钢与镍及镍合金焊接常见问题

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导语
制造化工和石油设备时，为了节省昂贵的镍，经常需要将钢与镍及合金焊接在一起。

焊接的主要问题
焊接时，焊缝中的主要成分是铁和镍，铁和镍能够无限互溶，不形成金属间化合物。在一般情况下，焊缝中的含镍量相对高，所以在焊接接头的熔合区，不会形成扩散层。焊接的主要问题是在焊缝中容易产生气孔和热裂纹。

1.气孔
钢与镍及其合金焊接时，影响焊缝中形成气孔的主要因素是氧、镍及其他合金元素的含量。
①氧的影响。焊接时，液态金属中可能会溶解较多的氧，而氧在高温时与镍氧化，形成NiO，NiO能与液体金属中的氢和碳发生反应生成水蒸气和一氧化碳，在熔池凝固时如来不及逸出，残留在焊缝中就形成气孔。在纯镍与Q235-A埋弧焊的铁镍焊缝中，在氮和氢含量变化不大的情况下，焊缝中含氧量越高，焊缝中气孔数量越多。
②镍的影响。在铁镍焊缝中，氧在铁镍中的溶解度不同，氧在液态镍中的溶解度大于液态铁中的溶解度，而氧在固态镍中的溶解度却比在固态铁中的小，因此，氧的溶解度在镍结晶时的突变，比在铁结晶时的突变更加明显。所以，焊缝中Ni为15%~30%时的气孔倾向小，而Ni含量大时，气孔倾向进一步提高到60%~90%，钢的溶入量必然下降，因此引起形成气孔的倾向变大。
③其他合金元素的影响。当铁镍焊缝中含有锰、铬、钼、铝、钛等合金元素或符合合金化时，能提高焊缝抗气孔能力，这是由于锰、钛和铝等都具有脱氧作用，而铬和钼则提高焊缝固态金属中的溶解度。所以镍与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊缝的抗气孔能力比镍与Q235-A钢焊缝高。铝和钛还能把氮固定在稳定的化合物中，也能提高焊缝抗气孔能力。

2.热裂纹
钢与镍及其合金的焊缝中，产生热裂纹的主要原因是，由于高镍焊缝具有树枝状组织，在粗大晶粒的边缘上，集中了一些低熔点共晶体，从而削弱了晶粒间的联系，降低了焊缝金属的抗裂能力。另外，焊缝金属的镍含量过高对焊缝金属产生热裂纹有重大的影响，在铁镍焊缝中，氧、硫、磷等杂质对焊缝热裂纹倾向也有很大的影响。
当采用无氧焊剂时，由于焊缝中氧、硫、磷等有害杂质质量的减少，特别是含氧量的下降，使裂纹量大为减小。因为熔池结晶时，氧和镍能形成Ni+NiO共晶体，共晶温度为1438℃，而且氧还能加强硫的有害作用。所以焊缝中含氧量较高时，热裂纹倾向较大。
Mn、Cr、Mo、Ti、Nb等合金元素，均能提高焊缝金属的抗裂性能。Mn、Cr、Mo、Ti、Nb均是变质剂，能细化焊缝组织，并能打乱其结晶方向。Al、Ti还是强烈的脱氧剂，能降低焊缝中氧的含量。Mn能与S形成难熔化合物MnS，从而减少硫的有害作用。


焊接接头的力学性能
铁镍焊接接头的力学性能与填充金属材料以及焊接参数有关。在焊接纯镍和低碳钢时，当焊缝中Ni当量低于30%，在焊缝快速冷却条件下，焊缝中会出现马氏体结构，使接头的塑性和韧性急剧下降。因此，为了使接头获取较好的塑性和韧性，铁镍焊缝中的Ni当量应大于30%。