铁镍基高温合金的焊接性及焊接工艺

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／相的焊丝，而选用Ni—Cr—Mo（W）系合金焊丝。

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。