深度好文：镍201板对接焊接技术
介绍
某研究所熔盐生产堆制造项目中，其核心部件需耐高温、耐腐蚀，因此大量采用了耐腐蚀、耐高温性能好的镍201。但镍201液态焊缝金属流动性差，其焊接性较碳钢差，需要制定合适的焊接工艺规范，才能获得相对较好的焊接接头，保证产品的安全运行。
本研究针对该产品制造所涉及的材料，以镍201为试验对象，探究该材料的焊接工艺技术。
材料特性、化学成分和焊接性
1.1 镍201的特性
镍201在固态下为面心立方结构，无同素异形转变，化学活性较低，是大气中耐腐蚀性最强的金属之一。Ni201的物理性能见表1，力学性能见表2。
Ni在大气中不易生锈，能耐苛性酸的腐蚀，对水溶液、熔盐或沸腾苛性钠的腐蚀也有很强的抵抗力。几乎所有的有机化合物都不与Ni反应。在空气中，Ni表面形成一层很薄的NiO层，阻止Ni进一步氧化。Ni在500℃以下对C无明显影响，但含S气体对Ni有较大的腐蚀作用，特别是当Ni与Ni3S2的共晶温度在635℃以上时。
镍201合金为工业纯锻Ni，具有良好的力学性能，特别是优良的塑性和韧性；热加工性能好，最适宜的热加工温度为870℃～1230℃；延展性好，易于冷加工成形，其行为类似软钢，可在再结晶温度以上很宽的温度范围内进行退火，退火温度为705℃～925℃，过高的温度容易使晶粒长大。
镍201合金耐腐蚀，通常在室内大气中保持明亮的金属光泽，在室外大气中腐蚀缓慢，在海洋和乡村大气中腐蚀速度极低。且C含量极低，在高温下不会因C或石墨引起的脆性而发生腐蚀。主要用于加工还原性卤素气体、碱性溶液、非氧化性盐、有机酸等的设备和部件，使用时其使用温度最好低于315℃。镍板的材质为Ni201，其化学成分如表3所示。
1.2 镍201的焊接性
镍201具有良好的焊接性，相当于铬镍奥氏体不锈钢。但焊缝金属中的热裂纹和气孔以及焊缝热影响区晶粒长大趋势是镍201焊接的主要问题。
1.2.1 热裂纹
焊接镍201时，由于焊缝金属中S、Si等杂质的偏析，S与Ni形成低熔点共晶，在焊缝金属凝固过程中，低熔点共晶在晶界间形成一层液膜，在焊接应力的作用下形成凝固裂纹。焊接过程中Si与氧形成复杂的硅酸盐，在晶界间形成一层脆性的硅酸盐薄膜，在焊缝金属凝固过程中或凝固后，在高温下会在该层脆性的硅酸盐薄膜区形成高温低塑性裂纹。因此，S和Si是镍201焊缝金属中最有害的元素。
防止热裂纹的措施：首先，尽量降低焊缝金属中S、Si等杂质的含量，焊前严格清理坡口区及焊丝，严格控制母材中杂质的含量；其次，加入适量的Mn、Nb、Mo、Ti等元素来抵消S、Si等杂质的有害影响。另外，采用小线能量焊接、焊前不预热、层间温度尽量低也是十分必要的。
1.2.2 毛孔
气孔是焊接镍201时一个很难解决的问题，特别是焊接纯镍和镍铜合金时更是如此，这是因为液态镍及镍合金焊缝金属具有很大的粘度和张力，导致气体很难上浮逸出，因此产生气孔的机会较大。镍合金焊缝金属的气孔有H2O气孔、氢气气孔和一氧化碳气孔等，其中以H2O气孔为主，液态镍能溶解大量的氧，而氧对镍的溶解度大大降低，这样凝固过程中过量的氧就把镍氧化成氧化亚镍（NiO）。氧化亚镍和液态金属中的氢发生反应，镍被还原，氢和氧结合生成H2O。H2O来不及逸出，又由于熔合线及电弧收尾和起弧点冷却很快，就在那里出现了气孔。
解决毛孔的办法如下：
（1）通过焊条或焊丝向焊缝金属中添加钛、铝、锰等脱氧剂，降低焊缝金属的氧含量，防止氧化镍（NiO）的生成。电弧焊时采用碱性低氢焊条，以降低焊缝金属中的氢、氧含量。焊条应充分干燥，应采用直流反接，采用短弧焊。
（2）焊前严格清理焊件及焊丝，清除焊件表面的氧化膜、油脂、油污、涂层及颜料。
1.2.3焊接热影响区晶粒趋于长大
镍201为单相合金，有长大晶粒的倾向，加之该类合金的导热性差，因此焊接热量不易散失，容易过热，造成晶粒粗大，晶间层增厚，削弱晶间结合力，降低焊缝及热影响区的塑性和抗腐蚀性能，并延长焊缝金属液相和固相的存在时间，从而增强热裂纹的形成。
防止晶粒长大的措施：焊接时采用小焊丝能量，小电流，快速焊接，焊条不做横向摆动，不进行预热，保持尽可能低的层间温度，焊后强制冷却。
焊接方法和焊接材料的选择
2.1 镍201焊接方法
镍201的焊接方法主要有电弧焊、手工钨极惰性气体保护焊、金属极电弧气体保护焊和埋弧焊。手工钨极惰性气体保护焊在镍基合金的焊接中得到了广泛的应用，特别是对薄板、小截面、接头不能从背面焊接以及结构件焊后不允许有残渣的场合。手工钨极惰性气体保护焊保护作用强，能有效地隔绝周围的空气，使得焊接工程中的冶金反应简单、易于控制，为获得高质量的焊缝提供了良好的条件，电弧非常稳定，即使在很低的电流下（小于10A）也能稳定燃烧，特别适合于焊接薄板材料，本次研究中板材厚度仅为6mm，因此选择手工钨极惰性气体保护焊来焊接镍201。
2.2 镍201焊接材料
手工钨极惰性气体保护焊的保护气为Ar，焊丝为直径φ1.6mm的ERNi-1焊丝。镍基合金焊丝的成分大都与母材相同，但加入了部分合金元素以补偿某些元素的含量。焊丝ERNi-1的化学性能见表4，力学性能见表5。
焊接接头形式
镍基合金焊接对接接头的推荐设计形式是要有适当的可达性。根部开口角应足以使电极、焊丝和焊枪到达接头底部。与碳钢相比，镍201的主要物理特性是热导率低、膨胀系数高。在制备焊缝坡口时应考虑到这些特性，包括将底部间隙加宽1至3毫米。同时，由于焊缝金属的流动性差，不易流入焊缝。在对接焊中，两侧都应采用70°的较大坡口角，以抵消材料的收缩。有时，为了获得良好的焊缝成形，采用振荡工艺，但这种振荡是小振荡，振荡距离不超过电极或焊丝直径的3倍。
当镍基耐蚀合金板厚度大于2.4mm时，对接接头需采用V型坡口、U型坡口或J型坡口，应特别注意防止熔深不稳定，避免产生未熔合、裂纹和气孔。由于镍基合金在各种温度下的腐蚀介质中工作，因此要求有安全的熔深焊缝。
本熔盐发生器制造项目镍板规格为δ=6mm，采用手工钨极惰性气体保护电弧焊，焊接参数如表6所示。
镍板对接焊缝采用V型坡口，坡口角度为70°，接头形式为全焊透坡口焊，根部间隙为2～3mm，无垫片，如图1所示。
图1 镍板对接示意图
焊接操作流程
4.1 焊前清理坡口
（1）清理坡口、钝边及焊缝两侧30mm范围内的区域。
（2）用锉刀或砂轮清理坡口上的氧化膜。
（3）用丙酮、碱溶液或专用合成剂清洗槽上的污垢、油脂、油漆等。
4.2 焊接注意事项
（1）焊接时，在保证良好的熔深和熔合的前提下，在工艺参数范围内，尽量采用小焊接线能量、短电弧、无摆动或小摆动的操作方法。
（2）当焊件较厚，需进行多层焊时，必须符合规定。
①除打底焊外，其余焊层均应分多道焊。②道间温度应小于100℃。③每层、每道焊后，应彻底清除焊缝表面的熔渣，消除各种表面缺陷。。
（3）各层、各道次的焊缝应错开。
采用实心焊丝或不加填充焊丝的钨极惰性气体保护焊时，焊缝背面应充氩气。可设计工装实施背面保护，并满足以下要求： ① 焊接前，开始时适当增加氩气充填流量，并确定装置 ② 焊接时逐渐降低氩气流量，避免成型时氩气压力过高而出现焊缝背面内侧或根部未焊透的现象。 ③ 手工钨极惰性气体保护焊 焊接时，焊丝加热端应始终处于氩气的保护下，为加强保护效果，可在焊嘴背面加设辅助保护气拖罩。 ④ 严禁电弧划伤焊件表面，严禁引起 ⑤ 连接焊件的焊接电源接地线不得直接接触工件，过渡连接应采用与焊件相同的材料，避免铁污染。 ⑥为保证焊接时引弧和熄弧的质量，应填满电弧坑。⑦焊接结束后，必须及时清理焊缝表面的熔渣及周围的飞溅物和防飞溅材料。⑧焊接施工时应避免污染，使用不锈钢锤、不锈钢丝刷和专用砂轮。
镍201焊接试验数据
按照ASME-ⅡQW191.2.2标准，焊接24小时后探伤无缺陷，结果合格。拉伸试验标准值大于或等于，1#的实测值为，2#为，母材拉伸至弯曲试验合格。金相试验按照标准GB/T1-1991 ASME SB-162:2004 ASTM E 112进行，经打磨、蚀刻后用金相显微镜观察，结果如下：母材镍201组织为γ相，孪晶分布，晶粒尺寸7级；热影响区组织为γ相，晶粒略微扩大，晶粒尺寸6级；焊缝区组织为γ相，枝晶分布。 说明焊接时线能量控制良好，满足材料耐高温、耐腐蚀的要求，如图2所示。
基质结构形态
热影响区微观组织
焊缝区微观组织
图2 金相组织形貌
本文来自《电焊机》杂志2017年第3期