次数增加，大大降低焊接接头的性能，促使再热裂纹的产生。所以，一般规定同一部位补焊不允 许超过三次。重要焊缝甚至禁止补焊。 三、高温合金的焊接工艺 1、TIG 焊接 TIG 焊是高温合金比较好的焊接方法，尤其是铁基合金，特别适应用于 12.5mm 以下薄板。 为防止产生裂纹，焊接时采用小焊接线能量，窄焊道，电弧长度尽可能短，一般为 1~1.5mm 为宜。 采用小直径钍钨极，端部磨成 30~60°的尖角，以保持电弧稳定，易于控制熔透和窄焊道。 Ar 气保护。特别是焊接含有 Al、Ti 等元素的合金时，要特别加强保护。 焊材可用奥氏体耐热不锈钢或镍基合金。 采用直流正接电源。 焊接时焊矩与母材保持垂直。 2、手工电弧焊 铁基合金中手工电弧焊使用较少，特别是沉淀强化型合金几乎不用。 焊条通常选用与母材合金成分相近，或选用高镍焊条。 Incoloy800 使用温度在 900 ℃以上，推荐用 ENiCrFe—2 焊条；使用温度在 540℃以上，推荐用 ENiCrFe—3 焊条。采用小焊接线能量，小电流、快焊 速、不横向摆动、窄焊道焊接；焊接开始或结尾都应装引弧板或熄弧板，防止裂纹的产生；采用直流反接 电源。 对于镍基合金，手工电弧焊一般只适用于板厚 1.6mm 以上，固熔强化型合金，不能用于沉淀强化型合 金的焊接。 3、等离子弧焊接 熔深大，可大于 7~8mm（Incoloy800） ，效率高；TIG 熔深 2~3mm。 4、MIG 焊接的热输入量较大，易出现热裂纹，只用于 T＞12.5mm 或高效率场合。 自动埋弧焊同上。 电子束焊接热量集中，但易出现一些特有的缺陷，如气孔、冷隔等，裂纹敏感性也较大。 三、高温合金的焊接工艺要点 1、加强保护 高温合金中有很多合金元素对氧具有很大的亲和力，若保护不好易被烧损，特别是铁基合金。 2、加强焊接区的清理 高温合金的表面常存在有难熔氧化膜，NiO 的熔点为 2090℃，如焊前未清理干净，易在焊缝中形成夹 杂物。另外，工件表面的污物未清理，也会带来一些有害杂质：如 Pb、P、S 等，影响焊接接头性能。所 以，对坡口边缘或多道焊的每道焊缝表面，都应彻底清理干净。 3、设计合理的坡口 铁基和镍基合金的液体金属流动性较差， 焊接时易产生未熔合缺陷。 熔深一般只有低碳钢的 50%左右， 奥氏体钢的 60%左右。为达到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要适当增大，钝边减小。 钢和镍基合金坡口设计的比较 4、要求高精度的装配。 5、减少焊接接头的过热。 焊缝的布置尽量避免交叉和分布过密，减少补焊次数，采用小焊接线能量和小截面焊道，选用脉冲焊， 分段焊等工艺。 6、选用好的焊接材料。 通常采用 Mo 和 W 含量较高的 Ni—Cr—Mo（W）系合金焊丝，抗裂性高。即使焊接沉淀强化型合金， 也宁可牺牲一些强度，不希望采用 Al、Ti 含量较高，会形成γ 金焊丝。 为了确保焊接接头的高温强度，以采用同质焊丝或力求焊缝与母材的合金成分相近为好。 对保护气体、焊条、焊剂等，要求纯度高，具有最小的氧化性，以保证最大的合金过渡系数。／ 相的焊丝，而选用 Ni—Cr—Mo（W）系合
镍基高温合金的特点、制备及应用高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下 长期工作的一类金属材料。 并具有较高的高温强度， 良好的抗氧化和抗腐蚀性能， 良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温 度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。 那么， 以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温 合金称之为镍基高温合金（以下简称“镍基合金”） 。 镍基高温合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。镍 基高温合金是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基高温合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti) ； 为 了 提 高 蠕 变 强 度 又 添 加 铝 ， 研 制 出 Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中 国于50年代中期也研制出镍基合金。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含 高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基高温合金大都是变形合金。50年代 后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的 强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一 系列具有良好高温强度的铸造合金。 60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单 晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60 年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40 年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基高温合金的工作温度从700℃提高到 1100℃，平均每年提高10℃左右。 镍基高温合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原 因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是 可以形成共格有序的 A3B 型金属间化合物 g[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合 金得到有效的强化， 获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是 含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。 镍基合金 含有十多种元素，其中 Cr 主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作 用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等； 沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。 镍基合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。
