Inconel镍基合金是在Inconel合金的基础上增铬降碳的一种镍基耐蚀合金，其w(Cr)约为30%。Inconel镍基合金具有面心立方奥氏体组织(γ)的固溶体状态，层错能低，强度高，冶金稳定性好，加工制造性能优良。因此，Inconel镍基合金已成为第三代核电蒸汽发生器传热管等部件的首选材料，广泛应用于压水堆核电站蒸汽发生器领域。Inconel镍基合金结构件的连接一般采用焊接技术，如传热管焊接与修复、管板堆焊、管板焊接等。焊接的质量直接决定了整个核电站的安全性。熊刚对Inconel镍基合金采用不同焊接方法焊接时的凝固裂纹、高温塑性损失裂纹及其敏感性等热点难点问题进行了总结和分析，并对潜在的解决方案进行了探讨和分析，以期为Inconel镍基合金的进一步推广应用提供参考。Inconel镍基合金是传热管等部件的首选材料，传统的焊接工艺如焊条电弧焊中的SMAW、钨极电弧焊中的GTAW等常被采用，但激光焊接新技术在实际生产中的应用相对较少。作为一种传统的熔焊工艺，焊条电弧焊在实践中简单高效，但由于Inconel镍基合金导热性差，液态焊缝金属流动性差，实际焊接难度大，焊缝成形和质量差。Lee等人通过SMAW焊接工艺研究了不锈钢和Inconel镍基合金之间异种金属的焊接。电解腐蚀后焊接部件的宏观结构如图1所示。

在焊接过程中，Inconel镍基合金本身导热性差，焊接电流过大，电弧电压高，焊接速度慢等。，容易使焊接接头过热，导致晶粒粗大，低熔点共晶在粗大柱状晶边界聚集，降低焊缝强度，在焊接残余应力作用下易形成裂纹。钨极气体保护焊作为一种传统的熔焊工艺，技术成熟，焊接成本普遍较低，因此得到了广泛的研究和应用。采用GTAW焊接Inconel镍基合金传热管。焊接接头整个横截面的宏观形貌和微观结构如图2所示。焊缝中心为枝晶，熔合线附近为粗大柱状晶，焊缝中无微裂纹。

结果表明，焊接接头的屈服强度和抗拉强度在室温下分别为MPa和MPa，在℃下分别为MPa和MPa。在拉伸过程中，裂纹从熔合线开始贯穿整个焊缝，呈现塑性断裂。此外，压扁试验和反向压扁试验结果表明，传热管焊接接头无裂纹和焊接分层。因此，GTAW工艺比SMAW工艺具有更好的焊接质量和更强的实用性。采用常规GTAW和脉冲电流GTAW对Inconel镍基合金进行焊接。两种焊接方法不同区域的显微组织如图3所示。

在这两种工艺条件下，熔合线附近的晶粒生长为平面树状凸起，增大脉冲电流获得的显微组织更细小。拉伸试验结果表明，增加脉冲电流后，焊接接头的强度与母材相当(MPa)。因此，脉冲电流GTAW焊接的焊缝质量和力学性能优于常规GTAW焊接。与传统的拼焊和搭焊不同，堆焊是一种经济、快速的焊接方法，适用于任何母材，其堆焊层不受尺寸限制。但由于过大的热输入，容易使母材的化学成分发生变形和稀释，从而降低零件的使用性能。李双燕等在低合金钢SAGr3C12锻件表面使用Inconel镍基合金焊接材料，进行了埋弧焊、电渣焊、热丝TIG焊和双热丝等离子弧焊的焊接工艺试验。四种不同焊接工艺的具体参数见表1。所获得的堆焊层质量能够满足管板堆焊的技术要求。但综合考虑生产效率、堆焊层质量和堆焊层纯度，双热丝等离子弧堆焊工艺具有熔敷率高、稀释率低、焊材消耗低的特点，生产效率是常规堆焊的3倍以上。因此，采用该工艺可以获得稀释率低、熔深深、形状良好的堆焊层。

激光焊接作为一种高能束焊接方法，具有能量密度高、热输入低、生产效率高的优点。但由于高夹紧精度和设备成本的限制，目前还不能大规模应用。同时，采用激光焊接Inconel镍基合金时，由于惰性焊缝金属不会像碳钢或不锈钢那样流出或润湿，Inconel镍基合金的焊缝通常会产生气孔或凝固裂纹等缺陷。20世纪90年代初，美国西屋公司开发了复合膨胀激光焊接修复传热管内衬的新技术，该技术采用大功率Nd-YAG激光器和光纤发射系统，利用液压膨胀和机械膨胀原理，成功地将激光焊接应用于Inconel镍基合金支撑板和管板等关键部位。该技术在激光焊接前用电脑控制液压膨胀，可以有效限制管子的凸出量。内衬下端与高出管板的部分通过机械滚压配合达到密封效果，同时通过热处理消除应力，减少焊接收缩。随着激光焊接内衬技术的应用，西屋公司进一步开发了无内衬传热管直接修复技术和基于激光技术的传热管堆焊修复技术。原理图如图4所示。直接修复时，激光熔化管道内壁的金属，从而覆盖受损区域，修复内衬管道上方的管段。堆焊修复时，用激光束将合金丝熔敷在管壁上，形成厚度均匀的金属层覆盖缺陷。使用合金焊丝可使熔化的管壁材料成分接近Inconel镍基合金。

综上所述，我国传统熔焊虽然有一定难度，但技术成熟，焊接成本普遍较低，实用性较强。然而，Inconel镍基合金在激光焊接过程中容易出现凝固裂纹和高温塑性损失裂纹的问题在国内一直没有得到解决，焊接生产效率高、焊接效果好的激光焊接技术也很少得到研究和应用，远远落后于美国等一些欧洲国家。因此，如何消除Inconel镍基合金激光焊接过程中产生的热裂纹需要进一步研究。高温塑性损失裂纹通常发生在固相线以下TS~0.5TS的温度范围内，属于微裂纹，往往是其他裂纹的萌生源，用常规检测方法很难发现，潜在危害很大。图7和图8分别显示了DDC裂纹的宏观金相和DDC裂纹在不同放大倍数下的断口形貌。从图中可以看出，Inconel镍基合金熔敷金属中的DDC裂纹为沿晶裂纹，易发生在大角度晶界处，与外加载荷方向的夹角一般为45°~90°。

由于影响DDC裂纹的因素很多且相互关联，目前对此类研究还没有统一的结论。对于Inconel镍基合金，大多数学者认为元素偏析、碳化物析出和晶界脆化是DDC裂纹的主要原因。P、S等对Inconel镍基合金焊缝DDC裂纹有很大影响。当Inconel镍基合金焊接材料填充低合金钢时，较高的P和S含量会增加焊缝DDC的裂纹敏感性。同时，在填充金属中加入一定量的微量元素和稀土元素可以降低Inconel镍基合金焊缝的DDC裂纹敏感性。对国产镍基合金焊丝熔敷金属的研究表明，Nb和Ti的加入可以改善析出物的数量和分布，从而有效提高DDC的裂纹敏感性，如图9所示。通过改变焊丝中的铌含量来研究Inconel镍基合金DDC的裂纹敏感性。结果表明，随着Nb含量的增加，晶界碳化物含量逐渐减少，导致DDC裂纹敏感性增加。在钎料中加入0.02%左右的稀土元素，可以明显改善DDC裂纹。此外，通过调整合金成分可以抑制低熔点共晶化合物的产生，从而提高晶界的抗裂性。同时，可以采用高能量密度、低热输入的激光焊接工艺来抑制晶粒长大，从而降低DDC的裂纹敏感性。综上所述，DDC裂纹的形成机理还不清楚，也不统一，归纳起来主要有以下三种观点:(1)杂质元素的偏析机制S、P等杂质的偏析会降低晶界化学键的电子密度，从而降低晶界强度，导致晶界脆化和DDC裂纹；(2)晶界析出相的诱导机制熔敷金属中晶间碳化物的析出阻碍了晶界滑移，由于偏共格关系和晶格常数差异造成的晶间碳化物与基体的不匹配导致应力集中和DDC裂纹。但晶间碳化物也可能钉扎晶界，减少晶界滑移，因此这一机制存在较大差异，需要进一步研究。(3)晶界滑移机制DDC裂纹通常出现在滑动晶界上，晶界滑动时被阻挡，导致界面产生大量应力集中。当应力达到一定值时，DDC就会出现裂纹。因此，焊接过程中析出相的诱导机理、合金成分和焊接工艺参数的调控以及超声波辅助焊接工艺的发展都需要国内外学者进一步研究。总结与展望(1)目前国内多采用电弧焊、等离子弧焊等传统焊接工艺焊接传热管等重要零件，而焊接效率高、焊接效果好的激光焊接技术研究和应用较少，应在后续研究中予以重视。(2)凝固裂纹产生的机理明确，低熔点共晶化合物——晶界残留液膜是凝固裂纹产生的主要原因。目前对凝固裂纹敏感性的研究主要集中在杂质元素和合金元素的影响上。因此，从技术角度提高凝固裂纹敏感性可以成为今后的一个重要研究方向。(3)Inconel镍基合金应用中DDC裂纹的形成机理尚不清楚，主要包括晶界滑移机制、晶界析出相诱导机制和杂质元素偏析机制三种观点。其中，析出相的诱导机制和Nb的含量范围差异较大，从工艺角度提高DDC裂纹敏感性的研究较少，可以成为今后的重点研究方向。