某化工集团5万吨离子膜片碱装置采用纯镍管道Ni200材料，管道总条240多米，焊口260多个，管道最小规格DN25mm，最大规格DN800mm，壁厚3.05～4.31mm，Ni200纯镍化学成分和焊丝化学成分见表13。
表13 Ni200纯镍化学成分和焊丝化学成分 /％
化学元素 | C | Si | Fe | S | P | Ni | Cu | Mn | Al | Ti |
原材料Ni200 | ≤0.15 | ≤0.40 | ≤0.4 | ≤0.01 | ≤0.02 | ＞0.99 | ＜0.25 | | | |
焊丝ERNi-1 | ≤0.15 | ≤0.75 | | | | ≥93 | | ≤1.0 | ≤0.15 | 2.0～3.0 |
| | | | | | | | | | |
（1）低碳镍钢的焊接性分析
为便于分析，将纯镍Ni200、低碳钢Q235和不锈钢18-8物理性能作一比较（见表14），纯镍焊接主要存在焊接热裂缝、气孔和外观成形差。
表14 纯镍Ni200、低碳钢Q235、不锈钢18-8物理性能
| 材料 | 密度/g·cm-3 | 熔点/℃ | 线膨胀系数 /10-6·℃-1 | 热导率 /W·m-1·K-1 | 电阻率 /mΩ·cm |
| 纯镍Ni200 | 8.89 | 1453 | 4.1 | 91.96 | 6.8 |
| 低碳钢Q235 | 7.85 | | 11.4 | 46.89 | 15 |
不锈钢18-8 | 7.93 | | 17.3 | 16.29 | 72 |
| | | | | | | | | | | | |
① 焊接热裂纹 纯镍含量大于或等于99％，焊接时具有一定的热裂倾向与材料中是否含有硫、磷等有害元素及含量有关，即使少量，也会产生相当大的影响，随着S、P含量增高，热裂倾向大大增加，因此控制材料中的S、P杂质，防止S、P的污染非常重要。
② 焊缝气孔 纯镍对氢气孔非常敏感，氢在液态金属中溶解度较大，随着温度下降而显著降低，由于纯镍热导率大，固液相温度区间小，液态金属黏度大，流动性差，焊缝结晶凝固快，熔池液态金属中溶解的氢不易析出，便生成气孔。减少气孔必须采用合适的焊接材料，并保证焊件和焊丝的清洁、干燥，防止外界空气、油脂、水分等污染熔池。当环境气温低于16℃时易产生气孔，这是坡口表面存在冷凝水的缘故，焊前必须预热，施焊时还要求空气相对湿度小于65％。 ③ 未熔合和焊缝成形差 由于纯镍热导率大，熔池冷却凝固快，小电流焊接不易充分熔化母材，导致焊缝易出现未熔合缺陷。液态金属流动性和润湿性差，焊缝表面纹路较粗，且易产生咬边、凹陷，焊缝成形不如碳钢、不锈钢美观。
（2）焊接工艺
① 焊接方法 采用钨极氩弧焊对熔池保护效果好，易操作，易保证焊接质量。焊丝采用ERNi-1，直径2.5mm，该焊丝中含有Mn、Mn与S化合能阻止低熔共晶NiS的形成，能有效预防热裂纹的产生，焊丝中少量的铝、钛元素能起到脱氧剂的作用。为了保护纯镍不受环境污染，Ni管子必须存放在干净、干燥和安全的仓库内，并由专人负责保管，保管和施工人员不能直接用手触摸材料，必须穿干净的工作服，戴干净的手套，总之不准对材料带来污染。 ② 坡口 应选择较大角度（75°～80°），根部间隙2.5～3.0mm。焊前清理坡口表面氧化膜，用丙酮或酒精擦洗坡口两侧50mm范围。点焊完毕立刻施焊，放置不超过8h。
③ 焊接工艺参数 见表15。
表15 N2 4068纯镍管焊接工艺参数
焊接部位 | 焊接电流 /A | 电弧电压 /V | 电源种类 | 钨棒直径 /mm | 喷嘴外径 /mm | 氩气流量/L·min-1 | 层间温度 /℃ |
焊柱 | 管内 |
打底层 | 120～130 | 142 | DC+ | 2.5 | 12 | 12～14 | 8～10 | |
| | | | | | | | |
④ 焊接注意事项
a. 打底和第一层填充焊时必须对焊缝背面进行充氩保护，防止焊缝根部氧化和成形不良。
b. 焊接时不得采用划擦法起弧，必须使用专门的氩弧焊机并采用高频引弧，防止夹钨现象。
c. 多层焊时必须用不锈钢丝刷或角向磨光机将焊道表面清理干净，防止产生层间未熔合。
d. 禁止在母材上引弧，收弧时应填满弧坑。当温度低于16℃时，焊前应用干燥的热风对坡口及附近区域进行预热，防止产生气孔。
e. 实践表明，Ni 4068纯镍管焊接采用钨极氩弧焊和匹配UTP80Ni焊丝以及大角度坡口，使用大电流快速焊，并注重焊缝根部保护，能获得优质的焊接接头。对工件的保管，施工中的防护，认真做好焊前清丽也是焊接成功的关键。
镍及镍合金手工焊接工艺
（1）焊丝见表8，焊条见表9。
（2）焊接电流选择见表10。厚度大于1mm的纯镍焊接构件和固溶强化镍合金的焊接常采用手工电弧焊，使用直流电源反接短弧焊，小的线能量，焊条一般不进行横向摆动，必须横向摆动时，摆动幅度不大于焊条直径的2倍，层间温度不宜太高。镍和镍合金手工电弧焊坡口尺寸见表11。
表9 镍和固溶强化镍合金熔敷金属成分、焊条选择及力学性能
| 合金系列 | 熔敷金属化学成分/％ |
| C | Mn | Fe | Si | Cu | Niad2组合 | Al | Ti | Cr |
| 纯Ni | ≤0.03 0.02 | 0.6～1.0 0.61 | ≤0.8 0.3 | ≤1.0 0.45 | | 余量 余量 | 0.2 | 0.7～1.0 0.4 | |
| NiCr | 0.06 0.02 | 2～3 2～3 | 2～3 1～5 | 0.48 | | 余量 67.5 | 0.21 | 0.71 | 25～30 余量 |
| NiCrFe | 0.05 0.08 | 7.9 | ≤7 ≤8.3 | 0.81 | | 70 余量 | | 0.31 | 15 16.5 |
| NiCrMo | ≤0.07 0.06 | 0.7～1.7 0.70 | 6.1 | ≤0.4 0.46 | | 余量 余量 | | | | | |
13.5～16.5 15.3 |
NiMo | 0.07 | 0.81 | 6.3 | 0.61 | | 余量 | | | 5.4 |
合金系列 | 熔敷金属化学成分/％ | 焊缝金属力学性能 | 所用焊 条牌号 |
Nb | Mo | wntcW | Co | σb/MPa | δ/％ | Ψ/％ |
纯Ni | 1.9～2.2 | | | | 490 471.4 | 45 44 | 65 | 镍102 |
NiCr | 0.91 | 小麦草榨汁机 | | | > 491 554.7 | > 30 45 | > 58 | 镍207 |
NiCrFe | 3～5 1～7 | 2～6 | | | > 784 617.4 | 30～40 40 | | 镍307 |
NiCrMo | 0.3 | 9.6～11 15.8 | 5.7 | | 607.6 639.9 | ≥28 13 | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
表10 镍和镍合金手工电弧焊坡口尺寸
板厚/mm | 焊条直径/mm | 焊接电流/A | 板厚/mm | 焊条直径/mm | 焊接电流/A |
≤2 2～2.5 2.5～3.0 | ф2 水泥增强剂配方ф2～3 ф3 | 40～50 电视制作50～60 70～100 | 3～5 5～8 8～12 | ф3～4 ф4 ф4～5 | 80～140 90～150 110～170 |
| | | | | |
含Ti、Al较多的镍合金不宜用埋弧焊。NiMo合金厚件也不推荐用埋弧焊，因为大线能量和缓慢冷却速度会使焊缝塑性降低。
利用氩气保护罩提高镍管的焊接质量(图)
摘 要：分析了纯镍的焊接性能及其影响因素。结合实际工作中的应用，针对工业纯镍的管材焊接工艺进行探讨。在钨极氩弧焊（tig 焊）的基础上用自制氩气保护罩来避免镍在焊接过程中高温区域氧化严重的问题，同时结合其它保护措施及合理的hxi焊接规范，明显地提高了镍管的焊接质量。
关键词：工业纯镍；保护罩；焊接质量 0 前 言
镍元素具有面心立方晶格，其特点是：熔点高，耐腐蚀、机械性能高，在热冷状态下有良好的加工性能，具有特殊的物理性。镍还具有良好的化学稳定性，在常温空气中，它不被腐蚀，在海水和大多数酸碱盐介质中具有优良的抗腐蚀性能，尤其在氢氧化物及碱性溶液中，它的抗蚀性能优于钛及钛合金，因而广泛地应用于石油、化工、造船等行业。在生产中，我们遇到了直径108mm、壁厚4mm的工业纯镍管材焊接问题，通过对其焊接性能及工艺的研究，制定了一套特殊的工艺措施，并用于实际生产，取得了良好的效果。
1 工业纯镍的焊接性能分析
工业纯镍是一种稀有金属，它的可焊性较好，但在焊接过程中，气体杂质污染易引起焊接接头脆化。常温下，工业纯镍是比较稳定的，随着温度升高，它的性能开始变化，其吸收氮、氢、氧的能力随之明显上升。实验证明，镍在500℃高温空气中轻微氧化，当温度达到750℃时，则剧烈氧化。
随着焊缝含氧量上升，焊缝的抗拉强度和硬度明显上升，而焊缝塑性明显下降，焊缝因氧的污染而变脆。氮在高温液态金属的溶解度随氧的分压增加而增多，氮对焊缝强度、硬度、塑性的影响比氧更为显著，也就说氮的污染脆化作用比氧更为强烈，氮对焊缝的影响主要是对冲击韧性影响，含氮量增加，使焊缝的冲击韧性显著降低。
由于难以防止气体杂质污染所引起的焊接接头脆化，在进行工业纯镍焊接时对其工艺提出了特殊要求，采用普通的气焊和手工电弧焊是无法满足焊接质量的。采用钨极氩弧焊是比较合理的焊接方法，但同时值得注意的是，通常的焊结构和工艺是不足以保证焊接接头质量的。因为这种焊结构所形成的气体保护层只能保护焊接熔池不受空气污染，对已凝固而处在高温状态的焊缝及其热影响区则无保护作用。而处于这种状态的镍还有很强的吸收空气中氮和氧的能力，势必引起焊缝变脆，而使塑性严重下降。焊缝背面若不采取有效
保护，也将产生类似结果，处于高温熔化的熔池和熔滴金属更易被气体杂质污染。因此，必须采取一系列的保护措施，来提高镍管的焊接质量。
2 提高焊接质量应采取的措施
2.1 保证焊接质量的前提
（1）母材及焊丝中的杂质必须在技术条件允许的范围内；
（2）采用高纯度氩气进行焊接，焊接接头一般应保证呈银白；
（3）焊前对焊丝及工件必须认真地清理；
（4）正确选用焊丝、焊接规范及必要的焊接热处理；
（5）加强熔池及热影响区的保护措施。
在对焊丝、焊结构进行分析后认为其不会对焊缝造成污染，故主要从辅助保护装置，焊接夹具，焊前清理等方面加以研究。
2.2 自制充氩气保护罩
为扩大焊缝的保护范围，通过自制的氩气保护罩来实现。此保护罩是根据接头形式、焊接工艺参数来选用的，原则是：处于500℃以上的区域都能得到有效的保护，保护效果以焊缝表面呈银白或浅黄为合格，自制保护罩结构见图1。
拖罩的结构和尺寸由焊件的几何形状来确定，一般用0.8mm 厚的纯铜板做成长40"100mm，宽30"60mm罩体，薄的焊件短些，厚的焊件长一些、宽一些。氩气由进气管进入分布管，分布管用φ6mm×1mm的不锈钢管制成，在管子上方钻有两排直径0.8"1.0mm的小孔，孔距为8"10mm，过滤网用0.152mm×0.152(100目)的铜丝网制成，过滤网到焊件的距离不小于8mm，充气室内不应有死角，以达到氩气将所有的空气挤出，保护罩内部尽可能做成圆滑过渡，防止氩气气流过大形成涡流，这样在焊接过程中氩气由进气管进入分布管内，经上方喷出得到均匀分布和缓冲。当气流经过铜丝网后，便又得到再次分配，这就改善了氩气的流动状态，使熔池金属直接在氩气平流层保护下凝固成形。焊和拖罩在使用过程中连成一体，以便于操作。
2.3 其它
焊接夹具应有足够强度及良好导热性，带铜垫板水冷夹具能够满足以上要求。夹具和保护罩确定后，选择纯度为99.99%以上的氩气（检验氩气纯度的方法，是在每瓶氩气使用前，按正常的规范在镍板上点焊数点，焊点呈银白，表面如镜面即为合格），调整不同的气体流量，观察保护效果，最后确定合适的保护气体流量。焊前应将镍表面氧化膜清理干净，清理后要尽快地焊接，放置时间一般不超过4h。
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