高温合金焊接技术探讨

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：随着铝、钛含量的提高，高温合金的焊接性变差。铜是促使一些高温合金产生焊接裂纹的有害元素，例如微量铜可使钴基合金焊缝产生微裂纹，故应防止铜进入焊缝。因为高温合金的热导率低，热阻大，易于过热，熔池温度过高；线膨胀系数大，焊接残余应力相应增大。高温合金焊接时具有产生液化裂纹的倾向。

1.高温合金焊接的主要问题

高温合金焊接主要问题有：焊缝结晶裂纹、热影响区液化裂纹和焊后热处理或高温使用时形成应变时效裂纹。

（1）热裂纹敏感性高温合金中除了形成奥氏体的基本组元Ni、Fe、Cr、Co之外，不同类型的合金中添加不同合金元素，通过不同强化机制以获得所需的高温性能。其中固溶强化元素有W、Mo、Cr、Re、Al、Nb、Ta；沉淀析出强化元素有Al、Ti、Nb、Mo、Hf形成金属间化合物；碳化物、硼化物形成元素有C、B、Cr、W、Mo、Nb、Ta、Zr、Hf；弥散强化质点：Al₂O₃、ThO₃、Y₂O₃；晶界强化元素有B、Mg、Ce、Y、Zr、Hf。合金中组元多；功能非单一，作用复杂；元素含量难于控制；合金液固相线区间大，增加热裂纹敏感性。

1）结晶裂纹。结晶裂纹是在焊缝金属凝固时形成的热裂纹，主要影响因素有母材的化学成分及材料焊前热处理状态、变形程度、拘束度和焊接热输入等。

①合金元素的影响。适当增加钼的含量，可提高合金的抗裂性。钼含量较高或钼和钨含量较高的镍基合金，均具有优良的焊接性，焊缝具有很高的抗结晶裂纹的能力。

随着铝、钛含量的提高，高温合金的焊接性变差。不仅在焊接过程中会产生结晶裂纹和液化裂纹，而且还会在焊后热处理或高温加热过程中产生应变时效裂纹。在铝和钛总量相近条件下，高铝和钛之比的合金具有较高的裂纹敏感性，因此需控制铝和钛的含量之比。

碳在高温合金中均以碳化物（M₂₃C₆、M₆C、MC等）形式存在于晶界，其性质是硬而脆，当碳含量较高时，则会析出连续薄膜、胞状或魏氏组织形态的碳化物，对合金的韧性和焊接性有不良影响。此外，碳和硼还可能形成碳硼化物共晶，促进焊接结晶裂纹的形成。

微量硼可净化晶界，改善合金的综合性能，锆也有类似的作用，但是当硼、锆含量稍高时，会形成M₃B₂、Ni₅Zr与基体金属的低熔点共晶，反而促使焊接裂纹的形成。硫、磷与镍形成低熔点共晶，并向焊缝金属的晶界偏析，将促使焊缝结晶裂纹的形成。

铜是促使一些高温合金产生焊接裂纹的有害元素，例如微量铜可使钴基合金焊缝产生微裂纹，故应防止铜进入焊缝。

②材料焊前状态。所谓焊前状态是指合金构件的热处理状态，冷变形程度及拘束度等。与时效处理的合金相比，固溶处理合金具有较小的裂纹敏感性；淬火软化合金则比冷轧变形合金裂纹敏感性低，因合金经冷作变形后，合金的硬度和强度增加，塑性下降；同样，时效处理致使焊接件的拘束度增大，裂纹敏感性也就增大。

③焊接热输入。随着焊接热输入增大，高温合金的裂纹敏感性增大。因为高温合金的热导率低，热阻大，易于过热，熔池温度过高；线膨胀系数大，焊接残余应力相应增大。焊接热输入（焊接电流）是影响高温合金焊接裂纹敏感性的主要因素。

防止焊缝结晶裂纹可以采取如下工艺措施：

①采用能量集中、对熔化金属保护好的真空电子束焊方法进行焊接。

②选用小热输入焊接，减小焊接热输入，改善熔池结晶形态，减小偏析，从而降低裂纹形成几率。

③采用抗裂性优良的焊丝如HHG3113、SG-1、HGH3536、GH533。

④建议在固溶处理状态下进行焊接，对于经过深度冲压成形或严重冷作矫形的构件，焊前应作消除应力处理。

⑤降低接头拘束度。

2）液化裂纹。高温合金焊接时具有产生液化裂纹的倾向。高温合金中含有某些强化组元，在晶界会形成偏析，生成碳化物相或共晶组织。焊接快速加热过程中，在靠近焊缝被加热至固-液相温度区间的区域，晶界上的低熔点相发生了熔化，在晶界上形成液膜，造成晶界液化。当焊接接头拘束度较大，晶界液膜承受不了接头的拘束应力的作用时，则被拉开，形成液化裂纹。合金材料的晶粒粗大，晶界上有较多碳化物、硼化物、γ+γ′共晶相，则对焊接热影响区液化裂纹较敏感。

防止液化裂纹工艺措施包括尽可能降低焊接热输入、减小过热区和母材高温停留时间。

3）应变时效裂纹。铝钛含量高的沉淀强化高温合金和铸造高温合金焊接后，在时效处理过程中，在熔合线附近会产生一种沿晶扩展的裂纹，称为应变时效裂纹。

应变时效裂纹的形成与两个因素有关：焊接残余应力和拘束应力引起的应变；时效过程中塑性损失；两者共同作用引起应变时效裂纹。

防止应变时效裂纹应采取以下工艺措施：

①在选用合金时，应选择含Al、Ti含量较低的合金；也可以对合金进行“过时效”处理（分级、慢冷的时效工艺），延长开裂时间，从而防止应变时效裂纹。

②在焊接接头设计时，选用合理的形式和焊缝分布，以减小焊件的拘束度，降低接头应力；焊后对焊缝和热影响区进行合理的锤击或喷丸处理，将拉应力状态变成压应力状态。

③控制焊接热循环，避免热影响区中碳化物发生相变而引起脆性。

（2）焊接接头组织的不均匀性接头组织的不均匀性直接影响焊接接头的性能。

1）固溶强化型高温合金。焊缝金属由变形组织变成铸造组织；由于焊接熔池冷却速度快，焊缝金属因晶内偏析，形成层状组织；当偏析严重时，甚至在枝晶间形成共晶组织。焊缝中的TiN或Ti（CN）为不规则分布的独立相，碳化物相多为MC相。热影响区金属发生沿晶界局部熔化和晶粒长大；直接影响接头的拉伸性能和疲劳性能。

2）沉淀强化型高温合金。在焊接过程中，焊缝的金属发生了熔化、凝固的过程，强化相γ′或γ″和碳化物、硼化物等均溶入基体，形成单一的γ固溶体组织；某些合金会生成初生γ′，从液态金属中析出MC；由于焊缝金属冷却速度很快，形成了横向短主轴很长的树枝状晶，在树枝状晶间和主轴之间均存在较大的成分偏析，在焊缝中央会产生共晶组织。

热影响区存在组织梯度，如GH4169合金焊接热影响区中，在高温区（≥1030℃），γ′、γ″和δ相溶入γ基体中，失去γ′或γ″的强化效果，晶粒明显长大；在中温区（760～1030℃），亚稳γ″相转变为δ魏氏组织，强度和塑性显著下降。在低温区（600～760℃），晶界会析出块状δ相。在整个热影响区中NbC保持不变。

焊缝和热影响区组织不均匀性降低了焊接接头的力学性能。

（3）焊接接头的等强性高温合金构件在高温、复杂应力和有腐蚀介质的环境中工作，要求接头的高温强度、塑性与母材相同。由于焊缝及热影响区中晶粒长大、γ′强化相和碳化物的溶解形成的弱化区直接影响接头性能，事实上，焊接接头在焊态下的强度和塑性都不同程度地低于母材。焊接接头的等强性常用接头强度系数表示。接头强度系数为接头抗拉强度和母材抗拉强度之比。

固溶强化型高温合金自动氩弧焊的接头强度系数可达到90%～95%；电子束焊的接头强度系数可达到95%～98%；摩擦焊的接头强度系数可达到95%～100%。

沉淀强化型高温合金的接头强度系数较低，如氩弧焊的接头强度系数为82%～90%；焊后经固溶和时效处理，接头强度可接近母材水平。当采用非同质焊丝（不同于母材的焊丝）时，接头的强度更难以达到母材水平，接头塑性和持久强度均低于母材，而且焊接工艺不同，接头强度系数也不同。

2.高温合金电子束焊工艺

（1）母材状态建议高温合金在固溶处理或退火状态下进行焊接。

（2）接头设计推荐采用对接、锁底对接和带垫板对接形式。对接接头的表面粗糙度Ra≤3.2μm，不允许有裂纹、划伤等缺陷。

（3）装配间隙装配应使接头紧密贴合和对齐，局部间隙不超过0.08mm或0.05δ，错位不大于0.75mm或0.1δ（δ为焊接厚度）。

（4）工件去磁有磁性的零件，焊前应去磁，磁通量密度不大于2×10^-4T，有磁性的夹具及工作台也应去磁。

（5）工件表面清理清除工件表面氧化物、锈蚀、油污、灰尘等污染物质，焊前用干净绸布蘸丙酮、酒精擦拭待焊接头，风干后在进行焊接。

（6）定位焊焊件装配后利用电子束进行定位焊。定位焊点应合理布置，确保装配间隙不变。定位焊点质量与正规焊缝质量一致，应无焊接缺陷，焊点尺寸不影响电子束焊。

（7）焊接参数根据母材化学成分、焊前状态、厚度、接头形式和焊缝尺寸的技术要求确定焊接参数；高温合金焊接，推荐采用低热输入和低焊接速度的工艺。

（8）防止焊接裂纹工艺措施主要措施如下：

1）采用含杂质低的优质母材，减少晶界的低熔点相。