鎳基耐熱合金材料的加工與焊接

龔建東

（中鋁山東工程技術有限公司，山東 淄博 255052）

鎳基耐熱合金能夠在650℃～1000℃高溫下仍然具有較高的強度和較好的抗氧化性能，在現代工業中得到了廣泛地應用,除了能夠制造蒸汽輪機和承受高溫的石油化工設備以外，近年在工業窯爐上也有了較好的應用，山東某大型冶金機械廠就采用了Inconel 系列鎳基合金制造了工作溫度為950℃～1050℃的燃氣式焙燒爐，成功的應用于某催化劑行業。本文以鎳基耐熱合金Inconel 617 為例，詳細闡述該系列材料在焊接過程中經常產生很多焊接問題,結合生產實際，采取有效措施來保證焊接質量。

1 材料使用過程中影響質量的因素與處理

（1）在下料或吊裝過程中鋼絲繩、吊具和工作臺面上的鐵很容易嵌入或玷污表面；另外低合金鋼或鑄鐵件上使用過的砂子、玻璃珠或其它磨料進行噴丸處理，或在鎳基合金部件及設備附近對非碳鋼制品進行修磨以及采用普通碳鋼鋼絲刷清理也會導致鎳基合金污染；同時環境中的游離鐵也會使鎳基合金產生污染導致生銹；環境中的粉塵中也經常含有碳鋼浮粉?；谝陨弦蛩?，必須對鎳基合金采取保護措施，除了做好與碳鋼部件的隔離工作完，還應及時清理材料上的粉塵。

（2）鎳基合金板材加工過程中油脂、油漆、切削液、蠟筆和標記油墨中含有的雜質均有可能會給焊接帶來負面影響，焊接過程高溫、鎳及其合金容易脆化的硫、磷、鉛、和其他一些低熔點的物質也會影響焊接質量，雜質影響的深度與隨脆化的元素及其濃度、合金系統,加熱時間和溫度有密切關聯。

而這些物質往往出現在材料在正常生產過程中，因此要求焊接前必須對金屬焊接部位及附近進行徹底的清洗，清洗介質可以選擇易揮發的丙酮、酒精等有機溶劑。

2 焊接坡口設計與加工

（1）通常情況下金屬厚度、坡口型式、焊縫位置、施工條件、施焊能力等必須整體進行考慮。焊縫開口寬度為坡口設計優先考慮的因素，其寬度必須滿足焊條或焊絲能夠接觸至焊縫底部。

（2）鎳基合金與常用的碳鋼材料焊接特點有較大的差別，焊接熔深只有低碳鋼的50%，只有奧氏體不銹鋼的60%。鎳合金焊縫熔池金屬流動性較差，通過增大電流改善熔池流動性效果不明顯，因此坡口設計寬度必須滿足填充焊縫金屬能夠流動到適當位置，通過增加根部間隙或增加夾角。較為典型的坡口形式如下圖所示。

圖1 鎳基合金典型的坡口型式

（3）焊接坡口的制作宜采用機械方法加工，采用銑刀或刨刀加工坡口質量較好，而碳弧氣刨或等離子加工的坡口智聯較差，切削刀具應該鋒利并有正前角以減小材料的加工硬化，坡口加工完成后應對表面進行檢查，坡口表面不得有裂紋、分層等缺陷，當設計對探傷有要求宜采用滲透檢測，若檢測有缺陷應該處理好后再進入下一道工序。下圖為不同加工方法的切割面對比。

圖2 不同加工方法的切割面對比

（4）在材料組對前應打磨坡口及兩側各范圍內油污、鐵銹等,直至磨出金屬光澤,且焊前相應打磨范圍的表面應用有機溶劑清洗，待溶劑揮發后在坡口兩側范圍內還應涂上防飛濺涂料，切記防飛濺涂料不能污染已經清理干凈的坡口。

3 材料焊接

3.1 焊接材料選用

對于大多數焊接應用中,焊材的選用按照等強度、同成分、抗裂性、抗氣孔的原則進行選用。最終使焊縫滿足機械使用性能和抗腐蝕性能。例如對Inconel 617 合金的焊接采用手工電弧焊時可以選用Inconel 117 焊條，其焊縫金屬具有高強度、高冶金穩定性、耐蝕和耐高溫氧化的優點。且該焊條能夠適用于全位置焊。

表1 Inconel 117 焊條的化學成分及機械性能。

3.2 焊接電流確定方法

每種焊芯直徑都有一個最佳的操作電流。在規定的電流范圍內操作時,電極具有良好的電弧放電特性并且燃燒飛濺最少。然而超出范圍的使用時,電弧會變得不穩定,焊材在整個電極消耗之前往往會過熱。焊接電流過大也會導致孔隙度、破壞特性和彎曲試驗失敗，因為合金元素和脫氧劑是在融化之前先被破壞。對于特定焊縫所需的電流密度受到材料厚度、焊接位置、類型等變量的影響，而焊接線能量受焊接電壓、電流及焊接速度影響，通常需要進行綜合考慮。當其它條件相同時，一遍垂直焊接比平焊電流應低10%～20%，焊接電流操作范圍一般按照廠家使用說明和焊接工藝評定進行確定，下表為Inconel 117 焊條的推薦電流操作范圍。實際工作電流水平應通過在具有指定接頭設計的相同厚度的廢料上進行試焊來確定。

表2 Inconel 117 焊條的推薦電流操作范圍

3.3 鎳基合金焊接過程控制

（1）是否進行焊前預熱鎳合金應該根據環境問題及焊接環境確定，一遍應該保證焊材表面溫度高于露點溫度10℃以上。以防止冷凝水的形成,水分會導致焊縫氣孔。

（2）鎳合金焊接的焊接程序類似于用于不銹鋼。而合金的熱膨脹特性卻近似于碳鋼，應該根據其熱膨脹特性趨勢來在焊接過程中控制焊接變形。

（3）所有焊縫應該略凸于焊材平面，焊縫與焊材平齊時應該添加焊材補足焊縫余高。余高能夠增加焊縫的截面積從而增加焊縫承載能力，但是余高也不宜過大，會導致焊腳處應力集中，降低焊縫的疲勞壽命，因此一遍焊縫應該高于焊材1mm～1.5mm。

（4）由于鎳基合金焊縫熔融金屬流動性差，需要施焊者引導焊水的流動，使焊接金屬熔覆至接縫的側壁，并適當地填充接縫，通常采用短弧輕微擺動來實現，操作幅度取決于接頭設計、焊接位置和電極類型等因素。操作得當時，焊接處應顯示出平滑的電弧，并且沒有明顯的飛濺，當發生過度飛濺時，通常表明電弧太長，電流強度太高，或焊材已吸收水份。當操作者準備斷開電弧時，應首先控制斷弧長度，并提高行進速度以減小弧坑尺寸。這種做法減少了焊縫開裂和氧化的可能性，消除了弧坑的滾動前緣，并為再次起弧做好準備。焊縫起弧點會影響焊縫的美觀，通常采用反向起弧或“T”形起弧。即電弧應在弧坑的前緣打，然后以正常的拉珠速度返回弧坑的最后方，然后繼續焊接。它使已焊接和未焊接接頭部位的電弧長度適中，從而不會將氣孔帶入焊縫中。而快速冷卻的第一滴焊接金屬沉積在將要重熔的位置，從而將孔隙率降至最低。

4 焊后檢驗

焊后檢驗是檢驗焊接質量的必要工序，通常根據設計要求以及焊接結構件的尺寸形狀等方面，來檢驗焊接質量是否符合設計要求及規范要求，目前使用較多的方法為射線檢測，工件厚度較大時通常采用超聲波檢測，檢驗表面時通常采用滲透檢測。

5 結論

鎳基高溫合金材料在應用范圍較廣,本文通過列舉焊接方法，使操作者能夠掌握鎳基高溫合金的焊接技術,能夠較好的實現高質量的焊接，使工件性能符合設計和使用要求。