Inconel 690镍基合金材料焊接技术要点

【摘要】本文介绍了Inconel 690镍基合金材料的特性，以及其焊接要点和焊接缺陷控制要领，进而为如何在Inconel 690镍基合金材料的焊接过程中提高焊接质量提供了参考。

【关键词】Inconel 690；焊接要点；裂纹；缺陷控制

1.概述

Inconel 690镍基合金有显著的抗氧化、耐腐蚀性能，广泛应用于耐腐蚀关键部件中，但是在实际焊接过程当中，由于Inconel 690镍基合金电阻率较高，线膨胀系数大，导热率低，焊接接头中会产生较大的焊接应力，容易产生焊接变形，同时镍属于单相组织，焊接时容易产生焊接热裂纹、焊接气孔、夹渣、晶问腐蚀等焊接缺陷，Inconel 690镍基合金焊接难度极大。掌握Inconel 690镍基合金材料特性和焊接特点对于Inconel 690镍基合金焊接是非常必要的。

2.Inconel 690镍基材料基本性质

镍基合金是工业中极为重要的材料。Inconel 690镍基合金化学成分和力学性能见表1、2[1]。

Inconel 690镍基合金Cr成分较高，大约为30%，Cr可以防止晶界炭化物的析出，从而避免晶界附近产生缺铬现象，可增进抗氧化的能力。Inconel 690合金有约60%的高Ni成分，其在氢氧化钠溶液和氯化物的环境中具有抗应力腐蚀龟裂的特性。

3.镍及Inconel 690镍基合金的焊接特点

Inconel 690镍基合金为单向组织，存在热裂纹倾向，在焊接热作用下，焊缝易过热，造成晶粒粗大，导致接头力学性能和耐腐蚀性能下降。同时Inconel 690镍基合金焊接时还具有液态金属流动性差、焊缝金属熔深浅等特点。

4.Inconel 690镍基合金的焊接要求

4.1 焊前清理

清理是Inconel 690镍基合金获得好的焊接质量重要的措施之一，焊前应该严格将焊接坡口及周围50mm范围内清理干净，尤其要去除表面的氧化层、油污等杂质。焊接过程中Ni能与杂质中P、S、Pb、Al或低熔点的物质形成脆化元素[2]。由于氧化物（一般在540℃以上形成）的熔点高（2040℃），而镍的熔点低为1400℃，因而易造成未熔合。在镍及镍基合金焊接中的主要有害杂质Zn、S、C、Bi、Pb、Cd等，其能增加镍基合金的焊接裂纹倾向。坡口周围的油污、水分、灰尘及氧化层会造成焊接气孔的产生。

4.2 焊接参数的选择

Inconel 690镍基合金焊接时参数的选择对于控制焊接质量也是极为重要的，通常应选用较小的焊接线能量。由于Inconel 690镍基合金本身具有导热性差的特点，若焊接时电流过大，电弧电压过高，焊接速度较慢都易使焊接接头过热，从而产生粗大的晶粒，晶粒粗大容易导致在粗大的柱状晶粒边界上，集中了一些低熔点共晶体，其强度低，脆性大，在焊接应力的作用下进而很容易形成裂纹；另外，晶粒粗大也会使焊接接头机械性能和耐蚀性能下降。

应严格控制Inconel 690镍基合金焊接时层间温度在100℃以下，甚至50℃以下，较低的层间温度可以避免焊接接头过热产生热裂纹。

4.3 Inconel 690镍基合金焊缝表面成形的控制

Inconel 690镍基合金焊缝金属表面张力大，镍基合金流动性差，粘性大不易成形，最为理想焊缝一般为凸状，若焊缝平坦或下凹状就会由于应力作用产生裂纹。

4.4 Inconel 690镍基合金焊接材料选择

Inconel 690镍基合金的焊接材料的选择应遵循与母材匹配的原则，焊接材料中的含碳量不应超过母材的含碳量，同时要有比母材更高的铬镍比。焊接材料的规格对于焊接质量的控制也极为重要，手工钨极氩弧焊选用的常用规格为Φ0.9mm；手工电弧焊选用的常用规格为Φ4mm或Φ3.2mm，甚至Φ2.5mm。

5.常见缺陷产生原因及防止措施

焊接时比较容易出现焊缝气孔、焊接热裂纹、未熔合、焊接变形以及咬边等缺陷。

5.1 焊缝气孔

5.1.1 焊缝气孔的产生原因

最主要的原因有两个，一是气体在液态金属和固态金属中溶解度的差别，另一个是镍基合金本身材料特性，即相图中固液相温度间距小，与其他金属合金相比，Inconel 690镍基合金固态相变时间更短，致使气体来不及逸出，从而形成气孔。

焊接坡口及其两侧的油污、水分、灰尘及氧化层清理不干净都会产生焊缝气孔。镍基合金中主要是H2O、CO和N2气孔。药皮过烧脱落起不到保护作用；焊炬过高，气体保护效果不良或操作不当，以及环境风量过大等都可能产生气孔。

5.1.2 焊缝气孔的防止措施

采用含有脱氧元素或形成氧化物的焊条或焊丝可减少气孔。焊接坡口及周围用专用砂轮或不锈钢钢丝刷将氧化层清除干净，并用丙酮和无水乙醇去除其表面油污、水分、灰尘等有害物质。手工氩弧焊焊时选用直径较大的气体保护喷嘴，并选用适当的气体保护流量，使其具有良好的气体保护效果。

5.2 焊接热裂纹

5.2.1 焊接热裂纹的产生原因

Inconel 690镍基合金具有较高的焊接热裂纹敏感性，尤其在起弧、收弧的弧坑部位易产生裂纹。晶间腋膜[3]是引发镍基合金单相组织凝固裂纹的最主要冶金因素。晶间薄膜引起高温下的严重脆化，焊缝金属的热裂纹一般是由于低熔点夹杂物从表面沿晶间渗透而引起的。内部成分不均匀或焊接坡口及周围清洗不干净，有C、S、P、Ni等元素在熔池中形成低熔点共晶，结晶过程中杂质偏析现象比较严重，焊接规范不当、大的热输入，焊缝表面凸凹不平引起应力集中都会引起裂纹。

5.2.2 焊接热裂纹的防止措施

选用硫、磷含量较低或锰含量较高的镍基合金焊材以防止熔敷金属中低熔点夹杂物的产生。焊接坡口及其周围的污物及氧化层必须清理干净。焊缝表面自然成形防止由于局部应力集中而产生裂纹。

Inconel 690镍基合金焊接时其他容易出现的缺陷是夹渣、咬边，焊接过程中同样应该注意避免。

6.结论

镍基合金向来是焊接制造过程中的难点，为了提高Inconel 690镍基合金材料焊接质量，本文总结了Inconel 690镍基材料焊接的要点：容易产生焊接裂纹，以及常见缺陷产生的原因和防范措施，从而为Inconel 690镍基合金焊接起到了指导意义。

参考文献

[1]姜萍，周英顺.Inconel 690与321不锈钢异种管材的焊接[J].一重技术，2000（4）：54-58.

[2]万军.镍及镍合金的焊接[J].锅炉制造，2004（3）：32-34.

[3]于世行，郝丁华.镍基耐腐蚀合金焊接工艺[J].石油化工应用，2008，27（3）：87-89.