焊缝表面突出来的金属是什么

① Ni基材料的焊接问题

由于镍及镍基合金具有独特的物理、化学和耐蚀性能，同时又具有良好的高温和低温力学性能，因此镍及镍基合金在化学、石油、航天、航海和原子能等许多领域得到了广泛的应用。着重阐述了镍及镍基合金的焊接特点及其在焊接中常见缺陷的产生原因和防止措施。

引 言

镍是重要的有色金属，纯镍有很高的强度和塑性，它对许多浸蚀性介质均有良好的耐蚀性，对所有的碱性溶液非常稳定，在硝酸中也不容易溶解。因此常用镍及镍基合金来制造石油化工设备。在核反应堆工程中高镍合金应用甚广，如换热器等设备为了避免应力腐蚀，目前国外广泛采用因康镍600或因康洛依800等材料代替1Crl8Ni9Ti不锈钢。因为镍对氧酸有较好的耐蚀性，故在制造浓缩铀的核燃料扩散厂中，也大量应用镍。此外，镍合金具有耐热性和热强性能，所以在航空工业中也应用广泛。

1 化学成分和机械性能

常用镍基合金的化学成分见表1。

2 镍及镍基合金的焊接特点和要求

2．1 焊前清理

镍及镍基合金获得成功焊接最重要的是清理，焊前要严格将焊接坡口及两侧15mm范围内清理干净，尤其要去除表面的氧化层。因为焊接过程中Ni能与P、S、Pb、AI或低熔点的物质形成脆化元素。由于氧化物(一般在540℃以上形成)的熔点高(2 040 ℃)而镍的熔点低为1 400 ℃，因而易造成未熔合。另外在镍及镍基合金焊接中的主要有害杂质锌(Zn )、硫(S)、碳(C)、铋(Bi)、铅(Pb)、镉(Cd)等能增加镍基合金的焊接裂纹倾向；氧、氢、一氧化碳等气体在熔化的镍中溶解度极大，而在固态下溶解度大大减小，溶解度的变化是在熔化焊中引起气孔的主要原因。见表1~表2。

2．2 焊接接头形式

由于镍及镍基合金熔焊与钢相比具有导热性差，粘性强，熔深较浅，焊缝较高，易形成道间和层间熔合不良，为保证熔透，应选用较大的坡口角度和较小的钝边。同时焊接时尽量采取摆动焊(摆动焊缝宽度不大于焊条直径的3倍)，摆动至2边稍停顿使之熔合良好。

2．3 工艺参数的控制

镍及镍基合金焊接时应选用较小的焊接线能量并严格控制层间温度。由于镍及镍基合金导热性差，如果焊接电流过大，电弧电压过高，焊接速度较慢及层间温度过高都易使焊接接头过热，产生粗大的晶粒，在粗大的柱状晶粒边界上，集中了一些低熔点共晶体，他们的强度低，脆性大，在焊接应力的作用下很容易形成裂纹。这些低熔点共晶体主要有Ni—s共晶、Ni—Pb共晶、Ni—NiO和Ni—P共晶等。由此可见，焊缝中氧、硫、铅、磷等杂质对热裂纹倾向有很大的影响。另外产生粗大晶粒也会使焊接接头的机械性能和耐蚀性能下降。因此在保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接电流，较低的电弧电压和较快的焊接速度，氩弧焊时焊接电流必须衰减，衰减时间4~6秒为好。同时应严格控制层间温度在150℃ 以下(必要时100℃ 以下)，避免焊接接头过热产生热裂纹。

2．4 镍及镍基合金焊缝表面成形的控制

镍及镍基合金焊缝应尽量凸起，自然成形，尽量不使焊缝拉平或凹下。由于镍及镍基合金焊缝金属表面张力大，流动性差，粘性大不易成形和易产生氧化等因素，自然成形的焊缝一般为凸状，如果焊缝是平坦或下凹状就会由于应力的作用产生裂纹。因此在单面焊双面成形时手弧焊背面最好加垫板，氩弧焊时除加强对正面焊缝的气体保护外，氩弧焊背面必须加气体保护装置。

2．5 预热和焊后热处理

镍及镍基合金焊接一般情况下不需预热和热处理，只是在耐蚀堆焊时考虑适当的预热和热处理。

3 常见缺陷产生原因及防止措施

由于镍基具有单相组织，焊接时存在与奥氏体不锈钢相类似的问题，在焊接时比较容易出现焊缝气孔，焊接热裂纹，未熔合，变形量过大，咬边等缺陷。在实际生产中经常遇到且危害较大的是焊缝气孔和焊接热裂纹。

3．1 焊缝气孔

3．1．1 焊缝气孔的产生原因

(1)氧气、氢气、二氧化碳气体在熔化的液态镍基合金中溶解度极大，而在固态溶解度大大减小，镍基合金焊接过程中从高温变冷时，气体在熔敷金属的溶解度也随之下降，游离出来的气体在流动性较差的液态镍中不能在镍基合金焊缝凝固前完全逸出而形成气孔。

(2)焊接坡口及其两侧的油污、水分、灰尘及氧化层清理不干净。

(3)焊接电流及电弧电压较低，焊接速度过快焊接热能量低。

(4)焊枪气体保护喷嘴直径较小，保护气体流量过低，气体保护效果不良。

(5)焊条烘干不良，烘干温度计保温时间不够。

3．1．2 焊缝气孔的防止措施

(1)采用含有脱氧元素或形成氧化物(如铝和钛，它们与氧和氮有较强的亲和力并形成稳定的化合物)的焊条或焊丝可减少气孔。

(2)焊接坡口及其两侧用专用砂轮或不锈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。

(3)选用适宜的焊接电流、电弧电压和焊接速度即焊接线能量进行施焊，使有害气体在熔敷金

属凝固前充分逸出。

(4)选用直径较大的焊枪气体保护喷嘴使其对熔敷金属有足够的气体保护面积，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，防止空气中的氢、氧、氮等有害气体侵入熔池金属

中。

(5)严格按规定的烘干温度和保温时间对所使用的焊条进行烘干，使用时将焊条放置在保温筒中。

3．2 焊接热裂纹

3．2．I 焊接热裂纹的产生原因

(1)焊缝热脆性是由于硫、铅、磷或低熔点共晶体混入，它们形成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。

(2)焊接坡口及其两侧的污物清理不干净其油污中的硫常常引起镍基合金焊缝产生热裂纹。

(3)焊缝表面凸凹不平引起应力集中而产生裂纹。

(4)收弧时没有填满弧坑和电流衰减时间较短，收弧处熔敷金属量少出现弧坑其强度比较薄弱，在相变应力和拘束应力的作用下产生收弧处微裂纹。

(5)焊接电流过大，焊接速度较慢，焊接线能量较大，层间温度过高使焊接接头过热产生粗大晶粒，在粗大晶粒边界上集中了一些低熔点共晶体他们的强度低脆性大，在焊接应力的作用下很容易形成热裂纹。

3．2．2 焊接热裂纹的防止措施

(1)选用硫、磷含量较低的镍基合金焊材以防止熔敷金属中低熔点夹杂物的产生。

(2)焊接坡口及其两侧的污物及氧化层必须清理干净，防止硫、铅、磷或低熔点杂质混入熔敷金属中。

(3)焊缝表面应均匀平整。无局部凸凹不平存在，以防止由于局部应力集中而产生裂纹。镍基合金焊缝成形以均匀凸起的自然成形为好。

(4)收弧时必须采取多次填弧坑的方法将弧坑均匀填满。氩弧焊收弧时电流衰减时间要长，并电流衰减至最小程度，使收弧处无任何凹陷存在。

(5)选用的焊接电流、电弧电压和焊接速度必须适当，即在保证熔合良好的情况下尽量选用较小的焊接线能量和较低的层间温度，以防止焊缝及热影响区过热而产生热裂纹。

4 结束语

通过对镍及镍基合金的焊接特点和镍及镍基合金焊接中常见缺陷的分析，我们在焊接镍及镍基合金时应注意以下几个方面：镍及镍基合金获得成功焊接的前提条件是做好焊前清理。镍及镍基合金焊接在保证熔合良好的前提下应选用较小的焊接线能量，同时要严格控制层间温度。镍及镍基合金焊接应选用较大的坡口角度和较小的钝边。镍及镍基合金焊缝表面成形应尽量凸起，自然成形，尽量不使焊缝拉平或凹下。镍及镍基合金焊接一般情况下不需预热和热处理，只是在耐蚀堆焊时考虑适当的预热和热处理。

② 焊接技术存在的缺陷

焊缝缺陷分为六大类：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透、形状缺陷、其它缺陷。
一、 外观缺欠

1、咬边 因焊接造成沿焊趾（或焊根）处出现的低于母材表面的凹陷或沟槽称为咬边。它是由于焊接过程中，焊件边缘的母材金属被熔化后，未及时得到熔化金属的填充所致。咬边可出现于焊缝一侧或两侧，可以是连续的或间断的。
（1）危害：咬边将削弱焊接接头的强度，产生应力集中。在疲劳载荷作用下，使焊接接头的承载能力大大下降。它往往还是引起裂纹的发源地和断裂失效的原因。焊接技术条件中一般规定了咬边的容限尺寸。
（2）形成原因：焊接工艺参数不当，操作技术不正确造成。如焊接电流大，电弧电压高（电弧过长），焊接速度太快。
（3）防止措施：选择适当的焊接电流和焊接速度，采用短弧操作，掌握正确的运条手法和焊条角度，坡口焊缝焊接时，保持合适的焊条离侧壁距离。
2、焊瘤 焊接过程中，在焊缝根部背面或焊缝表面，出现熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤称为焊瘤。焊瘤一般是单个的，有时也能形成长条状，在立焊、横焊、仰焊时多出现。
（1）危害：影响焊缝外观，使焊缝几何尺寸不连续，形成应力集中的缺口。管道内部的焊瘤将影响管内介质的有效流通。
（2）形成原因：操作不当或焊接规范选择不当。如焊接电流过小，而立焊、横焊、仰焊时电流过大，焊接速度太慢，电弧过长，运条摆动不正确。
（3）防止措施：调整合适的焊接电流和焊接速度，采用短弧操作，掌握正确的运条手法。
3、凹坑 焊后在焊缝表面或背面形成低于母材表面的局部低洼缺陷。
未焊满 由于填充金属不足，在焊缝表面形成的连续或断续的沟槽。
（1）危害：将会减小焊缝的有效工作截面，降低焊缝的承载能力。
（2）形成原因：焊接电流过大，焊缝间隙太大，填充金属量不足。
（3）防止措施：正确选择焊接电流和焊接速度，控制焊缝装配间隙均匀，适当加快填充金属的添加量。
4、烧穿 焊接过程中熔化金属自坡口背面而流出，形成穿孔的缺陷。常发生于底层焊缝或薄板焊接中。
（1）形成原因：焊接过热，如坡口形状不良，装配间隙太大，焊接电流过大，焊接速度过慢，操作不当，电弧过长且在焊缝处停留时间太长等。
（2）防止措施：减小根部间隙，适当加大钝边，严格控制装配质量，正确选择焊接电流，适当提高焊接速度，采用短弧操作，避免过热。
5、焊缝表面形状及尺寸偏差 焊缝表面形状及尺寸偏差属于形状缺陷，其经常出现的有：对接焊缝超高、角焊缝凸度过大、焊缝宽度不齐、焊缝表面不规则等。
（1）危害：影响焊缝外观质量，易造成应力集中。
（2）形成原因：坡口角度不当，装配间隙不均匀，焊接规范选择不当，焊接电流过大或过小，焊接速度不均匀，运条手法不正确，焊条或焊丝过热等。
（3）防止措施：选择正确焊接规范，适当的焊条及其直径，调整装配间隙，均匀运条，避免焊条和焊丝过热。

二、内部缺欠

1、气孔 焊接过程中熔池金属高温时吸收和产生的气泡，在冷却凝固时未能逸出而残留在焊缝金属内所形成的孔穴，称为气孔。气孔是一种常见的缺陷，不仅出现在焊缝内部与根部，也出现在焊缝表面。焊缝中的气孔可分为球形气孔、条形气孔、虫形气孔以及缩孔等.气孔可以是单个或链状成串沿焊缝长度分布，也可以是密集或弥散状分布。
焊接区中的气体来源：大气的侵入，溶解于母材、焊丝和焊芯中的气体，受潮药皮或焊剂熔化时产生的气体，焊丝或母材上的油污和铁锈等脏物在受热后分解所释放出的气体，焊接过程中冶金化学反应产生的气体。熔焊过程中形成气孔的气体主要有：氢气、一氧化碳和氮气。
氢气孔：多数情况下出现在焊缝表面上，断面形状多呈螺钉状，从焊缝表面上看呈圆喇叭口形，气孔四周内壁光滑。个别情况下也以小圆球形状存在于焊缝内部。
氮气孔：多数以成堆的蜂窝状出现在焊缝表面上。
一氧化碳气孔：多数情况下产生在焊缝内部，沿结晶方向分布，有些象条虫状，表面光滑。
（1）危害：影响焊缝外观质量，削弱焊缝的有效工作截面，降低焊缝的强度和塑性，贯穿性气孔则使焊缝的致密性破坏而造成渗漏。
（2）产生原因：焊接区保护受到破坏；焊丝和母材表面有油污、铁锈和水分；焊接材料受潮，烘焙不充分；焊接电流过大或过小，焊接速度过快；采用低氢型焊条时，电源极性错误，电弧过长，电弧电压偏高；引弧方法或接头不良等。
（3）防止措施：提高操作技能，防止保护气体（焊剂）给送中断；焊前仔细清理母材和焊丝表面油污、铁锈等，适当预热除去水分；焊前严格烘干焊接材料，低氢型焊条必须存放在焊条保温筒中；采用合适的焊接电流、焊接速度，并适当摆动；使用低氢型焊条时应仔细校核电源极性，并短弧操作；采用引弧板或回弧法的操作技术。
2、夹渣 焊后残留在焊缝中的熔渣，称为夹渣。夹渣不同于夹杂，夹杂是指在焊缝金属凝固过程中残留的金属氧化物或来自外部的金属颗粒，如氧化物夹杂、硫化物夹杂、氮化物夹杂和金属夹杂等。夹渣是一种宏观缺陷。夹渣的形状有圆形、椭圆形或三角形，存在于焊缝与母材坡口侧壁交接处，或存在于焊道与焊道之间。夹渣可以是单个颗粒状分布，也可以是长条状或线状连续分布。
（1）危害：减少焊接接头的工作截面，影响焊缝的力学性能（抗拉强度和塑性）。焊接技术条件中允许存在一定尺寸和数量的夹渣。
（2）产生原因：多层焊时，每层焊道间的熔渣未清除干净，焊接电流过小，焊接速度过快；焊接坡口角度太小，焊道成形不良；焊条角度和运条技法不当；焊条质量不好等。
（3）防止措施：每层应认真清除熔渣；选用合适的焊接电流和焊接速度；适当加大焊接坡口角度；正确掌握运条手法，严格控制焊条角度可焊丝位置，改善焊道成形；选用质量优良的焊条。
3、未熔合 熔化焊时，在焊缝金属与母材之间或焊道（层）金属之间未能完全熔化结合而留下的缝隙，称为未熔合。有侧壁未熔合、层间未熔合和焊缝根部未熔合三种形式。
（1）危害：未熔合属于面状缺陷，易造成应力集中，危害性很大（类同于裂纹）。焊接技术条件中不允许焊缝存在未熔合。
（2）产生原因：多层焊时，层间和坡口侧壁渣清理不干净；焊接电流偏小；焊条偏离坡口侧壁距离太大；焊条摆动幅度太窄等。
（3）防止措施：仔细清除每层焊道和坡口侧壁的熔渣；正确选择焊接电流，改进运条技巧，注意焊条摆动。
4、未焊透 焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透。单面焊时，焊缝熔透达不到根部为根部未焊透；双面焊时，在两面焊缝中间也可形成中间未焊透。
（1）危害：削弱焊缝的工作截面，降低焊接接头的强度并会造成应力集中。焊接技术条件中不允许焊接接头中超过一定容限量的未焊透。
（2）产生原因：坡口钝边太厚，角度太小，装配间隙过小；焊接电流过小，电弧电压偏低，焊接速度过大；焊接电弧偏吹现象；焊接电流过大使母材金属尚未充分加热时而焊条已急剧熔化；焊接操作不当，焊条角度不正确而焊偏等。
（3）防止措施：正确选用和加工坡口尺寸，保证装配间隙；正确选用焊接电流和焊接速度；认真操作，保持适当焊条角度，防止焊偏。
5、焊接裂纹 在焊接应力及其它致脆因素的共同作用下，焊接过程中或焊接后，焊接接头中局部区域（焊缝或焊接热影响区）的金属原子结合力遭到破坏而出现的新界面所产生的缝隙，称为焊接裂纹。它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征。焊接裂纹是最危险的缺陷，除降低焊接接头的力学性能指标外，裂纹末端的缺口易引起应力集中，促使裂纹延伸和扩展，成为结构断裂失效的起源。焊接技术条件中是不允许焊接裂纹存在的。
在焊接接头中可能遇到各种类型的裂纹。按裂纹发生部位的焊缝金属中裂纹、热影响区裂纹或熔合线裂纹、根部裂纹、焊趾裂纹、焊道下裂纹和弧坑裂纹。按裂纹的走向有纵向裂纹、横向裂纹和弧坑星形裂纹。按裂纹的尺寸有宏观裂纹和显微裂纹。按裂纹产生的机理有热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂。
（1）热裂纹 焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区域产生的焊接裂纹，称为热裂纹，又称高温裂纹。
热裂纹多发生在焊缝金属中，有时也出现在热影响区或熔合线。热裂纹有沿着焊缝纵向，位于结晶中心线的纵向裂纹，也有垂直于焊缝的横向裂纹，或在弧坑中产生的星形弧坑裂纹。热裂纹可以显露于焊缝表面，也可以存在于焊缝内部。其基本形貌特征是：在固相线附近高温下产生，沿奥氏体晶界开裂。热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类。
① 结晶裂纹 熔他一次结晶过程中，在液相和固相并存的高温区，焊缝金属沿一次结晶晶界开裂的裂纹，称为结晶裂纹。通常热裂纹多指是结晶裂纹。多数情况下，结晶裂纹的断口呈高温氧化色彩，主要出现在焊缝中，个别情况下也产生在焊接热影响区。
产生条件：低熔点共晶偏析物（FeS）以片状液态薄膜聚集于晶界，焊接拉应力。
防止措施：通过控制产生条件的两方面着手：首先严格控制焊缝金属中C、Si、S、P含量，提高焊缝金属的含Mn量，采用低氢型焊接材料。其次焊前要预热，减小焊后冷却速度，调整焊接规范，适当加大焊接坡口角度，以得到焊缝成形系数大的焊缝，必要时采用多层焊。
② 液化裂纹 焊接过程中，在焊接热循环作用下，存在于母材近缝区金属或多层焊缝的层间金属晶界的低熔点共晶物局部被重新熔化开裂的裂纹，称为液化裂纹。
防止措施：控制和选用C、S、P含量较低而Mn含量较高的母材，焊接时采用低热输入量的焊接规范进行多道焊。
③ 多边化裂纹 焊接时，焊缝或近缝区的金属处于固相线温度以下的高温区域，由于晶格缺陷（如空位和位借）的移动和聚集，形成二次边界，即“多边化边界”，从而引起边界高温强度和塑性降低，沿着多边化的边界产生开裂，称为多边化裂纹。这类裂纹常以任意方向贯穿树枝晶界，断口多呈现为高温低塑性断裂特征。多边化裂纹多发生在单相奥氏体合金的焊缝或近缝区的金属中。
防止措施：在焊缝中加入Mo、W、Ti等细化晶粒的合金元素，阻止形成“多边化边界”，在工艺上采取减小焊接应力的措施。
（2）再热裂纹（SR裂纹） 焊接接头在焊后一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或经其它加热过程），在焊接热影响区的粗晶区产生的裂纹，称为再热裂纹或消应力处理裂纹。再热裂纹与热裂纹一样也是一种沿晶界开裂的裂纹，但其断口呈低温氧化色彩。
产生条件：钢中某些沉淀强化元素（如 Mo、 V、 Cr、 Nb等），经历再热（焊后再次加热）敏感温度区域500—700℃，焊接接头存在较高的残余应力和焊缝表面有应力集中的缺口部位（咬边、凹陷等）。
从产生条件可看出，再热裂纹多发生在具有析出沉淀硬化相的低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金的焊接接头之中。普通碳素钢中一般不会产生这种裂纹。
防止措施：提高预热温度和采用后热处理，减小焊接应力和过热区硬化；选用高塑性低强度匹配的焊接材料；改进焊接接头设计，尽量不采用高拘束度的焊接节点，消除一切可能引起应力集中的表面缺陷，修磨焊缝呈圆滑过渡；正确选择焊后热处理温度。
（3）冷裂纹 焊接接头在焊后冷却到较低温度下（200℃左右）所产生的焊接裂纹，称为冷裂纹。根据裂纹出现的部位，可分为焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹、横向裂纹。
产生条件：三个因素共同作用形成冷裂纹，即焊接应力、淬硬组织、扩散氢。冷裂纹 多发生在低合金高强钢、中合金钢、高碳钢的焊接热影响区和熔合区中，个别情况下，也出现在焊缝金属中。
形貌特征：焊后冷却至较低温度下产生，贯穿晶粒开裂，断口呈金属光亮。
根据产生的机理不同，冷裂纹可分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹三类。
① 延迟裂纹（氢致裂纹） 是一种最常见的冷裂纹形态。它是焊后冷却到室温并放置一段时间（延迟潜伏期，几小时、几天、几十天）之后才出现的焊接冷裂纹，具有延迟的性质。因为这种裂纹的产生与焊缝金属中的扩散氢活动密切相关，所以又称氢致裂纹。
② 淬硬脆化裂纹 有些钢种如马氏体不锈钢、工具钢，由于淬硬倾向较大，焊接时易形成淬硬组织，在焊接应力的作用下导致开裂，称之为淬硬脆化裂纹。与延迟裂纹不同的是淬硬脆化裂纹基本上是在焊后立即产生，无延迟期，除了焊接热影响区出现外，有时还会出现在焊缝中。
③ 低塑性脆化裂纹 焊接脆性材料时（如铸铁），当焊后冷却到400℃以下时，由于焊接收缩应变超过材料的本身塑性而导致开裂，称之为低塑性脆化裂纹。它可在焊缝中出现，也可发生在焊接热影响区中。其断口具有脆性断裂的形貌特征。
防止措施：焊前预热，降低冷却速度；选择合适的焊接规范参数；采用低氢型焊接材料，并严格烘干；彻底清除焊丝及母材焊接区域的油污、铁锈和水分，焊后立即后热或焊后热处理，改进接头设计降低拘束应力。
（4）层状撕裂 是一种焊接时沿钢板轧制方向平行于表面呈阶梯状“平台”开裂的冷裂纹。呈穿晶或沿晶开裂的形态特征，通常发生在轧制钢板的靠近熔合线的热影响区中，与熔合线平行形成阶梯式的裂纹。由于不露出表面，所以一般很难发现，只有通过探伤发现，且难以返修。层状撕裂多产生在T形接头和角接接头中，受垂直于钢板表面方向拉伸应力的作用而产生。
产生条件：沿钢板轧制方向存在分层夹杂物（如硫化物等），焊接时产生垂直于厚度方向的焊接应力。
防止措施：严格控制钢材的含硫量，改进接头形式和坡口形状，与焊缝连接的坡口表面预先堆焊过渡层，选用强度等级较低的低氢型焊接材料，采用低焊接热输入和焊接预热。