镍及镍基合金焊接PPT课件

第6章镍及镍合金的焊接镍及镍合金具有独特的物理性能和力学性能，耐蚀性强，在200~1090℃范围内能耐各种介质的侵蚀，具有良好的高温和低温性能，在石化、航空航天、海洋开发等许多领域得到广泛应用。

航空发动机需要的镍合金材料占整体结构材料的一半以上，包括发动机的燃烧室、火箭叶片、导向叶片等均采用镍合金的焊接结构.所以，镍及镍合金的焊接技术在结构制造中占据着重要地位。

6.1 镍及镍合金的性能及焊接性特点6.1.1 镍及镍合金的分类工业生产中常用的纯镍及镍合金的种类较多，通常是按合金元素、强化方式、成形方法和用途进行分类。

(1) 按合金元素分类镍及镍合金根据合金元素含量不同，可分为工业纯镍和镍合金。

镍合金是在纯镍中加入Cu、Cr、Mo、Fe、Nb、W等合金元素形成的，如Ni-Cu、Ni-Cr-X和Ni-Cr-Mo-Cu等。

①工业纯镍颜色比银略黄而有光泽，具有优良的塑性和韧性，还具有耐大气、碱、淡水等介质的锈蚀能力。

在工业生产中，纯镍多数是以压延制成板材用于产品结构。

镍的成分占99%以上，含碳量不超过0.3%，在高温中比较稳定，有一定的热强性。

②Ni-Cu合金也称为蒙乃尔合金（Monel），兼备Cu和Ni的耐蚀性，在还原介质中比Ni的耐蚀性强。

Ni-Cu合金对、中性水溶液、苛性碱溶液、稀硫酸和磷酸等具有良好的耐蚀性能。

但在卤化物和浓硝酸溶液中耐蚀性较差。

③Ni-Cr和Ni-Cr-Fe合金也称为因康乃尔合金（Inconel），含镍量较多，约占70%以上。

这种合金具有抗高温氧化和耐氯离子介质的应力腐蚀性能。

固溶状态的Inconel合金，不含氯离子和氧的高纯度水中具有晶间应力腐蚀开裂倾向。

④Ni-Cr-Mo和Ni-Cr-Mo-Cu合金也称为哈斯特洛依合金（Hastelloy）。

Ni-Cr-Mo 合金由于加入较多的Cr和Mo，具有较强的耐蚀性，如耐各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐的混合物和亚硫酸的腐蚀。

镍及镍合金的焊接工艺一、焊接方法的选择根据镍及镍合金可焊性特点，焊接工艺方法的选择是否能焊好镍及镍合金材料的关键。

·生产实践证明，焊接这种材料的方法可有多种，可根据不同的生产条件和结构性能的要求，可以选择不同的焊接方法。

诸如:焊条电弧焊、埋弧自动焊、TIG、MIG、扩散焊、电阻点焊、缝焊及对焊等;还可以采用等离子弧焊、电子束焊以及钎焊等方法。

但在生产中应用比较多的是钨极氩弧焊(TIG)和焊条电弧焊。

二、焊前准备首先焊前必须清除工件表面上的油脂、漆和油垢，还有氧化膜等污物。

表面上氧化膜及污点，在加热气氛中表面上也会形成还原性氧化物。

镍基合金熔化焊与焊接钢相比有低熔透性的特点，熔池小，熔附金属流动性差。

从焊接性能来看，不宜采用大的线能量来增加熔透性，以防止焊接材料过热，使脱氧元素过多的烧损以及焊接熔池过分搅动所导致的焊缝成型不良。

为保证熔透，应选用大坡口角度和小钝边的接头形式。

三、预热和焊后热处理轧制的镍基合金一般不需预热，但当母材温度低于15℃以下时，应对接头两侧250-300mm宽的区域加热15-20℃，以免湿气冷凝导致焊缝气孔。

层间温度应严格控制，生产实践中大都控制在100℃以下，以减少过热。

虽然有时为保证使用中不发生晶间腐蚀或应力腐蚀而采取稳定化处理，但一般不推荐焊后热处理。

四、钨极氩弧焊焊接工艺钨极氩弧焊是镍基合金生产口应用最广泛的焊接方法，一般采用直流正极性，高频引弧以及电流衰减，延时断气的焊接技术。

(1)氩气作为保护气体，要求必须干燥而且纯度要高，同时背面应通以氩气保护。

(2)钨极通常采用铈钨极，磨成尖部直径0.4mm，夹角30-60度的尖状，可保证电弧稳定和足够的熔深。

应注意避免钨极与熔池相接触，尖端污染必须磨掉。

(3)焊丝选择是决定焊接接头质量和性能的关键。

TIG用的焊丝大多与母材成分相当。

(4)工艺特点·施焊时应采取短弧、快速焊。

·操作时可作微小摆动，但应掌握好焊炬和焊丝的角度。

一. 制定镍及镍合金焊接规范的目的：氯碱化工制碱成套设备的开发、制造是我公司确定的重要增长极，也是我公司发展壮大的战略部署。

镍及镍合金焊接是氯碱化工制碱工艺流程主要耐蚀设备制作的关键工序之一，镍及镍合金焊接质量的好坏直接影响到该设备的使用寿命，因此它也是我公司成功进入制碱设备制造的核心技术之一。

为严格把握镍及镍合金的焊接质量特制订本规范。

二. 镍材焊接的特点及注意事项：因为镍具有单相组织，焊接时存在焊接热裂纹倾向、焊缝气孔、焊接接头的晶间腐蚀倾向等等。

1. 镍在高温中易于生成高度致密的保护膜，在多层焊接的结合面易产生裂纹缺陷，严重影响到材料焊接处的强度及耐蚀性，因此焊接时必须采用氩气保护焊。

在焊接面上应采用专门的保护罩防止氩气的扩散，提高氩气保护层的浓度；镍材间焊接时焊缝背后面也应有氩气保护，防止镍金属在高温时的氧化。

2.镍材的焊接最容易出现的缺陷为裂纹。

产生裂纹的主要元素为氧(O)、硫(S)、铅(Pb)等，它们易与镍形成低熔点的共晶体分布于晶界上。

在焊接时必须选用含氧、硫、铅低，且与母材耐蚀性相同的焊丝，同时注意坡口及中间焊缝表面的氧化层的清除工作。

3.镍材的焊接最容易出现的焊缝缺陷还有气孔。

焊丝、焊件表面上的水分、锈蚀、油污则是焊缝中形成氢气孔的主要来源。

因此镍的焊接必须注意焊缝表面的清洁以及焊丝、焊件的加热、保温和烘干。

4. 高温含硫气体能使镍材腐蚀和变脆。

焊接或热处理前，应彻底清除工件上的油污、油漆及润滑剂等一切含硫或含铅的污染物。

加热炉的气氛中应严格控制含硫量。

加热用煤气或天然气的含硫量应小于0.57g/m3(重庆气矿对天然气脱硫规定为小于0.29g/m3),燃料油的含硫量应小于0.5%，不得用焦炭或煤加热。

5. 焊接热循环的影响：在焊接的热作用下，焊缝和基本金属容易过热，造成晶粒粗大，使接头力学性能和耐腐蚀性能下降。

6.焊接热裂纹的产生：镍基合金具有高的焊接热裂敏感性，在弧坑易产生大口裂纹，焊缝可能产生宏观裂纹、微观裂纹或二者同时存在的裂纹。

镍及镍合金的焊接工艺一、常用镍及镍基合金及其分类镍及镍基合金具有特殊的物理、力学及耐腐蚀性能，镍基耐蚀合金在200～1090℃范围内能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能，尤其在一些苛刻腐蚀条件下是一般不锈钢所无法取代的优良材料。

在镍中添加铬、铜、铁、钼、铝、钛、铌、钨等元素后，通过固溶强化，不但可以改善纯镍的力学性能，而且可适应于各种腐蚀介质下侵蚀，并使之具有优良的耐腐蚀性。

镍基耐蚀合金根据其合金元素的含量和所占比例进行分类和命名，如Ni-Cu合金称为蒙乃尔合金；Ni-Cr-Fe合金中镍含量占优势，称因康镍合金，若铁含量高则称因康洛依合金；对于钼含量较高的Ni-Cr-Mo合金则多数称哈斯特洛依合金，也称海氏合金或哈氏合金。

二、镍及镍合金的焊接特点1、焊接热裂纹由于镍基合金为单相奥氏体组织，所以与不锈钢相比，具有高的焊接热裂纹敏感性，特别是焊缝易产生多边化晶间裂纹。

这种裂纹为微裂纹，焊后对焊缝进行着色检查时，短时间一般发现不了，但经过一段时间后，才会显露出来。

2、限制热输入采用高热输入焊接镍基耐蚀合金可能产生不利的影响。

在热影响区产生一定程度的退火和晶粒长大，高热输入可能产生过度的偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金现象，易引起热裂纹或降低耐蚀性。

如果热输入过小，会加速焊缝的凝固结晶速度，更易形成多边晶界，在一定应力下有助于多边化裂纹的产生。

3、耐蚀性能对于大多数镍基耐蚀合金，焊后对耐蚀性能并没有多大影响。

通常选择填充材料的化学成分与母材接近。

但有些镍基合金焊接加热后对靠近焊缝的热影响区产生有害影响，如Ni-Mo合金通过焊后退火处理来恢复热影响区的耐蚀性，而对于大多数镍基合金不需要通过焊后热处理来恢复耐蚀性。

4、工艺特性（1）镍及镍基合金液态焊缝金属流动性差，不像钢焊缝金属那样容易润湿展开。

由于需要控制接头的焊缝金属，镍基耐蚀合金接头形式与钢不同，接头的坡口角度更大，以便使用摆动工艺。

实例——Ni200纯镍管道焊接某化工集团5万吨离子膜片碱装置采用纯镍管道Ni200材料，管道总条240多米，焊口260多个，管道最小规格DN25mm，最大规格DN800mm，壁厚3.05～4.31mm，Ni200纯镍化学成分和焊丝化学成分见表13。

表13 Ni200纯镍化学成分和焊丝化学成分（1）低碳镍钢的焊接性分析为便于分析，将纯镍Ni200、低碳钢Q235和不锈钢18-8物理性能作一比较（见表14），纯镍焊接主要存在焊接热裂缝、气孔和外观成形差。

①焊接热裂纹纯镍含量大于或等于99％，焊接时具有一定的热裂倾向与材料中是否含有硫、磷等有害元素及含量有关，即使少量，也会产生相当大的影响，随着S、P含量增高，热裂倾向大大增加，因此控制材料中的S、P杂质，防止S、P的污染非常重要。

②焊缝气孔纯镍对氢气孔非常敏感，氢在液态金属中溶解度较大，随着温度下降而显著降低，由于纯镍热导率大，固液相温度区间小，液态金属黏度大，流动性差，焊缝结晶凝固快，熔池液态金属中溶解的氢不易析出，便生成气孔。

减少气孔必须采用合适的焊接材料，并保证焊件和焊丝的清洁、干燥，防止外界空气、油脂、水分等污染熔池。

当环境气温低于16℃时易产生气孔，这是坡口表面存在冷凝水的缘故，焊前必须预热，施焊时还要求空气相对湿度小于65％。

③未熔合和焊缝成形差由于纯镍热导率大，熔池冷却凝固快，小电流焊接不易充分熔化母材，导致焊缝易出现未熔合缺陷。

液态金属流动性和润湿性差，焊缝表面纹路较粗，且易产生咬边、凹陷，焊缝成形不如碳钢、不锈钢美观。

（2）焊接工艺①焊接方法采用钨极氩弧焊对熔池保护效果好，易操作，易保证焊接质量。

焊丝采用ERNi-1，直径2.5mm，该焊丝中含有Mn、Mn与S化合能阻止低熔共晶NiS的形成，能有效预防热裂纹的产生，焊丝中少量的铝、钛元素能起到脱氧剂的作用。

为了保护纯镍不受环境污染，Ni管子必须存放在干净、干燥和安全的仓库内，并由专人负责保管，保管和施工人员不能直接用手触摸材料，必须穿干净的工作服，戴干净的手套，总之不准对材料带来污染。