復(fù)雜曲面堆焊Inconel625/925A焊接工藝與分析

段江麗，劉 禹

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450001)

Inconel625合金是以鉬、鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，已被廣泛用于航空航天、海洋、化學(xué)和核工業(yè)等領(lǐng)域[1]。

925A是一種高強(qiáng)度專用鋼，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均較高，是船舶裝備中較常用的一種高強(qiáng)度鋼，既有高強(qiáng)度和抗腐蝕性，還有優(yōu)良的韌性、抗疲勞性及穩(wěn)定性[2]。隨著鋼的強(qiáng)度級別要求越來越高，其碳含量和合金元素增加，使得焊接變得困難，在使用性能方面受焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生脆化、軟化的傾向更加明顯，這些都是925A鋼堆焊焊接時需要考慮的情況。

相對于一般的碳鋼及合金鋼，鎳合金焊材的焊接工藝性能較差，對熱裂紋敏感性較高，容易產(chǎn)生裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。某產(chǎn)品筒體為925A材質(zhì)，其內(nèi)環(huán)面為帶有凹槽的復(fù)雜表面，內(nèi)環(huán)面堆焊Inconel625合金時，凹槽處尤其容易產(chǎn)生未熔合現(xiàn)象，層間也易出現(xiàn)熔合不良的情況。

堆焊件內(nèi)部質(zhì)量的檢驗只能通過破壞性試驗進(jìn)行，如切開焊件并取樣進(jìn)行彎曲試驗、金相觀察等，而無法通過射線檢測、超聲檢測對其內(nèi)部是否存在未熔合、裂紋等缺陷進(jìn)行無損檢查。故采用可靠性高、焊接效果優(yōu)良的焊接方法與工藝，對產(chǎn)品的質(zhì)量而言十分重要。

本文采用熱絲脈沖TIG的焊接方法，在925A材質(zhì)的帶凹槽表面堆焊Inconel625合金，在凹角及平面處均獲得了平坦、連續(xù)、無缺陷的堆焊層，焊后對堆焊接頭消應(yīng)力熱處理，通過彎曲試驗、硬度試驗、金相試驗、點腐蝕試驗及化學(xué)成分測量，對堆焊接頭及堆焊層性能進(jìn)行了分析。

1 試驗材料和方法

1.1 焊接方法

對于堆焊增材，選定合適的堆焊方法及相應(yīng)的堆焊工藝至關(guān)重要。傳統(tǒng)的堆焊方法主要是SMAW，當(dāng)堆焊量大時也會適當(dāng)采用MIG，采用這些工藝時，鎳合金堆焊容易產(chǎn)生未熔合、裂紋、氣孔，且存在焊接速度低、殘余應(yīng)力與變形大、母材稀釋率高、效率低等缺點。當(dāng)焊接表面為復(fù)雜曲面時，這些問題更為突出。

TIG不存在電極熔化對弧長的影響，電弧穩(wěn)定、保護(hù)效果好、飛濺少，容易獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層[3]，且焊接電流獨立于送絲控制，靈活性高，可以更好地控制焊縫成形，非常適合焊接鎳基合金等易于氧化、對熱裂紋敏感性較高的材料的堆焊[4]。

熱絲脈沖TIG是近年發(fā)展起來的更為先進(jìn)的工藝，具有母材稀釋率低、熱影響區(qū)小、殘余應(yīng)力與變形小、電弧穩(wěn)定、焊接缺陷少等優(yōu)點[5]。

1.2 堆焊試件制備

基材為厚度20 mm的925A鍛件，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。試驗?zāi)M產(chǎn)品筒體內(nèi)壁凹槽形式進(jìn)行焊接試驗，925A板上帶有凹槽(見圖1)。焊接前待堆焊面銑削加工，倒角R2 mm，表面粗糙度Ra3.2 μm。

圖1 堆焊焊接工藝評定試板形式(單位為mm)

所用焊絲型號為ERNiCrMo-3，焊絲直徑為1.0 mm，焊絲主要化學(xué)成分見表1。

表1 Inconel625堆焊焊絲主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

焊絲中的雜質(zhì)元素S、P、Si等含量極低。由于焊絲的夾雜及其表面的臟物、油污和拉絲潤滑劑可能成為焊接污染源，且焊絲的表面積和體積比率大，故焊前應(yīng)保證焊絲清潔。

帶凹槽的試板焊接工藝參數(shù)見表2。焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～150 ℃，層間溫度不高于150 ℃，焊后覆蓋緩冷。焊道間重合率約為50%，堆3層，厚度約為6 mm，部分堆焊4層時厚度約為8 mm。焊后保溫棉覆蓋冷卻至室溫，基材焊后表面因受熱氧化而變成了金黃色、藍(lán)色，所得堆焊層表面較平整(見圖2)。

表2 帶凹槽試板焊接試驗工藝參數(shù)

圖2 Inconel625/925A堆焊外觀形貌

1.3 熱處理

試件焊后按產(chǎn)品要求進(jìn)行550 ℃、保溫4 h的消應(yīng)力熱處理。

1.4 性能測試

對堆焊層進(jìn)行滲透檢測，試件堆焊層表面符合NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)I級要求，未發(fā)現(xiàn)缺陷。取樣加工并進(jìn)行彎曲、硬度、金相、點腐蝕試驗及化學(xué)成分測量。取4個彎曲試樣在電液伺服彎曲試驗機(jī)BHT5160上進(jìn)行試驗。取硬度試樣用全自動維氏硬度試驗機(jī)KB30SR-FA進(jìn)行硬度試驗，硬度試驗位置如圖3所示。

圖3 硬度試驗位置示意圖

取金相試樣對堆焊件的截面進(jìn)行打磨，浸蝕劑為硝酸酒精溶液、王水，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡和EPSON PERFECTION 2480 PHOTO掃描儀，進(jìn)行焊縫低倍組織宏觀觀察和微觀金相組織觀察。取堆焊層2 mm和3 mm厚度處的樣屑，采用Agilent 5110SVDV電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，按ASTM E2594—2020標(biāo)準(zhǔn)測定樣屑的化學(xué)成分。取堆焊層上金屬塊試樣，對堆焊層2 mm和3 mm處的點腐蝕性能進(jìn)行測試。每個點腐蝕樣塊經(jīng)打磨拋光后尺寸約為2 mm×20 mm×50 mm，對試樣打號，用酒精除油，并用去離子水洗凈后晾干，測量尺寸并稱重。將試塊放入配制好的6%的FeCl3溶液中，容面比為22 mL/cm2，恒溫(50±1)℃保持72 h后取出試樣。用去離子水沖洗取出的試樣，在流水下用尼龍軟毛刷擦洗，以便去除腐蝕產(chǎn)物，在酒精中浸泡并干燥、稱重。計算其平均腐蝕速率并用20×放大鏡觀察試樣表面，對腐蝕后的試樣進(jìn)行觀察，其腐蝕速率為

式中，v是腐蝕速率，單位為g/(m2·h)；Wa、Wb是試驗前、后試樣的質(zhì)量，單位為g；S是試樣面積，單位為m2；t是時間，單位為h。

2 結(jié)果與分析

2.1 彎曲試驗

對4個彎曲試樣進(jìn)行試驗，彎芯直徑為50 mm，彎曲角度為180°?；呐c堆焊層間熔合良好無開裂，且堆焊層之間熔合良好無開裂結(jié)，彎曲試驗均合格，且完全滿足產(chǎn)品設(shè)計“堆焊層與基材之間熔合良好”的要求。堆焊試樣彎曲效果如圖4所示。

圖4 堆焊試樣彎曲形貌

2.2 硬度試驗

試樣不同區(qū)域維氏硬度測試結(jié)果見表3，其中序號1、2、3為基材925A側(cè)，序號4、5、6為熱影響區(qū)位置，序號7、8、9為堆焊層位置。結(jié)果表明，堆焊試樣硬度HV10最高值均分布在焊接熱影響區(qū)，最高值在無凹槽試樣的925A側(cè)的熱影響區(qū)。堆焊層硬度比較穩(wěn)定，且靠近母材部分的硬度稍高，這應(yīng)與基材的碳元素擴(kuò)散至堆焊層使其強(qiáng)化相關(guān)[6]。925A硬度值符合計算要求與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 帶凹槽試板試驗結(jié)果(硬度試驗)

2.3 金相觀察

對堆焊層橫截面進(jìn)行金相觀察(見圖5)?？梢钥闯觯押笇訛橹旅艿慕M織，且無未熔合，無裂紋、氣孔、固體夾雜、孔穴以及其他缺陷。堆焊層與基體之間熔合良好，熔合線無明顯起伏，基本為一條平直的線條，熱影響區(qū)均勻且窄，相鄰焊道的搭接邊界均較清晰，堆焊層中的Cr、Ni、Mo、Fe全部固溶在奧氏體的Ni的枝晶中，形成唯一的枝晶狀奧氏體組織。925A基材均為回火索氏體組織，925A熱影響區(qū)晶粒相對粗大，為貝氏體組織，這也是925A熱影響區(qū)硬度較高的原因。

a)堆焊層金相組織(500×)

2.4 化學(xué)成分分析

從物理本質(zhì)看，堆焊的熱過程、冶金過程，以及堆焊金屬的凝固結(jié)晶和相變過程與普通熔焊工藝是相同的。堆焊時，熔敷金屬因母材的熔入而被稀釋，這給堆焊層的性能帶來了重要影響?；?25A鋼的稀釋對Inconel625合金堆焊層的影響是不利的，堆焊層中只要不存在裂紋、氣孔等其他缺陷，稀釋率的高低直接影響堆焊層的性能，從而影響相關(guān)部件的使用效果及使用壽命，因此降低稀釋率是控制堆焊質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[7]。

Fe是耐腐蝕性能的表征元素，高含量會引起耐腐蝕性的嚴(yán)重退化[8]。測得堆焊層2 mm處的Fe含量為2.87%，堆焊層3 mm處的Fe含量為1.66%，含量均較低。

2.5 點腐蝕試驗

根據(jù)試樣失重數(shù)據(jù)及尺寸，計算試樣的腐蝕速率，計算結(jié)果見表4，其中D21、D22、D23為堆焊層2 mm處試樣，D31、D32、D33為堆焊層3 mm處試樣。由表4可知，試樣有微弱增重，腐蝕速率僅供參考。用20×放大鏡觀察試樣表面，對腐蝕后的試樣進(jìn)行觀察，各試樣腐蝕試驗前、后的表面形貌如圖6所示，由圖6可以看出，經(jīng)腐蝕試驗后，各試樣的表面均呈紫色，但均沒有明顯的腐蝕痕跡，表現(xiàn)出了較高的耐點腐蝕性。

表4 腐蝕試驗后失重數(shù)據(jù)及腐蝕速率(帶凹槽試驗)

a)D21、D22、D23試驗前表面

3 效果驗證

采用與焊接工藝評定試驗相同焊接工藝對產(chǎn)品的筒體內(nèi)壁進(jìn)行堆焊，此筒體內(nèi)壁為帶有凹槽的復(fù)雜曲面。筒體預(yù)熱后豎直放置，焊槍找正位置，關(guān)閉送絲開關(guān)，點擊開始鍵，使焊槍模擬焊接軌跡運行一段距離確認(rèn)無誤后停止，然后進(jìn)行正式的焊接。每一層焊接完成后，用手持放大鏡對焊縫表面進(jìn)行目視檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，筒體堆焊效果如圖7所示。

圖7 帶有凹槽的筒體內(nèi)環(huán)面焊接效果圖

4 結(jié)語

對于帶凹槽的925A高強(qiáng)度鋼的復(fù)雜表面進(jìn)行Inconel625合金堆焊，采用熱絲TIG工藝焊接，獲得了平坦的表面質(zhì)量優(yōu)良的堆焊層，經(jīng)焊后消應(yīng)熱處理后，通過對堆焊接頭進(jìn)行彎曲試驗、硬度檢測，并對堆焊層金相組織分析、化學(xué)成分測量及點腐蝕試驗，得出如下結(jié)論。

1)堆焊層與帶凹槽的925A高強(qiáng)度鋼的復(fù)雜表面間熔合良好，彎曲試樣的堆焊層與基材、堆焊層之間均無開裂，解決了生產(chǎn)中的技術(shù)難題。

2)基材925A側(cè)的熱影響區(qū)較窄，堆焊試樣硬度HV10最高值均分布在焊接熱影響區(qū)，為279～338 HV10，但均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中“<450 HV10”的要求。925A側(cè)的熱影響區(qū)為貝氏體組織，這也是熱影響區(qū)硬度偏高的原因。

3)堆焊層與基體之間形成良好的冶金熔合，熔合線無明顯起伏，相鄰焊道的搭接邊界均較清晰，堆焊層中為枝晶狀奧氏體組織。

4)堆焊層2 mm處的Fe含量為2.87%，堆焊層3 mm處的Fe含量為1.66%，含量均較低。

5)焊后550 ℃、保溫4 h的消應(yīng)力熱處理，并未對堆焊層的腐蝕性能產(chǎn)生明顯的不良影響，堆焊層2 mm和3 mm處的耐腐蝕性能優(yōu)良，能滿足產(chǎn)品耐腐蝕的要求。