Сварка никелевых сплавов

Дата публикации:

12.12.2025 г.

Сварка никелевых сплавов играет ключевую роль во многих отраслях промышленности. В данной статье представлены общие принципы сварки никелевых сплавов, рекомендуемые методы и сварочные материалы, влияние легирующих добавок на свариваемость, а также требования к подготовке и термообработке после сварки.

Общее описание технологии сварки

Сплавы никеля, как правило, свариваются так же, как и нержавеющая сталь, при этом сплавы никеля более «тяжелые», менее текучие, а озеро имеет меньшую глубину вплавления. В связи с этим конструкция сварочной канавки должна быть тщательно подобрана. В основном рекомендуется вводить меньшее количество тепла путем использования низких токов сварки и медленного ведения горелки или электрода. Не рекомендуется выполнять широкие колебательные швы. Рекомендуется, чтобы сварочные швы были слегка выпуклыми, а плоские и вогнутые швы следует избегать (которые допустимы при сварке нержавеющей стали).

Зона влияния тепла SWC / HAZ

Зона термического влияния — это металл за пределами сварного шва, который не расплавился, но свойства и микроструктура которого изменились под воздействием температуры сварки. Разница в микроструктуре видна на фотографии ниже.

Поперечное сечение сварного шва и зоны термического влияния HAZ. Подписи: Unaffected base metal — металл, не подвергшийся воздействию тепла, Weld interface — граница плавления, HAZ — зона термического влияния SWC. Источник: ASM Specialty Handbook, Nickel, Cobalt, and Their Alloys

Растрескивание при нагревании в зоне воздействия — одна из проблем, возникающих при сварке никелевых сплавов. Она связана с ростом зерна. Ее можно предотвратить:

выбирая сплав с другим химическим составом,
надлежащим образом отжигая сплав перед сваркой, чтобы получить мелкозернистую структуру,
ограничивая поступление тепла во время сварки.

Например, сварка электронным пучком ограничивает поступление тепла и является рекомендуемым методом сварки сложных, упрочненных выделением никелевых сплавов.

Подготовка к сварке

Подготовка поверхности. Из-за опасности растрескивания, вызванного загрязнениями (в основном соединениями серы, а также фосфора или свинца), перед сваркой поверхность должна быть тщательно очищена. При нанесении многослойных швов очень важно удалить с поверхности каждого шва оксиды, поскольку они обычно плавятся при гораздо более высокой температуре, чем сами никелевые сплавы. Также рекомендуется шлифовать места начала и окончания швов.

Рекомендуется сваривать сплавы в отжиженном состоянии. Особая осторожность рекомендуется при сварке элементов, упрочненных деформацией.

Из-за вредного воздействия серы атмосфера сварки должна быть защищена от соединений серы.

Подогрев перед сваркой обычно не требуется, если сплав имеет комнатную температуру. Если температура составляет 2 °C и ниже, область сварки необходимо подогреть до температуры не менее 16 °C, чтобы предотвратить конденсацию. Влага может привести к пористости сварного шва.

Выбор сварочных материалов для данного сплава

Сплав 200 / сплав 201: электрод ENi-1; сварочная проволока ERNi-1;
Alloy 400: электрод ENiCu-7; сварочная проволока ERNiCu-7;
Сплав 450, медно-никелевый сплав с высоким содержанием меди: электрод ECuNi; сварочная проволока ERCuNi;
Сплав 600: электрод ENiCrFe-1, ENiCrFe-3, ENiCrFe-7; сварочная проволока ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
Сплав 601: электрод ENiCrFe-3; сварочная проволока ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
Сплав 625: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrMo-3;
Сплав 617: электрод ENiCrCoMo-1; сварочная проволока ERNiCrCoMo-1;
Alloy 800HT: электрод ENiCrCoMo-1; сварочная проволока ERNiCrCoMo-1;
Сплав 825: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrMo-3;
Сплав 686: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrCoMo-(4 до 10);
Сплав 622: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrCoMo-(4 до 10);
Сплав C-276: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrCoMo-(4 до 10);
Alloy G: электрод ENiCrMo-3, ENiCrMo-9; сварочная проволока ERNiCrCoMo-(4 до 10);
Alloy G-2: электрод ENiCrMo-3, ENiCrMo-9; сварочная проволока ERNiCrCoMo-(4 до 10);
Alloy 690: электрод ENiCrFe-3, ENiCrFe-7; сварочная проволока ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
Сплав 718: сварочная проволока ERNiFeCr-2
Alloy X-750: сварочная проволока ERNiFeCr-2

Выбор сварочных материалов при сварке никелевых сплавов со сталью и медными сплавами

При соединении никелевых сплавов со сталью и медными сплавами следует использовать следующие сварочные материалы:

Сплав 200 / Сплав 201:

из нержавеющей стали: электрод ENiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с углеродистой/низколегированной сталью: электрод ENiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с никелевой сталью 5-9% Ni: электрод ERNiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с медью: электрод ENiCu-7; сварочный провод ERNiCu-7;
с медно-никелевым покрытием: электрод ENiCu-7; сварочный провод ERNiCu-7;

Сплав 400:

из нержавеющей стали: электрод ENiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с углеродистой/низколегированной сталью: электрод ENiCr-7; сварочная проволока ERNi-1;
с никелевой сталью 5-9% Ni: электрод ENiCr-7; сварочная проволока ERNi-1;
с медью: электрод ENiCu-7; сварочный провод ERNiCu-7;
с медно-никелевым покрытием: электрод ENiCu-7; сварочный провод ERNiCu-7;

Сплав 600 / сплав 601 / сплав 690 / сплав 800:

из нержавеющей стали: электрод ENiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с углеродистой/низколегированной сталью: электрод ENiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с никелевой сталью 5-9% Ni: электрод ENiCrFe-2; сварочная проволока ERNiCr-3;
с медью: электрод ENi-1; сварочный провод ERNi-1;
с медноникелем: электрод ENi-1; сварочный провод ERNi-1;
(из-за высокого содержания хрома при сварке сплава 690 с медью и медноникелем перед сваркой медную часть следует «смазать» сварочным металлом на основе никеля)

Сплав 825:

из нержавеющей стали: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrMo-3;
с углеродистой/низколегированной сталью: электрод ENiCrMo-3; сварочная проволока ERNiCrMo-3;
с никелевой сталью 5-9% Ni: электрод WE 113; сварочная проволока ERNiCrMo-3;
с медью: электрод ENi-1; сварочный провод ERNi-1;
с медно-никелевым покрытием: электрод ENi-1; сварочный провод ERNi-1;

Влияние легирующих добавок на свариваемость

Чистый никель сваривается без особых проблем, хотя имеет склонность к пористости сварного шва.

Медь не оказывает существенного влияния на свариваемость никелевых сплавов. Медно-никелевый сплав 50Ni-50Cu сваривается в принципе так же, как чистый никель, а 30Ni-70Cu — как медь.

Хром уменьшает склонность к пористости сварного шва. 15%Cr в сочетании с 1%Si может увеличить склонность к горячему растрескиванию. Сплавы Ni-Cr имеют выгодно узкий диапазон затвердевания. Хром также имеет естественное сродство с кислородом, азотом и водородом. По этой причине при сварке никелевых сплавов с хромом необходимо использовать защитные атмосферы.

Железо до 8% не влияет на свариваемость никель-хромовых сплавов. В сплавах, содержащих более 40% Fe (например, сплав Alloy 800), железо увеличивает склонность к горячему растрескиванию.

Углерод значительно ухудшает свариваемость, особенно чистого никеля. Поэтому чистый никель для высокотемпературных применений (например, сплав Alloy 201) должен содержать не более 0,02% C, а никель для сварки должен дополнительно содержать легирующие добавки титана. В никелевых сплавах углерод не ухудшает свариваемость так сильно, поскольку связывается с медью, хромом и титаном.

Марганец улучшает свариваемость никелевых сплавов. В сварочных электродах на основе никеля содержание марганца может достигать 9%.

Магний защищает от растрескивания под воздействием высоких температур в зоне теплового воздействия.

Кремний увеличивает склонность к растрескиванию под воздействием высоких температур, особенно когда его содержание превышает 1%. Наиболее негативно кремний влияет на сплавы Ni-Cr.

Титан и алюминий являются добавками, упрочняющими выделение. Алюминий также повышает устойчивость к окислению. Более высокое содержание этих элементов значительно повышает риск растрескивания сплава при нагревании.

Бор добавляется в количестве 0,003–0,100% для улучшения высокотемпературных свойств. При концентрации выше 0,030% бор значительно ухудшает свариваемость, увеличивая вероятность растрескивания сварного шва и зоны термического влияния.

Цирконий оказывает сходное, но несколько меньшее влияние на свариваемость, чем бор.

Сера является, вероятно, наиболее распространенной причиной проблем при сварке никелевых сплавов. При температурах выше 316 °C (для чистого никеля) или 650 °C (для сплавов Ni-Cr) она образует вредные выделения, вызывающие растрескивание как в зоне сварки, так и в зоне теплового воздействия. Легирующие добавки магния и марганца ограничивают вредное воздействие серы. Кроме того, при сварке необходимо проявлять особую осторожность, чтобы не загрязнять сплав соединениями серы.

Свинец имеет такое же вредное воздействие, как и сера, но загрязнение свинцом происходит гораздо реже, чем загрязнение серой, поскольку в условиях мастерской соединения свинца встречаются гораздо реже.

Фосфор имеет сходное действие с свинцом и серой, при этом вредное воздействие фосфора начинается при температурах выше 870 °C, поэтому проблема растрескивания в меньшей степени касается зоны воздействия тепла.

Термическая обработка после сварки

Термическая обработка после сварки касается в основном сегрегационно-упрочненных сплавов никеля (для успешного упрочнения упрочняемый сплав должен быть, как правило, в отжиженном состоянии. Сварка сегрегационно-упрочненных сплавов может вызывать старение [англ. strain-age cracking]). В остальных никелевых сплавах это обычно не требуется нормами. Отжигать также необходимо сварные соединения никелевых сплавов с нержавеющей сталью. Ниже приведены несколько примеров никелевых сплавов, которые требуют термической обработки после сварки.

Сплав Alloy 602 CA / 2.4633 - сплав с высоким содержанием алюминия. Термообработка после сварки рекомендуется, если сварные детали будут эксплуатироваться при температуре в диапазоне 600-750 °C. Перегрев 1220 °C; охлаждение воздухом/водой + стабилизация 950 °C; 3 ч; охлаждение воздухом.

Сплав Alloy 80a / 2.4952 — термообработка после сварки улучшает прочностные характеристики и коррозионную стойкость. Параметры обработки для различных изделий см. по ссылке.

Сплав Alloy 200 / Alloy 201 - термическая обработка после сварки рекомендуется, если сварной шов будет эксплуатироваться в агрессивной среде с щелочной реакцией. Необходимо проводить отжиг при 700 °C в течение 30 минут для листа толщиной 25 мм, охлаждать воздухом.

Сплав Alloy 600 / 2.4816 - тепловая обработка после сварки рекомендуется, если сварной шов будет эксплуатироваться в агрессивной среде с щелочной реакцией. Необходимо проводить отжиг при 900 °C в течение 1 часа, охлаждать воздухом.

Сплав Alloy 400 / 2.4360 - термическая обработка после сварки рекомендуется, если сварной шов будет эксплуатироваться в среде фтористоводородной кислоты. Необходимо проводить отжиг при 600 °C в течение 30 минут, охлаждать воздухом.

Проблема низкой прочности зоны теплового воздействия

Относится к: сплавам, упрочненным сегрегацией, сварным в упрочненном (состаренном) состоянии.

Описание: воздействие температуры растворяет упрочняющие выделения. Зона воздействия тепла перестает быть упрочненной. Кроме того, могут появиться трещины.

Решение: пересыщение отжигом после сварки и повторное старение.

Проблема старения

Относится к: сплавам, упрочненным выделением, в которых общее содержание алюминия и титана превышает 6 %, например:

Rene 41,
Alloy 702,
Alloy 700,
Unitemp 1753,
Udimet 500,
Astroloy,
Alloy 713,
B-1900 Alloy
Waspaloy

Описание: Во время сварки металл дважды — при нагревании и охлаждении — проходит через диапазон температур старения (обычно 600-750 °C). Затем, при нагревании для термообработки после сварки, когда сплав снова проходит через температуру старения, возникающие напряжения приводят к появлению трещин старения.

Решения:

выбор сплава с меньшим содержанием Ti+Al (например, сплав Alloy 718),
термическая обработка в вакууме или защитной атмосфере,
сварка в устаревшем состоянии (особенно полезно в случае Rene 41),
быстрый нагрев при термообработке после сварки.

Кроме того, такие стыки всегда следует сваривать в расслабленном состоянии и ограничивать количество подаваемого тепла.

Ремонтная сварка

Как правило, никелевые сплавы не изменяют свой химический состав даже после длительной эксплуатации и могут быть отремонтированы с помощью сварки. Ремонтная сварка особенно возможна, если повреждение носит локальный характер. Однако длительное воздействие сернистых, углеродистых или окисляющих сред может ухудшить общее состояние детали настолько, что возможности ремонтной сварки будут ограничены.

Сварка литейных сплавов

Многие никелевые сплавы, предназначенные для обработки, имеют литейные аналоги. Эти сплавы обычно имеют более высокое содержание кремния, поэтому их сварка вызывает больше проблем.

Библиография

Special Metals, Welding Nickel Alloys

Hastelloy International, Welding and Joining Guidelines

ASM Specialty Handbook, Nickel, Cobalt, and Their Alloys

Нужна помощь? Свяжитесь с нами!

Позвоните или напишите сообщение, и наш представитель свяжется с вами в течение 24 часов!

Написать

[email protected]

Позвонить

+48 793 726 124

Отправить запрос