如何焊接镍合金——完整指南

通常选择镍合金是因为它们具有优异的通用性、耐腐蚀性和高温下的性能。毫不奇怪，这使得镍合金成为在极端环境中使用的热门选择，特别是在飞机涡轮机、蒸汽涡轮机、核电站以及石化和化学工业中。

鉴于其在极端环境中的使用，镍合金的焊接区域必须具有一致的性能，这是最终焊接产品能够承受极端环境的唯一方法。此外，重要的是焊缝质量高且缺陷极少，因为这些也会影响恶劣环境下的性能。

什么是镍合金？

镍合金通常被定义为以镍（一种通用元素）为主要元素的合金。历史上，镍合金被定义为镍含量超过 50% 的合金。然而，今天使用的镍合金通常具有高于 50% 的镍含量。例如：

• Inconel 718：19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb .5Al 18Fe 平衡镍
• 哈氏合金 X：22Cr 1.5Co 9Mo .6W 18.5Fe 平衡镍

镍焊

镍焊接是使用许多可用的镍合金中的一种进行的。弧焊可用于包括 Stick、MIG 和 TIG 工艺。特别是使用棒焊将产生比母材更坚固的焊缝。对于镍 MIG 焊接，保护气体是 50/50 的氦气和氩气混合物。

所有常规焊接工艺都适用于镍合金的焊接。主要区别在于热膨胀。镍合金的热膨胀系数比不锈钢低，变形的控制方法实际上与碳钢相似。

镍合金可以通过所有类型的焊接工艺或方法可靠地连接，锻焊和氧乙炔焊除外。变形镍合金可以在与焊接奥氏体不锈钢相似的条件下进行焊接。铸造镍合金，特别是硅含量高的合金，焊接困难。

焊接非时效硬化（固溶强化）变形镍合金最广泛采用的工艺是气体保护钨极电弧焊 (GTAW)、气体保护金属电弧焊 (GMAW) 和保护金属电弧焊 (SMAW) ）。埋弧焊 (SAW) 和电渣焊 (ESW) 的适用性有限，电弧等离子焊 (PAW) 也是如此。虽然在焊接沉淀硬化合金时首选 GTAW 工艺，但也使用 GMAW 和 SMAW 工艺。

镍合金通常在固溶处理条件下焊接。沉淀硬使（PH）合金如果经过任何会引入高残余应力的操作，则应在焊接前进行退火。

焊接镍合金时的常见问题

焊接镍合金时最常见和最严重的问题是热裂纹。这发生在熔合线、HAZ 或焊接金属（熔合区）中，尽管熔合线是最常受影响的区域。

通常，合金中或表面上的硫会产生这种裂纹，但铋、铅、磷和硼也会产生负面影响。为了防止这种情况发生，HAZ 和焊接金属都必须完全清除油、油脂、污垢和其他污染物。焊缝填料或母材中过量的硫也会导致问题。

为了准备材料，需要脱脂，然后彻底刷不锈钢或机器钢丝刷。确保使用专为镍合金设计的溶剂，并且在清洁后八小时内进行焊接，以防止后续污染。

热处理只能使用电炉或无硫燃料，在真空或惰性环境中进行。

如果材料已经使用过或正在修复中，则应将其打磨或机加工以去除任何可能积聚在焊缝修复区域表面的污染物。

孔隙率也是一个问题，特别是当氧气或氢气以空气夹带在焊池中的形式导致表面污染时。为了解决这个问题，需要在焊缝的正面和根部进行有效的气体吹扫和保护，并且所有气体软管都需要处于完美状态。焊接区域也需要密封，不受气流影响。

镍合金的焊接准备

焊接镍合金时，焊接准备是必不可少的。设计中最重要的方面是确保焊枪有足够的通道，如果需要，可以实现完全熔透。

最好的对接接头设计是方形对接，但由于无法穿透接头，因此受到厚度的限制。因此，通常使用 U 或 V 制备，在 10mm 厚处具有 30° 到 40° 的角度，以允许穿透和随后的填充通道。

关于气体制备，在惰性气体混合物中添加最多 10% 的氢气会很有用，因为这可以提高熔池的流动性。

镍合金焊接不需要预热，除非需要去除冷凝水。焊接镍通常需要最高 250 ̊C 的道间温度，但某些合金最多只能使用 100 ̊C。

可能需要在焊后进行一些研磨，以去除可能在熔池表面形成的粘附氧化层。有时，钢丝刷不足以去除这种焊后残留物。

焊后处理

尽管在某些情况下完全固溶退火会提高耐腐蚀性，但无需进行热或化学的焊后处理来保持或恢复耐腐蚀性。

可能需要进行热处理以满足规范要求，例如消除装配结构的应力，以避免焊件在氢氟酸蒸气或苛性钠中的时效硬化或应力腐蚀开裂 (SCC)。如果焊接产生中到高的残余应力，则PH合金需要在焊接后和时效前进行去应力退火。

镍和镍合金易受铅、硫、磷和其他低熔点元素的影响而脆化。这些材料可以存在于油脂、油、油漆、标记蜡笔或墨水、成型润滑剂、切削液、车间污垢和加工化学品中。

工件在加热或焊接之前必须完全没有异物。车间污垢、油和油脂可以通过蒸汽脱脂或用丙酮或其他无毒溶剂擦拭去除。

不溶于脱脂溶剂的油漆和其他材料可能需要使用二氯甲烷、碱性清洁剂或特殊的专有化合物。如果使用含有碳酸钠的碱性清洁剂，则清洁剂本身必须在焊接前去除。建议用热水喷洒或擦洗。标记墨水通常可以用酒精去除。

嵌入工件金属中的加工材料可以通过研磨、喷砂和用 10% HCl 溶液擦拭去除，然后用水彻底清洗。氧化物也必须从涉及焊接操作的区域中去除，这主要是因为氧化物和贱金属熔点之间的差异。氧化物通常通过研磨、机加工、喷砂或酸洗去除。

镍合金，无论是铸造和锻造，还是固溶强化或沉淀硬化，都可以通过 GTAW 工艺进行焊接。通常建议添加填料。手工和机焊均推荐使用直流电极负极（DCEN）。

保护气体

氩气或氦气，或两者的混合物，用作焊接镍和镍合金的保护气体。向氩气中添加氧气、二氧化碳或氮气通常会导致电极出现孔隙或腐蚀。可以使用含少量氢（通常为 5%）的氩气，有助于避免纯镍中的孔隙，并有助于减少焊接过程中的氧化物形成。

铸造镍合金的焊接

铸造镍合金可以通过 GTAW、GMAW 和 SMAW 工艺连接。为获得最佳效果，铸件应在焊接前进行固溶退火，以减轻一些铸件应力并提供一定的铸件组织均匀化。

在第一次通过后对凝固的金属进行轻微的喷丸处理将减轻应力，从而减少焊接金属和铸造金属连接处的开裂。后续遍数的喷丸几乎没有好处，如果有的话。焊后应力消除也是可取的。