龔建東

（中鋁山東工程技術(shù)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(qiáng)度和較好的抗氧化性能，在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用,除了能夠制造蒸汽輪機(jī)和承受高溫的石油化工設(shè)備以外，近年在工業(yè)窯爐上也有了較好的應(yīng)用，山東某大型冶金機(jī)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?xì)馐奖簾隣t，成功的應(yīng)用于某催化劑行業(yè)。本文以鎳基耐熱合金Inconel 617 為例，詳細(xì)闡述該系列材料在焊接過程中經(jīng)常產(chǎn)生很多焊接問題,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，采取有效措施來保證焊接質(zhì)量。

1 材料使用過程中影響質(zhì)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(tái)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(jìn)行噴丸處理，或在鎳基合金部件及設(shè)備附近對(duì)非碳鋼制品進(jìn)行修磨以及采用普通碳鋼鋼絲刷清理也會(huì)導(dǎo)致鎳基合金污染；同時(shí)環(huán)境中的游離鐵也會(huì)使鎳基合金產(chǎn)生污染導(dǎo)致生銹；環(huán)境中的粉塵中也經(jīng)常含有碳鋼浮粉。基于以上因素，必須對(duì)鎳基合金采取保護(hù)措施，除了做好與碳鋼部件的隔離工作完，還應(yīng)及時(shí)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(biāo)記油墨中含有的雜質(zhì)均有可能會(huì)給焊接帶來負(fù)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(diǎn)的物質(zhì)也會(huì)影響焊接質(zhì)量，雜質(zhì)影響的深度與隨脆化的元素及其濃度、合金系統(tǒng),加熱時(shí)間和溫度有密切關(guān)聯(lián)。

而這些物質(zhì)往往出現(xiàn)在材料在正常生產(chǎn)過程中，因此要求焊接前必須對(duì)金屬焊接部位及附近進(jìn)行徹底的清洗，清洗介質(zhì)可以選擇易揮發(fā)的丙酮、酒精等有機(jī)溶劑。

2 焊接坡口設(shè)計(jì)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(jìn)行考慮。焊縫開口寬度為坡口設(shè)計(jì)優(yōu)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(diǎn)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(dòng)性較差，通過增大電流改善熔池流動(dòng)性效果不明顯，因此坡口設(shè)計(jì)寬度必須滿足填充焊縫金屬能夠流動(dòng)到適當(dāng)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(jī)械方法加工，采用銑刀或刨刀加工坡口質(zhì)量較好，而碳弧氣刨或等離子加工的坡口智聯(lián)較差，切削刀具應(yīng)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(yīng)對(duì)表面進(jìn)行檢查，坡口表面不得有裂紋、分層等缺陷，當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)探傷有要求宜采用滲透檢測(cè)，若檢測(cè)有缺陷應(yīng)該處理好后再進(jìn)入下一道工序。下圖為不同加工方法的切割面對(duì)比。

圖2 不同加工方法的切割面對(duì)比

（4）在材料組對(duì)前應(yīng)打磨坡口及兩側(cè)各范圍內(nèi)油污、鐵銹等,直至磨出金屬光澤,且焊前相應(yīng)打磨范圍的表面應(yīng)用有機(jī)溶劑清洗，待溶劑揮發(fā)后在坡口兩側(cè)范圍內(nèi)還應(yīng)涂上防飛濺涂料，切記防飛濺涂料不能污染已經(jīng)清理干凈的坡口。

3 材料焊接

3.1 焊接材料選用

對(duì)于大多數(shù)焊接應(yīng)用中,焊材的選用按照等強(qiáng)度、同成分、抗裂性、抗氣孔的原則進(jìn)行選用。最終使焊縫滿足機(jī)械使用性能和抗腐蝕性能。例如對(duì)Inconel 617 合金的焊接采用手工電弧焊時(shí)可以選用Inconel 117 焊條，其焊縫金屬具有高強(qiáng)度、高冶金穩(wěn)定性、耐蝕和耐高溫氧化的優(yōu)點(diǎn)。且該焊條能夠適用于全位置焊。

表1 Inconel 117 焊條的化學(xué)成分及機(jī)械性能。

3.2 焊接電流確定方法

每種焊芯直徑都有一個(gè)最佳的操作電流。在規(guī)定的電流范圍內(nèi)操作時(shí),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(shí),電弧會(huì)變得不穩(wěn)定,焊材在整個(gè)電極消耗之前往往會(huì)過熱。焊接電流過大也會(huì)導(dǎo)致孔隙度、破壞特性和彎曲試驗(yàn)失敗，因?yàn)楹辖鹪睾兔撗鮿┦窃谌诨跋缺黄茐?。?duì)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(jìn)行綜合考慮。當(dāng)其它條件相同時(shí)，一遍垂直焊接比平焊電流應(yīng)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(píng)定進(jìn)行確定，下表為Inconel 117 焊條的推薦電流操作范圍。實(shí)際工作電流水平應(yīng)通過在具有指定接頭設(shè)計(jì)的相同厚度的廢料上進(jìn)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(jìn)行焊前預(yù)熱鎳合金應(yīng)該根據(jù)環(huán)境問題及焊接環(huán)境確定，一遍應(yīng)該保證焊材表面溫度高于露點(diǎn)溫度10℃以上。以防止冷凝水的形成,水分會(huì)導(dǎo)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(yīng)該根據(jù)其熱膨脹特性趨勢(shì)來在焊接過程中控制焊接變形。

（3）所有焊縫應(yīng)該略凸于焊材平面，焊縫與焊材平齊時(shí)應(yīng)該添加焊材補(bǔ)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(huì)導(dǎo)致焊腳處應(yīng)力集中，降低焊縫的疲勞壽命，因此一遍焊縫應(yīng)該高于焊材1mm～1.5mm。

（4）由于鎳基合金焊縫熔融金屬流動(dòng)性差，需要施焊者引導(dǎo)焊水的流動(dòng)，使焊接金屬熔覆至接縫的側(cè)壁，并適當(dāng)?shù)靥畛浣涌p，通常采用短弧輕微擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，操作幅度取決于接頭設(shè)計(jì)、焊接位置和電極類型等因素。操作得當(dāng)時(shí)，焊接處應(yīng)顯示出平滑的電弧，并且沒有明顯的飛濺，當(dāng)發(fā)生過度飛濺時(shí)，通常表明電弧太長(zhǎng)，電流強(qiáng)度太高，或焊材已吸收水份。當(dāng)操作者準(zhǔn)備斷開電弧時(shí)，應(yīng)首先控制斷弧長(zhǎng)度，并提高行進(jìn)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(dòng)前緣，并為再次起弧做好準(zhǔn)備。焊縫起弧點(diǎn)會(huì)影響焊縫的美觀，通常采用反向起弧或“T”形起弧。即電弧應(yīng)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(xù)焊接。它使已焊接和未焊接接頭部位的電弧長(zhǎng)度適中，從而不會(huì)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(yàn)

焊后檢驗(yàn)是檢驗(yàn)焊接質(zhì)量的必要工序，通常根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸形狀等方面，來檢驗(yàn)焊接質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求及規(guī)范要求，目前使用較多的方法為射線檢測(cè)，工件厚度較大時(shí)通常采用超聲波檢測(cè)，檢驗(yàn)表面時(shí)通常采用滲透檢測(cè)。

5 結(jié)論

鎳基高溫合金材料在應(yīng)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(shù),能夠較好的實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接，使工件性能符合設(shè)計(jì)和使用要求。