鐵鎳基高溫合金的焊接性及焊接工藝

鐵鎳基高溫合金的焊接性及焊接工藝一、焊接性對于固熔強化的高溫合金，主要問題是焊縫結晶裂紋和過熱區(qū)的晶粒長大，焊接接頭的“等強度”等。對于沉淀強化的高溫合金，除了焊縫的結晶裂紋外，還有液化裂紋和再熱裂紋；焊接接頭的“等強度”問題也很突出，焊縫和熱影響區(qū)的強度、塑性往往達不到母材金屬的水平。1、 焊縫的熱裂紋鐵鐐基合金都具有較大的焊接熱裂紋傾向，特別是沉淀強化的合金，溶解度有限的元素Ni和Fe，易在晶界處形成低熔點物質，如Ni—Si，Fe—Nb，Ni—B等；同時對某些雜質非常敏感，如：S、P、Pb、Bi、Sn、Ca等；這些高溫合金易形成方向性強的單項奧氏體柱狀晶，促使雜質偏析；這些高溫合金的線膨脹系數很大，易形成較大的焊接應力。實踐證明，沉淀強化的合金比固熔強化合金具有更大的熱裂傾向。影響焊縫產生熱裂紋的因素有：合金系統特性的影響。凝固溫度區(qū)間越大，且固相線低的合金，結晶裂紋傾向越大。如：N—155(30Cr17Ni15Co12Mo3Nb)，而S—590(40Cr20Ni20Co20Mo4W4Nb4)裂紋傾向就較小。焊縫中合金元素的影響。采用不同的焊材，焊縫的熱裂傾向有很大的差別。如鐵基合金Cr15Ni40W5Mo2Al2Ti3在TIG焊時，選用與母材合金同質的焊絲，即焊縫含有Y/形成元素，結果焊縫產生結晶裂紋；而選用固熔強化型HGH113,Ni—Cr—Mo系焊絲，含有較多的Mo,Mo在高Ni合金中具有很高的溶解度，不會形成易熔物質，故也不會引起熱裂紋。含Mo量越高，焊縫的熱裂傾向越??；同時Mo還能提高固熔體的擴散激活能，而阻止形成正亞晶界裂紋(多元化裂紋)。B、Si、Mn含量降低，Ni、Ti成分增加，裂紋減少。變質劑的影響。用變質劑細化焊縫一次結晶組織，能明顯減少熱裂傾向。雜質元素的影響。有害雜質元素，S、P、B等，常常是焊縫產生熱裂紋的原因。焊接工藝的影響。焊接接頭具有較大的拘束應力，促使焊縫熱裂傾向大。采用脈沖氬弧焊或適當減少焊縫電流，以減少熔池的過熱，對于提高焊縫的抗熱裂性是有益的。2、 熱影響區(qū)的液化裂紋低熔點共晶物形成的晶間液膜引起液化裂紋。A—286的晶界處有Ti、Si、Ni、Mo等元素的偏析，形成低熔點共晶物。液膜還可以在碳化物相(MC或M6C)的周圍形成，如Inconel718,鑄造鐐基合金B(yǎng)—1900和Inconel713C。高溫合金的晶粒粗細，對裂紋的產生也有很大的影響。焊接時常常在粗晶部位產生液化裂紋。因此，在焊接工藝上，應盡可能采用小焊接線能量，來避免熱影響區(qū)晶粒的粗化。對焊接熱影響區(qū)液化裂紋的控制，關鍵在于合金本身的材質，去除合金中的雜質，則有利于防止液化裂紋。3、 再熱裂紋Y/形成元素Al、Ti的含量越高，再熱裂紋傾向越大。對于Y/強化合金消除應力退火，加熱必須是快速而且均勻，加熱曲線要避開等溫時效的溫度、時間曲線的影響區(qū)。對于固熔態(tài)或退火態(tài)的母材合金進行焊接時，有利于減少再熱裂紋的產生。焊接工藝上應盡可能選用小焊接線能量，小焊道的多層焊，合理設計接頭，以降低焊接結構的拘束度。13001300面09U075€!(min>雜質對高溫合金再熱裂紋的影響1—加熱曲線對于A、B均不裂；2—加熱曲線對A裂，B不裂4、焊接接頭的“等強度”問題高溫合金焊后，在過熱區(qū)有顯著的晶粒粗化現象，接頭性能不均勻，對高溫塑性、疲勞強度、蠕變極限、持久強度、硬度等都有較大影響。為了獲得比較理想的焊接接頭，應盡量減少接頭的過熱和組織不均勻性，故焊接時應盡可能選用能量集中的焊接方法和小的焊接線能量。焊補次數增加，大大降低焊接接頭的性能，促使再熱裂紋的產生。所以，一般規(guī)定同一部位補焊不允許超過三次。重要焊縫甚至禁止補焊。三、高溫合金的焊接工藝1、 TIG焊接TIG焊是高溫合金比較好的焊接方法，尤其是鐵基合金，特別適應用于12.5mm以下薄板。為防止產生裂紋，焊接時采用小焊接線能量，窄焊道，電弧長度盡可能短，一般為1?1.5mm為宜。采用小直徑釷鎢極，端部磨成30~60°的尖角，以保持電弧穩(wěn)定，易于控制熔透和窄焊道。Ar氣保護。特別是焊接含有Al、Ti等元素的合金時，要特別加強保護。焊材可用奧氏體耐熱不銹鋼或鎳基合金。采用直流正接電源。焊接時焊矩與母材保持垂直。2、 手工電弧焊鐵基合金中手工電弧焊使用較少，特別是沉淀強化型合金幾乎不用。焊條通常選用與母材合金成分相近，或選用高鎳焊條。Incoloy800使用溫度在900°C以上，推薦用ENiCrFe—2焊條；使用溫度在540C以上，推薦用ENiCrFe—3焊條。采用小焊接線能量，小電流、快焊速、不橫向擺動、窄焊道焊接；焊接開始或結尾都應裝引弧板或熄弧板，防止裂紋的產生；采用直流反接電源。對于鎳基合金，手工電弧焊一般只適用于板厚1.6mm以上，固熔強化型合金，不能用于沉淀強化型合金的焊接。3、 等離子弧焊接熔深大，可大于7?8mm(Incoloy800)，效率高；TIG熔深2?3mm。4、 MIG焊接的熱輸入量較大，易出現熱裂紋，只用于T>12.5mm或高效率場合。自動埋弧焊同上。電子束焊接熱量集中，但易出現一些特有的缺陷，如氣孔、冷隔等，裂紋敏感性也較大。三、高溫合金的焊接工藝要點1、 加強保護高溫合金中有很多合金元素對氧具有很大的親和力，若保護不好易被燒損，特別是鐵基合金。2、 加強焊接區(qū)的清理高溫合金的表面常存在有難熔氧化膜，NiO的熔點為2090°C，如焊前未清理干凈，易在焊縫中形成夾雜物。另外，工件表面的污物未清理，也會帶來一些有害雜質：如Pb、P、S等，影響焊接接頭性能。所以，對坡口邊緣或多道焊的每道焊縫表面，都應徹底清理干凈。3、 設計合理的坡口鐵基和鎳基合金的液體金屬流動性較差，焊接時易產生未熔合缺陷。熔深一般只有低碳鋼的50%左右，奧氏體鋼的60%左右。為達到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要適當增大，鈍邊減小。鋼1\ 一一.一一r鋼和鎳基合金坡口設計的比較4、 要求高精度的裝配。5、 減少焊接接頭的過熱。焊縫的布置盡量避免交叉和分布過密，減少補焊次數，采用小焊接線能量和小截面焊道，選用脈沖焊，分段焊等工藝。6、 選用好的焊接材料。通常采用Mo和W含量較高的Ni-Cr-Mo(W)系合金焊絲，抗裂性高。即使焊接沉淀強化型合金，