镍及其合金与钢的焊接

镍及其合金与钢的焊接
一、镍与钢焊接时的主要问题
1、焊缝中容易产生气孔
镍及其合金与钢焊接时，液态金属中能溶解较多的氧，高温时氧与镍形成NiO，NiO与液态金属中的氢和碳发生下列反应：
NiO+2H Ni+H2O —————————（1）
NiO+C Ni+CO —————————（2）
所生成的水蒸气和一氧化碳在熔池凝固时如来不及逸出，便形成气孔。

同时，在熔池冷却过程中，氮的溶解度也急剧降低，过剩的氮气来不及逸出，也形成气孔。

2号纯镍与3号钢埋弧焊的铁镍焊缝中气体含量和气孔数量的关系
Ni O N H 100mm长焊缝上气孔平均数量
62.8 0.1150 0.0006 0.0004 200
60.2 0.0580 0.0006 0.0002 60
68.9 0.0200 0.0005 0.0004 15
69.8 0.0250 0.0005 0.0007 15
72.8 0.0012 0.0005 0.0006 1
70.1 0.0015 0.0005 0.0005 1
氧对焊缝中气孔倾向影响重大。

由上表可见，在氮和氢气含量变化不大的情况下，焊缝中含氧量越高，焊缝气孔数量越多。

由于低碳钢熔化时，有较多的碳过渡到焊缝中，所以，低碳钢与镍焊接时，焊接中产生的CO气体，比纯镍焊接时高得多。

依式（2）可见，钢中含碳量越高，或熔池中含氧量越多，焊缝气孔倾向越大。

由图1a可以看出，当焊缝中镍含量为30~60%时，用氧化能力较强的低硅焊剂时的气孔体积比用无氧焊剂大5~6倍。

图1、埋弧焊焊缝含镍量和焊剂氧化能力对气孔和裂纹倾向的影响
a)气孔倾向b)热裂倾向1—低硅焊剂2—无氧焊剂
焊缝中镍含量，对气孔倾向也有很大影响。

氧在液态镍中的溶解度大于在液态钢中的溶解度，而氧在固态镍中的溶解度却比在钢中小。

因此，氧的溶解度在镍结晶时的突变，比在钢结晶时的突变更加明显。

所以，如图1a所示，当焊缝中含15~30%Ni时的气孔倾向较小，而当镍含量大时，气孔倾向较大。

但由于焊缝中的碳，主要是从低碳钢中熔入的，当焊缝中含镍量进一步提高到60~90%时，钢的熔入量必然降低，焊缝中含碳量减少，由式（2）可知，其气孔倾向便降低。

为防止钢与镍及镍合金焊缝产生气孔，可向焊缝中加入Mn、Cr、Mo、AI及Ti等元素。

因为Mn、Ti 及AI具有强烈的脱氧作用，而Cr和Mn能提高气体在固态金属中的溶解度，AI和Ti还能把氮固定在稳定的化合物中。

所以，镍与Cr18Ni10Ti钢焊缝的抗气孔能力比镍与3号钢焊缝高。

2、焊缝热裂倾向大
在钢与镍及合金的焊缝中，由于高镍焊缝具有树枝状组织，在粗大柱状晶粒边界上，容易集中低熔点共晶体（主要有Ni—S共晶和Ni—P共晶），从而降低了晶间的结合力，降低了焊缝抗热裂纹的能力。

焊缝金属中镍的含量对热裂纹有影响，如1b所示。

由于Ni—S共晶（熔点645℃）和Ni—P共晶（熔点880℃）的熔点比Fe—S共晶（熔点988℃）和Fe—P共晶（熔点1050℃）的熔点更低，所以，焊缝中含镍量越高，热裂倾向也越大。

此外，在单相奥氏体焊缝中，当镍含量增加时，晶粒显著长大，也导致产生多元化裂纹。

焊缝中氧、硫、磷等杂质对热裂倾向影响很大。

当采用无氧焊剂时（SiO2≤2，CaF2 75~80，NaF 17~25，S≤0.05，P≤0.03），由于焊缝中氧、硫和磷等有害杂质含量减少，特别是含氧量急剧降低，使裂纹数量大为减少。

2号纯镍与3号钢埋弧焊时的热裂倾向
焊丝焊剂
焊缝中元素含量，% 100mm长焊缝
裂纹平均数量Ni S P O
二号纯镍低硅焊剂
无氧焊剂
68.4 0.016 0.017 0.045 20
72.8 0.010 0.015 0.0012 1
H08 低硅焊剂
无氧焊剂
36.4 0.018 0.016 0.062 5
31.5 0.010 0.012 0.002 0
在熔池结晶过程中，氧和镍能形成Ni—NiO共晶体，共晶温度为1438℃，而且氧还加强硫的有害作用，所以，焊缝中含氧量越高，热裂倾向越大。

为了提高焊缝的抗热裂性能，常向焊缝中加入变质剂（Mn、Cr、Mo、AI、Ti、Nb），这些变质剂不但能细化焊缝组织，而且可打乱结晶方向性。

铝、钛还是强烈的脱氧剂，能降低焊缝中氧的含量。

锰还能与硫形成难熔的MnS，从而减少了硫的有害作用，并有一定的脱氧作用。

钼是提高活化性能的元素，它能抑制焊缝金属高温多元化裂纹，从而提高单相奥氏体焊缝抗多元化裂纹的稳定性。

图2、锰和钼对铁镍焊缝热裂纹倾向的影响
从图2中可以看出，只要往铁镍焊缝中加入足够数量的锰和钼，就能够有效地防止焊缝热裂纹的产生。

3、铁的稀释
镍和镍合金中的硫和磷导致产生热裂纹。

用于生产镍及其合金的冶炼技术，使得这些元素保持低含量。

但是，在某些钢中硫和磷的含量一般较高。

因此，采用镍合金填充金属，焊接镍合金与钢时，应仔细地控制稀释，以免焊缝金属中产生热裂纹。

多数镍合金焊缝金属能容许相当大量的铁的稀释，但容许稀释的范围通常随焊接方法而异，有时随热处理而变化。

见图3。

图3、镍和镍合金焊缝金属容许受铁的稀释范围（经验范围）
采用镍或铬焊条熔敷的焊缝金属，可容许受铁的稀释最高达40%左右。

如采用镍或镍铬焊丝，稀释应限于25%左右。

镍铜焊缝金属受铁稀释的容许限度变化很大，采用手工电弧焊时，可容许受铁的稀释约在30%以下。

埋弧焊焊缝受铁稀释不大于25%。

采用气体保护电弧时，容许受铁稀释较小，尤其是需要热处理消除应力的焊缝，焊态最大限度为10%，需消除应力热处理的焊接接头为5%，为了避免超过上述极限，在采用气体保护电弧焊前，应采用手工电弧焊，在钢表面上熔敷一层镍或镍铜焊缝金属隔离层。

4、铬的稀释
对所有镍合金焊缝金属都应控制铬的稀释。

镍焊缝金属的稀释必须限制在30%以下。

镍铬焊缝金属的总铬含量不能超过30%。

多数镍铬合金，包括填充金属，其铬含量低于30%，稀释不是一个问题。

镍铜焊缝金属受铬稀释的最大容许量为8%，因此，镍铜填充金属不能用镍铜金属与不锈钢的焊接。

5、硅的稀释
当构件之一或两构件都是铸件时，焊缝金属中总硅含量大约不得超过0.75%。

最大容许受铬的稀释%
图4、镍和镍合金焊缝金属容许受铬稀释范围
6、焊接接头的机械性能
接头机械性能与填充材料成分和焊接规范有关。

当焊缝中含镍量低于30%时，由金属学Fe—Ni状态图可知，在焊接快速冷却条件下，焊缝中能出现马氏体组织，使接头的塑性和韧性指标急剧降低。

为了获得较好的塑性和韧性，铁镍焊缝中的含镍量应大于30%。

见图5。

图5、焊缝中镍含量对镍与3号钢接头机械性能的影响
纯镍与1Cr18Ni10Ti不锈钢焊接时，焊缝不会出现马氏体组织，所以，接头的机械性能较好。

二、镍与钢的焊接工艺要点
1、镍与低碳钢的焊接
（1）纯镍与低碳钢焊接时，为了保证接头具有良好的塑性和冲击韧性，焊缝中的镍含量应大于30%。

（2）在上述含镍量情况下，焊缝的抗气孔和抗热裂能力较低，为此要严格选用焊接材料：
①要严格限制填充材料中氧、硫和磷的含量；
②选用含有脱氧剂和变质剂的焊材，如Mn、Cr、AI、Mo、Ti等，以提高焊缝抗气孔和抗热裂的能力。

钼是提高活化能力最有效的元素，焊缝中加一定量的钼能有效地防止多元化裂纹。

实践表明，在30~40%Ni 的焊缝中，含有1.8~2.0%Mn和3.4~4%Mo时，焊缝就具有较高的抗气孔和抗热裂纹的能力，此时接头也具有较高的机械性能。

（3）为减少钢的熔化量，以减少焊缝中碳及有害杂质的含量，应尽量降低钢母材的熔化量，选择正确的焊接方法。

（4）镍与低碳钢焊缝焊后进行消除应力热处理，虽然可以降低焊接应力水平，但随之带来性能方法的不利影响，增大热裂机会，所以在一般的情况下，以不进行焊后消除应力热处理为好。

（5）采用较少的焊接规范。

大的焊接规范会使焊缝和镍一侧热影响区组织粗大，并使碳钢一侧热影响区产生魏氏组织。

较小的焊接规范，可以保证接头具有良好的机械性能，以及降低焊缝热裂倾向。

（6）焊前对焊材及母材进行仔细清理。

（7）为减小钢与镍的温度差及裂纹倾向，焊前对钢母材进行适当的预热。

2、镍与不锈钢的焊接
镍与不锈钢的焊接，焊缝金属一般不会出现马氏体组织，因此，只要采取合理的工艺措施，选择合适的填充材料，即可获得良好的焊接接头。

镍基热强合金与18—8型不锈钢焊接时，焊缝金属通常是单相奥氏体组织，很容易产生多边化裂纹。

用氩弧焊法焊接Cr20Ni80（镍基热强钢）与1Cr18Ni10Ti时，当焊缝中含6.5%Mo时，就几乎完全地消除了热裂纹。

试验证明，提高抗热裂性能最好的方法，也是用钼对焊缝金属合金化。

考虑到母材的稀释等的影响，管状焊丝中的钼含量应在30%左右。

Cr20Ni80与1Cr18Ni10Ti钢MIT焊接时，可采用下列三种含钼量高的焊丝：①10~12%Cr、60~58%Ni、30%Mo；②10~12%Cr、65~63%Ni、25%Mo；
③12~15%Cr、68~65%Ni、20%Mo。

图6、管状焊丝成分对Cr20Ni80与1Cr18Ni10Ti钢MIT焊缝热烈倾向的影响。