容器焊接中的镍基合金材料

镍基合金具有独特的物理、化学和耐蚀性能。镍基合金在200～1900℃范围内能抗各种介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。镍基合金显微组织为奥氏体，固态没有相变。母材和焊缝金属的晶粒不能通过热处理细化。

（一）镍合金牌号和分类

中国镍合金牌号采用汉语拼音字母“NS”作前缀，而后接三个阿拉伯数字表示。例如NS111，NS142，NS312，NS336，NS411等。

符号“NS”后的第一个数字表示分类号。

其中NS 1××——表示固溶强化型铁镍合金分类号。

NS 3××——表示固溶强化型镍基合金分类号。

NS 4××——表示沉淀硬化型镍基合金分类号。

符号“NS”后的第二个数字表示不同合金系列，符号“NS”后的第三个数字表示不同合金牌号顺序号。

国外按不同的合金系列将镍及镍合金分成7类：

（1）工业纯镍 工业纯镍中，w（Ni）为99.5%以上。例如镍200，镍201，其中镍201含碳量较低，主要应用于化学品装运容器和苛性碱的处理设备的制造。

（2）Ni-Cu合金 又称蒙乃尔合金，其w（Ni）达66.5%以上，例如蒙乃尔400，蒙乃尔R-405。主要用于锅炉给水加热器和石化容器的反应釜等。

（3）Ni-Cr、Ni-Cr-Fe 又称因康镍合金，其w（Ni）在60%左右，Cr为主要合金元素，Fe为次要合金元素。例如因康镍600，对应国内牌号NS312，因康镍690对应国内牌号NS315，主要用于加热器、换热器和蒸馏塔等的制作。

（4）Ni-Fe-Cr合金 又称因康洛依合金，w（Ni）为30%～50%，Fe为主要合金元素，Cr为次主要合金元素。例如因康洛依800（NS111）、因康洛依825（NS142），主要用于制造耐应力腐蚀、高温腐蚀的设备和部件。

（5）Ni-Mo合金 例如NS321（B）合金，又称哈斯特洛依B，主要用于耐盐酸等腐蚀的容器和部件的制造。

（6）Ni-Cr-Mo合金 例如NS333（C）合金。

（7）Ni-Cr-Mo-Cu合金 例如NS341合金。

国内外锅炉、压力容器常用镍基合金的化学成分参见表6-28，其力学性能参见表6-29。

表6-28 国内外锅炉、压力容器常用镍基合金的牌号及主要化学成分

表6-29 锅炉压力容器常用镍基合金的力学性能

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（二）镍基合金的焊接特点

因为镍基具有单相组织，焊接时存在与奥氏体不锈钢相类似的问题，如焊接热裂纹、焊缝气孔、焊接接头的晶间腐蚀等倾向。

1.焊接热裂纹的敏感性 镍基合金的焊接有时产生焊缝的宏观裂纹和微裂纹。热裂纹是由于硫、铅、磷或低熔点金属混入，形成晶间薄膜引起高温下的严重脆化而引起的。另外焊接热输入较大，使焊接接头过热产生粗大晶粒。在粗大的柱状晶粒边界上集中了一些低熔点共晶体，它们的强度低、脆性大，在焊接应力作用下很容易形成热裂纹。收弧时没有填满弧坑和电流衰减时间较短、收弧处熔敷金属量少，出现凹坑，其强度薄弱，在相变应力和拘束应力的作用下易产生收弧处微裂纹。

2.组织容易粗大 在焊接时的热作用下，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。

3.液态金属流动性差，不易润湿展开，易产生咬边和未熔合等缺陷 即使增大焊接电流，也不能改进液态焊缝金属的流动性，反而带来副作用，过大的焊接电流，不仅使焊接熔池过热，增加热裂纹产生的几率，而且会使焊缝金属脱氧剂过分蒸发增加气孔率。

4.对气孔的敏感性 镍基合金特别是工业纯镍等，流动性差，在焊接快速冷却时，极易产生气孔。氧气、氢气、氮气、二氧化碳、一氧化碳气体在熔化的液态镍基合金中溶解度极大，而在固态下溶解度大大减小，镍基合金焊接过程中从高温变冷时，气体在熔敷金属中的溶解度也随之下降。游离出来的气体在流动性较差的液态镍中，不能在镍基合金焊缝凝固前完全溢出而形成气孔。

5.焊缝金属熔深浅 有些镍基合金焊缝金属的熔深仅为普通碳钢的1/2。

6.焊接区的腐蚀作用 Ni-Mo合金通过敏化温度区（1200～1300℃和600～900℃）时，沿晶界有富Mo相的析出，造成Mo贫化区，导致晶间腐蚀。

（三）镍及镍基合金的焊条电弧焊

除了沉淀硬化类型镍基合金，只能采用钨极氩弧焊、等离子弧焊外，用于焊接铬镍奥氏体不锈钢的各种方法都可进行镍基合金的焊接。镍基合金焊条电弧焊的工艺要领如下：

1.焊前清理 清洁是成功焊接镍基合金的重要条件之一。铅、硫、磷和某些低熔点元素能增加镍及镍合金的焊接裂纹倾向。在焊件加热或焊接前，必须完全清除这些杂质。如果没有预热的要求，清理接头两侧各50mm的范围，包括钝边和坡口。污物、油脂可用蒸汽脱脂或用丙酮及其他无毒溶液去除。对于不溶解漆和其他杂物，可用氯甲烷、碱等清洗剂或特殊专用合成剂清洗。标记墨水一般可用甲醇清除。

2.接头形式 镍基合金熔焊与钢相比，具有低熔透性的特点，一般不采用大的热输入来增加熔透性，以防止药皮过热，使脱氧元素过多烧损以及焊接熔池过分搅动而导致焊缝成形不良。为保证熔透，应选用较大的坡口角度和较小的钝边。角接和搭接接头不能应用于高应力集中的结构，特别是不宜用在高温下或包括有温度循环的工作条件。

3.焊接材料 一般情况下焊条熔敷金属的化学成分与母材相当，可以适当地调整熔敷金属的化学成分以满足焊接性要求，例如药皮中添加Ti、Mn、Nb元素作为脱氧剂。

镍基合金焊条可分为，工业纯镍Ni-Cu、Ni-Cr-Fe、Ni-Mo、Ni-Cr-Mo三大类。按照镍基合金的类型选择对应的镍合金焊条。

4.焊前预热 轧制镍基合金一般不需要焊前预热，但当母材温度低于15℃以下时，应对接头两侧250～300mm宽的区域加热到15～20℃，以免湿气冷凝导致焊缝产生气孔。

5.操作要求

（1）采用小电流、短弧焊 镍基合金焊接时应尽量降低焊接热输入，增加焊接热输入会增加焊接热裂纹敏感性和降低耐蚀性。

（2）摆动焊 针对液态金属流动性差的特点，可采用摆动操作，但摆动幅值不应超过焊条直径的3倍，摆动时两侧位置应稍停一下，以便有足够的时间使熔化的金属与母材熔合好。

（3）起弧和收弧要求 焊接起弧时，采用反向引弧技术，熄弧前应填满弧坑。镍基合金焊接时，在收弧处易产生弧坑热裂纹，收弧后应仔细检查弧坑处，发现有微裂纹应打磨除去。

6.热处理 一般不推荐焊后热处理。镍基合金通常是在固溶状态下施焊，对于冷成形（弯、拔等）的沉淀强化合金，焊前必须作退火处理。铝钛强化镍基合金，在焊后和沉淀强化之前，需先作固溶处理，消除焊接残余应力，可防止裂纹。铸造镍基耐蚀合金的焊接需要预热100℃以上，以减少焊缝裂纹倾向，焊后还需要消除应力热处理。铸件进行焊前固溶处理，可消除铸造应力，并使组织均匀化，有利于提高焊接质量。