鎳基合金由于具有優(yōu)異的高溫性能和卓越的耐蝕性能，已在航空航天、核電、火電、石油化工等領域獲得了廣泛的應用，但鎳基合金的焊接往往會帶來不少的困難，主要表現(xiàn)在相的變化導致接頭性能的改變，以及焊接過程中產(chǎn)生的各種裂紋等缺陷造成運行中的早期失效。為此，眾多科技工作者長期以來對鎳基合金的焊接開展了大量的試驗研究，力求在焊接鎳基合金時能獲得高質量和性能滿意的焊接接頭。
鎳基合金是工程材料最重要的類別之一，因為它們能夠用于多種環(huán)境和場合。在含水和高溫下的耐蝕場合、室溫和高溫下的高強度場合、低溫下的延性和韌性場合、特殊的電性能場合以及與其他物理性能有關的場合都選用了這些合金。鎳基合金焊接材料能提供某些焊態(tài)下的性能，而這些性能是其他類型的焊接產(chǎn)品所不能提供的，例如被許多各種不同的合金元素稀釋后，還能保持從低溫到接近固相線溫度強度和延性的能力。它們也是十分通用的，例如，用于焊接9%鎳鋼的Ni-Cr-Mo系焊接產(chǎn)品在液氮溫度下還具有非常高的焊態(tài)強度和沖擊韌性。用來焊接鑄鐵的鎳和鎳－鐵合金能被鐵和碳稀釋后而保持延性，并提供良好的機加工特性。鎳基合金焊接材料亦廣泛用于電力工業(yè)，可在碳鋼和不銹鋼之間進行異種焊接，作為在高溫下使用時熱膨脹系數(shù)的過渡材料。
相對于鋼而言，鎳基合金能夠在低溫下使用，又能在接近1200℃的高溫下使用，因為固溶合金的基體從固態(tài)到絕對零度都保持奧氏體。這些加入適當添加劑的合金提供了有用的耐蝕性，并在包括電力、石化、化學加工、航天和控制環(huán)境污染等的廣大工業(yè)領域中得到了應用。對鎳基合金來說，焊接是一門關鍵性的制造技術。最近50年來，已經(jīng)進行了大量的研究和開發(fā)工作，為更好地弄懂和控制這些合金的焊接性以及開發(fā)在焊接接頭耐蝕性和力學性能方面能滿足更高要求的焊接材料作出了不懈的努力。
對鎳基合金來說，沒有像鐵合金和鋁合金那樣的系統(tǒng)分類體系。因此，大多數(shù)鎳基合金是通過它們的商業(yè)名稱或最初由合金制造商給予的合金號而被知曉的。例如，INCONEL 600合金 和 HASTELLOY C-22 合金亦歸類于600合金和C-22合金。鎳基合金通常以成分分類，如圖1.1所示。以下列出這些類別的簡要匯總。
1. 商用純鎳合金
商用純鎳合金是基本上含有鎳＞99%的那些合金。這是一個商用純鎳合金的完整族系，命名為200合金和201合金。這些材料具有低強度和低硬度，原則上由于它們具有良好的耐蝕性而用于苛性腐蝕環(huán)境。201合金具有最高值為0.02wt%的碳，所以它們能夠在高于315℃（600°F)的高溫下使用而無被“石墨化”的危險。因為碳在高于315℃的鎳基體中是相對易變的，添加超出溶解度極限（～0.02%)的碳會造成石墨質點的沉淀，使材料變脆和變弱。
還有一些附加商用純鎳合金，它們在電或磁致伸縮的有限場合使用。這些合金具有良好的焊接性，但在焊接時對氣孔敏感。如果在焊前和焊接中保持清潔，這些合金會顯示良好的抗裂性，但保護氣體或焊劑必須充足以避免氣孔的形成。商用純鎳焊接材料含有最高達1.5%鋁和2.0%~3.5%鈦的添加劑來抵消少量的大氣污染。鈦和鋁與氧結合形成氧化物，與氮結合形成氮化物，因而控制了在焊縫熔敷金屬中的氣孔。
2. 固溶強化合金
鎳和銅是同一形態(tài)的元素（完全固溶性），能在整個成分范圍內生成單相合金。這個族系的材料通常對海水和其他一般腐蝕環(huán)境顯示出良好的耐蝕性。通常Ni-Cu合金有很好的焊接性，但如果不使用適當?shù)谋Ｗo或良好的抗氧化焊接材料，可能會對氣孔敏感。其他的固溶強化鎳基合金可以僅含有鐵，這些合金的大多數(shù)由于特定的膨脹系數(shù)或電性能而得到使用。Ni-36%Fe合金通常稱作INVAR合金，在所有的鎳基合金中具有最低的膨脹系數(shù)，在幾百度的溫度范圍內加熱和冷卻一直到約300°F,僅以小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的速率膨脹和收縮。Ni-Fe合金有較好的焊接性，但開發(fā)又有良好抗凝固裂紋性能，又有相匹配膨脹性能的焊接材料對焊材制造商來說是一個挑戰(zhàn)。Ni-Fe合金及其焊材也可能對低塑性開裂敏感，這種開裂的機理將在第3章中詳細闡述。
其他固溶合金含有不同的置換元素，包括鉻、鉬和鎢。每種元素都能賦予特殊的性能，并有能力改變每種合金的焊接特性。固溶強化鎳基合金的最高抗拉強度值接近830 MPa(120 ksi),而屈服強度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合金在要求具有良好耐蝕性的廣泛場合下使用。如果要求較高的強度水平，必須選擇沉淀強化合金。
3. 沉淀強化合金
沉淀強化鎳基合金含有鈦、鋁和／或鈮等添加劑，在適當?shù)臒崽幚砗笈c鎳形成強化的沉淀物。在大多數(shù)情況下，這些沉淀物與奧氏體基體具有凝聚力，并使基體變形，因而實質上增加了基體的強度。這些沉淀物的大多數(shù)稱為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和Nig(Al,Ti)]和γ”（Y"-NisNb)。在最佳合金添加劑和熱處理情況下，這些合金能夠強化到最高抗拉強度超過1380 MPa(200 ksi)和0.2%屈服強度超過1035 MPa(150 ksi).第一個沉淀硬化Ni-Cr合金（X-750)是由γ'強化的，在靠近γ'溶解線溫度下，顯示出良好的抗氧化性和高溫強度的組合。不幸的是，當焊后并直接時效而不在中間插入退火處理時，會產(chǎn)生焊后應變時效裂紋（SAC).這種開裂的機理將在第4章中詳細闡述。在為改善焊接性和避免SAC的努力下，開發(fā)了γ”強化的第二代沉淀硬化Ni-Cr-Mo合金。這些合金中最普遍的是718合金。因為γ”沉淀物比γ'的形成要慢得多，718合金在焊后熱處理時通常不受SAC影響。718合金的主要應用之一是航空航天燃氣透平傳動軸和耐壓殼。如果適當?shù)厝蹮?，獲得低含量的雜質，該合金可提供極大的使用機會。當設計合理時，在一直到760℃（1400°F)的使用溫度下，具有極佳的疲勞壽命。
基于沉淀強化合金具有在高溫下不同尋常的高強度和耐蝕性，所以通常把它們歸類為“超合金”。該術語曾松散地應用于許多其他高強度多元合金，但一般術語“超合金”是用來描述由γ'和γ”相所提供的具有超強度性能的鎳基合金。
在燃氣輪機動葉片上采用超合金始于IN713C合金。這種合金與X-750合金相似，但僅僅作為鑄件生產(chǎn)，因為含有較多的鋁、鈦添加劑，因此從鑄造溫度下冷卻時，會發(fā)生時效硬化。由于該合金對SAC有極高的敏感性，所以產(chǎn)品修復受到限制，但在葉片頂端堆焊則不會開裂。經(jīng)過數(shù)十年的技術進展，增加了“超合金”族系的其他成員，包括超高強度和耐腐蝕的單晶透平葉片合金。為了減少在運行時受到侵蝕，在葉片頂端堆焊是可行的，只要焊接過程能很好得到控制，并使殘余應力保持在較低水平。最初這些材料在焊接修復時曾遇到挑戰(zhàn)，包括避免在熔池中的晶粒分散和阻止開裂。
4. 其他特殊合金
有一些合金，由于它們具有令人印象深刻的高溫蠕變特性，也能納入“超合金”范疇，例如氧化物彌散強化合金MA6000和MA754。這些合金使用沉淀硬化和彌散硬化兩種機理，顯示出優(yōu)越的蠕變強度，其中彌散硬化是由在高溫下穩(wěn)定的精細彌散顆粒所建立的。氧化釓（Y2O3)是用來作為強化的彌散體的一個例子。這些材料亦具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能，但是當它們用普通的熔焊技術來連接時，則無能力維持其貫穿焊接接頭的高強度。當用焊接熔化時，彌散體趨向于聚結，因而由彌散體帶來的局部加強在熔合區(qū)和熱影響區(qū)均會喪失。
鎳-鋁化合物是圍繞或是NiAl或是Ni3Al組成而設計的合金。它們顯示出非常高的強度和耐蝕性能，但由于它們在很大溫度范圍內延性低，所以焊接非常困難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合金曾被開發(fā)用于在不同環(huán)境下的耐磨材料，但這些合金由于硬度高、延性低，并在其成分范圍內會形成低熔融區(qū)間的相，所以同樣難以焊接。
