膜式水冷壁單面堆焊熱影響區(qū)組織研究

陳傳寶,魏明震,周 健,薛 烽

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京211189)

引 言

膜式水冷壁在實際生產(chǎn)中,主要是用作各種大型鍋爐容器的內(nèi)壁,起防護(hù)作用,其工作環(huán)境十分惡劣,會受到氣流的腐蝕、火焰的加熱以及其他一些載荷的作用[1]。截至目前,國內(nèi)外工廠主要是采用埋弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)兩種焊接方法進(jìn)行膜式水冷壁的焊制[2-3]。工廠在生產(chǎn)制造時,一般通過在正反兩面同時焊接的方法將20G的鋼管和Q235的扁鋼焊接成型,然后進(jìn)行后續(xù)的加工處理,最終得到膜式水冷壁結(jié)構(gòu)[4]。但在實際使用時,膜式水冷壁的內(nèi)壁會受到火焰和高溫氣壓等的共同作用,很容易發(fā)生物理化學(xué)腐蝕。針對這一問題,本實驗采用在膜式水冷壁的單面堆焊316L不銹鋼的方法[5],以達(dá)到耐高溫腐蝕并延長其使用壽命的目的。單面堆焊316 L不銹鋼涉及金屬間的焊接問題,而焊接過程中的熱循環(huán)直接決定了焊縫和熱影響區(qū)的室溫組織。隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的日漸成熟,可利用計算機(jī)仿真模擬各種焊接過程的瞬態(tài)溫度場,解決實際焊接過程中遇到的復(fù)雜問題。因此,本文基于ANSYS軟件[6-9]的仿真模擬計算及實驗結(jié)果,研究不同熱輸入量對焊縫組織形貌影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本文所要堆焊的膜式水冷壁由20G的鋼管組成,其成分如表1所示。堆焊的焊絲選用的是直徑為1.2 mm的316L不銹鋼,其成分如表2所示。

表1 20G鋼管的成分/%

表2 316L焊絲的成分/%

1.2 實驗方法

1.2.1 單面堆焊實驗

本實驗主要是使用安川公司提供的DX200 MA1440焊接機(jī)器人進(jìn)行膜式水冷壁的單面堆焊實驗。分別采用了CMT熔接法、短路熔接法和脈沖熔接法三種方法進(jìn)行焊接。這三種不同熔接法對應(yīng)的焊接參數(shù)如表3所示。在實際的焊接過程中,需要調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài),使得在每道焊縫加熱時,焊槍都垂直于鋼管的焊縫表面。

表3 三種不同熔接法的焊接參數(shù)

為了在膜式水冷壁堆焊前施加三點(diǎn)約束,設(shè)計了如圖1所示的夾具,用于控制鋼管在厚度方向的位移和變形。由于膜式水冷壁的主要變形是沿著厚度方向發(fā)生彎曲變形,因此,夾具的設(shè)計意圖是在右圖中的三個箭頭位置給予膜式水冷壁施加與變形趨勢相反的約束力。

圖1 約束焊接的夾具實物圖(上)和示意圖(下)

1.2.2 金相觀察實驗

先用線切割機(jī)在膜式水冷壁單面堆焊的焊縫處切出一小塊,在裝有丙酮的燒杯中浸泡3 min,去除樣品的油污。由于樣品較大而且導(dǎo)電,所以不需要鑲嵌,直接用砂紙進(jìn)行打磨。當(dāng)用1200#的砂紙打磨完成后,再用2.5μm的拋光劑進(jìn)行表面拋光。當(dāng)樣品表面呈鏡面且無劃痕時,先用酒精清洗,然后吹干,再用4%的硝酸酒精溶液對樣品進(jìn)行腐蝕,腐蝕的時間約10 s即可,此時可以觀察到樣品的表面顏色開始發(fā)生變化,最后利用金相顯微鏡進(jìn)行樣品焊縫處的組織觀察與記錄。

1.2.3 體視顯微鏡觀察實驗

當(dāng)樣品觀察過金相組織后,可以直接拿到體視顯微鏡下進(jìn)行拍照。本實驗采用0.8倍的鏡頭,拍下四種不同方法制得的樣品的焊縫照片。可以用來對比不同焊接方法下,堆焊層的厚度差別,熱影響區(qū)的大小差別。另外,體視照片還可以用于測量不同熔接法下焊縫的稀釋率大小。

1.2.4 掃描電鏡實驗

光學(xué)金相顯微鏡觀察后的樣品,可以直接用作為掃面電鏡的實驗樣品。本實驗采用的是Sirion場發(fā)射掃描式電子顯微鏡。主要用來觀察焊縫結(jié)合處是否有氣孔和夾雜等缺陷,以及焊縫處的金相組織變化等。

2 電弧沉積過程溫度場計算模擬

基于ANSYS軟件進(jìn)行仿真模擬,采用均勻體熱源模型[10-12],對比了三種不同的熱輸入下,膜式水冷壁的瞬態(tài)溫度場云圖及結(jié)果曲線。實驗所研究的膜式水冷壁管屏的截面的幾何參數(shù)為:鋼管外徑為32 mm,壁厚為7.5 mm,扁鋼寬為10 mm,厚度為5.5 mm。在不影響分析焊接溫度場的基礎(chǔ)上,為了縮短程序的運(yùn)行時間,選擇了單根管和兩個扁鋼作為一個單元,而且單元的長度為400 mm。

圖2是利用Solid Works所畫出的幾何模型示意圖和橫截面圖。圖中A→E分別為五道焊縫的位置和焊接順序。

圖2 幾何模型的示意圖和橫截面圖

由于在實際焊接時,使用的是316L焊絲在20G鋼管的表面進(jìn)行堆焊,因此在選擇熔接法時只有三種鋼的熔接法可供選擇,分別為對應(yīng)的鋼的CMT熔接法、短路熔接法和脈沖熔接法。當(dāng)選定熔接法之后則需要根據(jù)實際的焊縫成型情況初步地選擇焊接工藝參數(shù),最后得到三組熱輸入依次增大的焊接方法,對應(yīng)的線能量從小到大分別為:1750,2110和2580 J/cm。

2.1 溫度場結(jié)果云圖

圖3為加載三種不同線能量的熱源在同一時刻(第五道焊縫開始加熱第20 s時)膜式水冷壁的溫度場分布云圖。對比圖3中的(a),(b)和(c)可以清楚地發(fā)現(xiàn),溫度場云圖主要包括紅色的液態(tài)熔池區(qū)域(1500℃以上)、亮黃色的固-液混合區(qū)以及暗黃色的熱影響區(qū)等。由圖3可知,加熱過程中,熱源所到達(dá)的位置迅速達(dá)到熔點(diǎn),熱源離開后,溫度也迅速降低到600℃左右。隨著線能量的增加,熔池后方的等溫線逐漸變得稀疏即溫度降低的速度變緩,說明線能量的增加會使得焊縫處的熱量集中,膜式壁的冷卻速度隨之變慢,熔池拖尾的現(xiàn)象更加明顯。

圖3 三種不同線能量的熱源在第五道焊縫加熱20 s時的溫度場云圖

2.2 溫度場結(jié)果曲線

選用了熱源加載10,20和30 s三個時刻,分析第五道焊縫中心線上各點(diǎn)的溫度分布曲線。圖4為第五道焊縫中心線的路徑示意圖。圖5分別是路徑AB上的點(diǎn)在三種線能量作用下不同時刻的溫度分布曲線。

圖4 第五道焊縫中心線示意圖

圖5 三種不同線能量的熱源在不同時刻第五道焊縫中心線上各點(diǎn)的溫度分布曲線

對比圖5(a)、(b)和(c)三幅圖可以發(fā)現(xiàn),隨著熱源線能量的增加,熔池中最高溫度值也隨之增大,分別為1600,1750和1850℃左右,說明熱輸入量的增大對熔池的最高溫度有著很大的影響。對比圖5三幅圖中相同時刻對應(yīng)的起點(diǎn)溫度可以看出,當(dāng)線能量越大時,起點(diǎn)的溫度值相應(yīng)地也越大,說明熱輸入的增加使得焊接熔池的熱量集中,冷卻速度也相對變慢,與實際情況相符合。

3 實驗結(jié)果與分析

膜式水冷壁堆焊過后的組織由焊接過程的熱循環(huán)決定,而熱循環(huán)又由焊接時的熱輸入所決定。由Fe-C相圖可知,含碳量為0.2%左右的20G鋼,焊縫區(qū)域在焊接加熱時,會轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貖W氏體,而焊縫區(qū)域的室溫組織均是由這些高溫狀態(tài)的奧氏體組織冷卻得到的。一般來說,奧氏體的冷卻過程,都是先在晶界部位析出共析鐵素體,然后在奧氏體的晶粒內(nèi)部會有一些合金或微小顆粒,針狀組織以這些顆粒作為核心逐漸形核并長大。由焊接冶金學(xué)的知識[13-14]可知,加載熱源的熱輸入大小對焊縫室溫組織的影響主要分為以下兩個方面:

(1)當(dāng)熱源的線能量增大時,熔池的最高溫度會增加,熔池中的液態(tài)金屬在高溫段停留的時間也會相應(yīng)地變長,使得過冷度降低。而熔池中的液態(tài)金屬在凝固的過程中,柱狀晶向晶粒內(nèi)部的生長需要一定的溫度梯度和過冷度,因此熱輸入越大時,越不利于柱狀晶的縱向生長,反而橫向位置由于沒有溫度梯度,會容易形成粗大的柱狀晶。此時,奧氏體冷卻過后得到的室溫組織中,柱狀晶的數(shù)目會減少,而等軸晶的數(shù)目會增加。

(2)當(dāng)熱源的線能量變大時,熔池中金屬的冷卻速度會降低,使得奧氏體在較高的溫度時發(fā)生分解,這有利于先共析鐵素體的析出。另外,熔池的最高溫度變大和冷卻速度的降低都會造成奧氏體的晶粒長大,從而減小晶界總面積,依賴晶界位置形核長大的側(cè)板條鐵素體也就相應(yīng)地減少。

在實際的焊接實驗中除了對比三種不同的熱輸入外,還添加了三點(diǎn)約束的試驗。為了清晰地觀察每一種焊接方法得到的焊縫處的宏觀形貌、熔池形狀以及熱影響區(qū)大小等,分別對比了各焊縫處的實體照片、體視照片和金相照片。

圖6為四種焊接方法在膜式水冷壁表面電弧沉積得到的焊縫實物照片。拍攝時,只選取了樣品中鋼管頂部到扁鋼的部分進(jìn)行研究。由圖6可以看出,隨著熱輸入的增加,焊縫表面的飛濺逐漸增多,但四種焊縫均成型良好,沒有明顯的宏觀缺陷。從扁鋼處完整的焊縫可以看出,由于焊接過程施加了擺焊,焊縫的寬度均明顯變寬。

圖6 不同方法得到的膜式水冷壁的焊縫實物圖

圖7為膜式水冷壁頂部的四種焊縫截面的體視照片。由圖7可知,所有的焊接接頭均成型良好,沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜和其他缺陷等。由圖中可以清楚地看出焊縫、熱影響區(qū)和熔合線的分布以及在每道焊縫的邊緣均會出現(xiàn)紅色框中的蝕坑。對比圖7(a),(b)和(c)可以發(fā)現(xiàn),由于熱輸入的增加,熔池中最大溫度增大且冷卻速度變慢,使得焊縫對母材的加熱作用增加,熔化區(qū)域變寬,即圖中的焊縫變寬,熱影響區(qū)的范圍也逐漸加大。對比圖7中的(a)和(d)兩幅圖可以發(fā)現(xiàn),焊縫的寬度,熔池的形狀和熱影響區(qū)的大小都幾乎一樣,這是因為兩者的焊接方法相同,熱輸入相同。

圖7 膜式水冷壁頂部的焊縫截面體視圖

圖8為膜式水冷壁頂部四種焊縫熔合線附近熱影響區(qū)的金相組織照片。圖中空白區(qū)域是耐腐蝕的焊縫區(qū)域,黑色區(qū)域為熱影響區(qū),圖片底部的白色區(qū)域為近母材區(qū)。對比分析圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn),采用CMT熔接法得到的樣品(a)和(d),由于熱輸入相對最低,冷卻速度最快,因此熱影響區(qū)的寬度最小。短路和脈沖兩種熔接法得到的樣品(b)和(c)中,圖(b)的底部開始出現(xiàn)母材區(qū),而圖(c)中熱影響區(qū)占據(jù)了整個圖片的大小,說明其熱影響區(qū)的寬度依次增加。由此可以得出,隨著熱輸入的增加,焊縫對母材的加熱作用更大,熱影響區(qū)的寬度依次增加。

圖8 膜式水冷壁頂部四種焊縫熔合線附近的金相組織(100×)

圖9是四種樣品的熱影響區(qū)在放大500倍下的金相組織照片。圖9(a)和(d)中白色為塊狀鐵素體,灰色為珠光體,看不到明顯的粗大晶粒。而圖9(b)和(c)中可以觀察到原奧氏體晶粒明顯長大,塊狀的鐵素體主要沿晶界分布,晶粒內(nèi)為珠光體,并出現(xiàn)了互相平行的白色針狀鐵素體,即魏氏組織。這是因為熱輸入的增大使得焊縫中的過熱度增加,奧氏體晶粒變得粗大,從而容易產(chǎn)生魏氏組織。由于熱輸入的增加,過熱使得熔合線附近的碳含量降低,由“杠桿定律”可知,室溫組織中鐵素體含量會增加,而珠光體的含量會降低。由圖9(a),(b)和(c)可以看出,熱影響區(qū)的整體白色區(qū)域面積增大,即鐵素體總含量增大,珠光體含量減少。

圖9 四種焊縫熔合線附近的金相組織(500×)

圖10是四種焊接方法得到的樣品近母材區(qū)的金相組織照片,圖中白色為等軸晶鐵素體,灰色為珠光體。由圖10也可以驗證熱輸入的增加使得鐵素體的含量增多,珠光體含量降低。此外,熱輸入增大時,熔池溫度變高,熱影響區(qū)范圍變大,使得近母材區(qū)發(fā)生重結(jié)晶的過程,因而圖9(b)和(c)中發(fā)生了明顯的晶粒細(xì)化。

圖10 四種樣品近母材區(qū)的金相組織照片(500×)

圖11是四種樣品在熔合線附近熱影響區(qū)的SEM圖片,圖中白色區(qū)域為珠光體,灰色區(qū)域為鐵素體。由圖11(a),(b)和(c)中可以看出,隨著熱輸入的增大,白色區(qū)域即珠光體的含量明顯減少,鐵素體含量則相對增加,與前文得到的規(guī)律相一致。

圖11 四種樣品熔合線附近熱影響區(qū)處SEM圖片

4 結(jié) 論

本實驗基于ANSYS軟件的通用后處理模塊,獲得膜式水冷壁在不同時刻的溫度場云圖分布,及第五道焊縫中心線上各點(diǎn)的溫度分布曲線。同時對比了不同熱輸入大小對膜式水冷壁單面堆焊過程中溫度場分布規(guī)律的影響和對焊縫附近形貌和組織的影響。主要結(jié)論如下:

1.加熱過程中,熱源所到達(dá)的位置迅速達(dá)到熔點(diǎn),熱源離開后,溫度也迅速降低到600℃左右。比較了不同線能量大小的熱源對溫度場云圖的影響,發(fā)現(xiàn)隨著線能量的增加,熔池所達(dá)到的最高溫度也越大,差值達(dá)到了100℃以上。而且當(dāng)熱源的線能量越大時,冷卻到同一溫度所需的時間也就相對越長,冷卻速度越慢。

2.對比三種熱輸入下的第五道焊縫中心線上各點(diǎn)的溫度分布曲線可知,當(dāng)熱源加熱到10 s之后,溫度基本呈現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),熔池后方的各點(diǎn)溫度的冷卻速度逐漸變緩。而熱輸入越大,熔池的最高溫度也就越大,但是曲線的規(guī)律基本一致。

3.隨著熱源熱輸入量的增加,熔池的深度和熱影響區(qū)的范圍也會隨之變大,組織中鐵素體含量增多,珠光體含量降低,并出現(xiàn)魏氏組織。