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试论镍基合金在异种钢焊接中的应用

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：孙增军陈兆飞任海涛

[导读] 摘要：异种钢在焊接的过程中由于二者间存在较大的物化性质差异，造成焊接时会出现多种问题，难以达到需要的焊接效果，不利于进一步工序的进行。

        中国石油天然气第七建设有限公司山东胶州 266300
        摘要：异种钢在焊接的过程中由于二者间存在较大的物化性质差异，造成焊接时会出现多种问题，难以达到需要的焊接效果，不利于进一步工序的进行。在本文中，以常见的低合金耐热钢和奥氏体不锈钢这两种钢材之间的焊接为例，探讨异种钢焊接时存在的各种问题，引入镍基合金材料，通过科学专业的焊接工艺保证焊接质量和效率。
        关键词：镍基合金；异种钢焊接；应用
        异种钢焊接，通俗的来讲，即不同种材质的钢材通过焊接方法熔融在一起的过程成为异种钢焊接。异种钢焊接接头和同种钢焊接接头有本质差异，主要是熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在的不均匀性，异种钢焊接时由于选择的焊材与母材不同，要推算焊缝金属的成分、组织及性能。焊接电孤的热传导温度场；焊接接头金相组织和性能；焊接性试验和工艺认可试验；船舶高效焊接用的设备和相应的高效焊接技术；各种金属材料的焊接工艺；石油化工、大型梁和柱、压力容器制造、海洋工程管结构和船体结构的金属结构焊接工艺都是异种钢焊接的范围，下面就对异种钢的焊接过程中存在的问题及措施进行分析。
        1异种钢焊接过程中存在的主要问题
        1.1焊缝金属稀释
        异种钢焊接时存在焊缝合金成分与焊缝周围金属的差异，母材融化量与母材的厚度、焊缝大小和形状、电弧电压、焊接位置以及焊接速度等因素有关，在不同种钢材进行焊接时，母材融化区域和熔敷金属互相稀释的作用将发生改变，造成焊接接头部位化学成分改变，接头化学成分不均匀，引起焊缝处金属组织发生变化，从而影响焊接接头的质量。若将镍基合金作为隔离层应用到焊接工艺中，可以阻止金属化学成分的变化，并调控焊缝周围温度，避免焊缝金属稀释。
        1.2接头残余应力
        异种钢之间金属组织的差异导致二者线膨胀系数不同，同时接头位置还存在塑性差异和导热性差异，会在焊接时造成热循环温度场的反常，使得焊接接头存在残余应力，影响接头部位的稳定性，影响焊接部件的使用寿命。
        1.3碳迁移
        熔池内部与边缘处发生填充金属与熔化的母材金属混合，但是混合情况存在一定的差异，不完全混合区域出现在焊缝边界处，在异种钢一边出现脱碳层，另一边出现增碳层，影响焊接结构的可塑性和持久性。增加焊缝部位镍元素的含量，可以通过石墨化作用有效抑制碳化物的形成，从而避免碳迁移形成扩散层[4]。
        2异种钢焊接过程中问题的解决对策
        上面对异种钢焊接过程当中经常出现的问题进行了介绍。在实际的施工环节当中，如果在焊接过程中异种钢发生问题，将会影响到整个焊接的质量，对整个施工的质量也会带来很大的影响，所以对其中存在问题进行研究和解决是十分必要的。首先要注意的问题就是对于焊缝金属稀释这一问题，通常情况下，在对异种钢焊接时，焊缝合金的成分会与周围的金属成分存在着一定的差异，并且受到一些因素的影响，在焊接时焊缝金属受到稀释，就容易发生变形。稀释过程中焊接部分的成分也将发生改变，并且导致了这些成分分布十分不均匀，从而引发了焊缝处金属的组织发生了改变，影响到整体焊接的质量。所以将镍基合金应用到焊接工艺当中，作为焊接时焊缝与焊头的隔离层可以使金属化学成分的变化问题得以有效的解决。并且会对焊缝周围温度加以控制，从而保证了金属不被稀释。所以使用镍基合金在异种钢焊接过程当中，会有效的避免焊缝金属稀释以及化学成分改变所带来的影响。对于焊接接头当中存在残余应力这一问题也要进行有效的解决。因为在异种钢焊接过程中，金属之间存在着差异，导致了焊接时两者膨胀系数发生改变而存在不同。

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这样就会使其在实际的工作过程当中出现热循环异常的问题，接头位置的导热性能和金属之间就会存在着一定的差异，使得焊接接头出现残余应力，影响了焊接过程中焊接头部的稳定性能，对焊接部件的使用寿命也会带来一定的影响。所以去除接头残余应力，将会有效地提高焊接部分的使用寿命和质量，使用镍基合金当做焊接材料可以有效的提升金属与接头之间的性能差异。减少接头部分所存在的导热性，从而使其在焊接过程当中热循环环节不会出现问题。保证了焊接接头残余应力的同时，对整个接头部分的稳定性和焊接过程中的质量和效率带来更好的提升。
        所以，在异种钢焊接过程当中，应用镍基合金将会有效地解决接头残余应力这一问题。在异种钢焊接过程中，碳迁移问题也很容易出现。碳迁移问题产生的主要原因就是溶池内部与边缘的金属影响之下发生融化，金属材料与液体相互混合。这就使得碳含量在异种钢接头部分存在着一定的差异，导致了在焊缝边界处出现了不完全缝合部分。从而出现了脱碳层和增碳层，这两部分将对焊接的结构带来质量上的影响。而有效地使用镍基合金，可以减少碳迁移现象的出现，对碳迁移而产生的碳化物形成起到一定的抑制作用，避免了碳迁移之后所形成的脱碳层和增碳层的出现，对整个焊接的结构和质量带来更好的提升。
        3镍基合金的焊接特点和应用效果
        镍基合金的焊缝金属组织成分单一，液相流动性较差，为奥氏体组织，在焊接过程中的熔深较浅，容易出现小气孔和微小的热裂纹，影响焊接质量，因此在焊接之前需要做好准备工作，购买高质量的镍基合金材料，根据异种钢材性能和焊接质量要求选择合适的镍基合金进行操作，并在工艺进行之前严格彻底地清洁好焊丝和工件，避免杂质影响焊接效果。在焊接期间，需控制热输入量的大小，避免接头高温时间过程，以提高接头的耐腐蚀性，较少并控制裂纹数量。焊接时需根据实际情况选择适合的焊接速度，不宜过快，选择窄焊道的工艺来焊接，采用短弧进行TIG焊和电弧焊，控制层间温度在100℃之下，避免过高引起焊缝膨胀影响焊接效果。首先在使用焊条电弧焊对异种钢进行加工时，镍基合金材料需要安置隔离层。在安装隔离层的过程中，要对隔离层的质量进行专项检验。当隔离层通过检验之后，需要进行专业的热处理来对其进行处理。处理的目的是消除隔离层当中存在的残余应力。进行了热处理工作之后，要选用焊条电弧焊和手工钨极氩弧焊来将奥氏体不锈钢和低合金耐热钢焊接起来。在实际的焊接操作过程当中，应按上述介绍的先后顺序依次进行操作。在对隔离层进行焊接时，对电弧焊和手工钨极氩弧焊的焊材使用一定要加以重视，按照材料型号对焊材进行应用时也要注意一些问题。首先焊材的使用一定要满足国家规定的标准，本文在对隔离层进行焊接时，通常要选用镍基焊材。镍基焊材（焊丝和焊条）的金属成分一定要达到相应的标准。隔离层在进行焊接时，焊材的选用和控制是十分必要的。
        因为如果焊材成分选择不当，将会造成一些精度上的误差。在对隔离层电焊条进行焊接过程当中，电流的大小和极性务必要符合要求。选用镍基焊材进行焊接，不但会使隔离层的质量达标，还会使整个焊接接头的质量得到提升，对异种钢焊接的发展带来更好的帮助。同时还会保证焊接接头的质量和施工过程当中的安全性，并且保证了焊接接头的使用寿命和使用的效果。
        4结束语
        综上所述，镍基合金在异种钢焊接过程中存在很大的应用价值，通过镍基合金隔离层，可以有效抑制焊缝中的碳迁移行为，减少焊缝金属稀释并降低剩余应力，从而能够保证焊接接头的质量，提高焊接时的使用效率，对相关异种钢焊接工作具有较大的参考价值。
        参考文献：
        [1]李涛，盛国福，郭蕊妍.镍基合金格架弹簧压力电阻焊接工艺研究[J].工程建设与设计，2020（14）：147-148.
        [2]于国英，李辉，张勇，张林.某铸造镍基合金的高温性能研究[J/OL].热加工工艺，2020（19）：70-72.
        [3]纪颜松.镍基合金在异种钢焊接中的应用[J].石化技术，2017，24（12）：4-5.
        [4]靳红梅，任世宏，李永红，张建晓.镍基合金在异种钢焊接中的应用[J].电焊机，2009，39（04）：148-150.