鎳基泡沫防砂篩管TIG焊接頭組織性能

馮 濤, 邢付龍, 孫永興, 王炳英, 魯銘洋, 鄧肖肖

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江哈爾濱150001; 3.上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司,山東青島 266500)

目前機(jī)械防砂是油田常用的防砂方法,常見的機(jī)械防砂方法有濾砂管、繞絲篩管、割縫篩管、管外礫石充填篩管、可膨脹篩管等,這些機(jī)械防砂方法各有優(yōu)勢(shì),但都難以應(yīng)對(duì)油井中后期出砂較嚴(yán)重的防砂任務(wù)[1-4]。目前有一種新型鎳基泡沫金屬篩管,其擋砂層由高孔隙率、低孔徑的鎳基泡沫金屬板卷制焊接而成。與傳統(tǒng)機(jī)械防砂方法相比,鎳基泡沫金屬篩管具有更好的防砂效果。泡沫金屬是金屬基體中分布著無(wú)數(shù)孔洞的金屬材料,因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特點(diǎn)。泡沫鎳是通過化工、機(jī)械等手段對(duì)高純度金屬鎳作進(jìn)一步深加工的產(chǎn)品,因其具有孔隙率高、比表面積大、質(zhì)量均勻等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、減震器、過濾器、消防、化工催化器、熱交換器、環(huán)保廢水治理等領(lǐng)域[5-7]?？煽康倪B接是泡沫金屬實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。焊接作為現(xiàn)代制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種重要連接技術(shù),可通過實(shí)現(xiàn)原子級(jí)連接獲得可靠的接頭。而泡沫金屬因其結(jié)構(gòu)的特殊性,采用常規(guī)焊接方法難以實(shí)現(xiàn)可靠的連接。目前關(guān)于泡沫金屬焊接性的研究主要集中在泡沫鋁領(lǐng)域,而關(guān)于鎳基泡沫金屬焊接的研究報(bào)道極少,因此迫切需要制定出可以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的鎳基泡沫金屬焊接工藝[8-12]。筆者以厚度為6 mm的鎳基泡沫金屬為研究對(duì)象,采用TIG焊并選用Inconel625與Inconel600兩種焊絲,探討焊接工藝對(duì)焊縫成形、接頭組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

所用母材為通過電鍍方法制備的鎳基泡沫金屬板,厚度為6 mm。該材料為三維立體空隙結(jié)構(gòu),孔隙率約為60%,其形貌見圖1。所用鎳基泡沫金屬為純Ni,選用Inconel625和Inconel600兩種焊絲進(jìn)行填充,焊絲直徑為2 mm,所用的焊接工藝參數(shù)見表1。采用多層多道焊,正面焊2道,背面焊1道。焊后利用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)接頭形貌進(jìn)行分析,利用X射線能譜分析儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對(duì)接頭的物相進(jìn)行分析。

圖1 母材形貌Fig.1 Microstructure of base metal

表1 鎳基泡沫金屬TIG焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊后接頭性能及組織分析

表2為焊接工藝對(duì)接頭性能的影響,圖2為焊后接頭的宏觀形貌。由表2可見,預(yù)熱150 ℃試樣的抗拉強(qiáng)度高于室溫焊接試樣的抗拉強(qiáng)度,Y形坡口試樣的抗拉強(qiáng)度高于X形坡口試樣,采用Inconel625焊絲的試樣整體抗拉性能高于Inconel600焊絲。由圖2可見,若焊接參數(shù)選擇不當(dāng),可能導(dǎo)致未焊透等缺陷。

表2 焊接工藝對(duì)鎳基泡沫金屬接頭性能的影響

圖2 焊接接頭截面宏觀形貌Fig.2 Welding joints cross section

選取抗拉強(qiáng)度最高的1#和抗拉強(qiáng)度最低的8#試樣以及母材(圖3),分析其斷口形貌,并對(duì)斷口中的第二相質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行ESD分析。由圖3可見,1#試樣和母材的斷口上均分布有韌窩,部分韌窩中有第二相質(zhì)點(diǎn),但1#試樣斷口中的第二相數(shù)量較母材多且尺寸大;8#試樣的斷口呈冰糖狀,為沿晶脆性斷裂,同時(shí)斷口處也存在第二相質(zhì)點(diǎn)。EDS分析表明,第二相質(zhì)點(diǎn)中C、O等元素含量較高,由此推測(cè)第二相質(zhì)點(diǎn)為碳化物或其他非金屬夾雜物。

圖3 拉伸斷口形貌及第二相EDS分析Fig.3 Tensile fracture SEM images and EDS analysis of welded joints

圖4為1#、8#試樣和母材的拉伸曲線。由圖4可見,1#試樣和母材拉伸時(shí),在斷裂之前曲線上出現(xiàn)了多個(gè)屈服平臺(tái)。泡沫材料結(jié)構(gòu)上的不均勻性導(dǎo)致拉伸時(shí)各部分受力不均,出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),泡沫金屬中的應(yīng)力集中區(qū)域便會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,受柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用使抗拉強(qiáng)度增大。而8#試樣表現(xiàn)為脆性斷裂,這表明鎳基泡沫金屬TIG焊接接頭的性能受焊接工藝影響較大。

圖5、6分別為1#和5#試樣接頭顯微組織。由圖5可見,使用Inconel625焊絲時(shí),焊縫熱影響區(qū)為粗大的等軸晶,熔合區(qū)母材側(cè)為胞狀晶,焊縫側(cè)為樹枝晶,焊縫表面為均勻細(xì)小的等軸晶,焊縫中部為胞狀樹枝晶,焊縫層道間由下至上為等軸晶→胞狀晶→柱狀晶。由圖6可見,使用Inconel600焊絲時(shí),焊縫表面為均勻細(xì)小的等軸晶,焊縫中部主要為等軸晶和樹枝晶,焊縫層道間組織依次為胞狀樹枝晶→胞狀晶→等軸晶。而熔合區(qū)由靠近母材處至焊縫內(nèi)部,組織變化表現(xiàn)為平面晶→胞狀晶→樹枝晶。

圖4 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile stress-strain curve

圖5 1#試樣焊接接頭顯微組織Fig.5 Microstructure of welded joint of sample 1

2.2 焊接接頭物相分析

1#試樣焊縫區(qū)和熔合區(qū)XRD衍射圖譜見圖7,SEM與析出相EDS測(cè)試結(jié)果見圖8。結(jié)果表明,焊縫區(qū)和熔合區(qū)主要為γ-Ni和γ固溶體(Cr2Fe6.7Mo0.1Ni1.3Si0.3),且熔合區(qū)以γ-Ni相為主,焊縫區(qū)以γ固溶體為主。

5#試樣焊縫區(qū)和熔合區(qū)XRD衍射圖譜見圖9,焊縫區(qū)SEM和析出相EDS測(cè)試結(jié)果見圖10。由圖9可見,熔合區(qū)主要為γ-Ni和γ固溶體(FeCr0.29Ni0.16C0.06);熔合區(qū)以γ-Ni相為主,焊縫區(qū)以γ固溶體為主。由圖10可見,5#試樣晶粒內(nèi)部與晶界上分布有白色析出物,晶界處析出物呈不規(guī)則片狀,而晶粒內(nèi)部的析出物呈球形。圖10中A、B區(qū)域ESD掃描結(jié)果表明,該區(qū)域Nb、Ti的含量均高于焊絲,該區(qū)域晶界處存在Nb、Ti元素富集的現(xiàn)象。

圖6 5#試樣焊接接頭顯微組織Fig.6 Microstructure of welded joint of sample 5

圖7 1#試樣焊接接頭XRD衍射圖譜Fig.7 XRD diffraction pattern of 1# sample welding joint

圖8 1#試樣焊縫區(qū)SEM及EDSFig.8 SEM and EDS of 1# sample welded area

圖9 5#試樣焊接接頭XRD衍射圖譜Fig.9 XRD diffraction pattern of 5# sample welding joint

圖10 5#試樣焊縫區(qū)SEM及EDSFig.10 SEM and EDS of 5# sample welded area

3 結(jié) 論

(1)采用TIG焊接6mm厚鎳基泡沫金屬板時(shí),焊接工藝對(duì)焊縫成形性有較大影響。當(dāng)選用Inconel625焊絲,焊接電流為60A,焊前預(yù)熱為150 ℃,Y形坡口,間斷填絲的工藝時(shí),所得到的焊接接頭力學(xué)性能最優(yōu),抗拉強(qiáng)度可達(dá)21.37MPa,約為母材的96.0%。

(2)使用Inconel625和Inconel600焊絲得到的接頭組織類似。焊縫表面為均勻細(xì)小的等軸晶,焊縫中部組織主要為等軸晶和樹枝晶。在焊層交界處,由下層焊道至上層焊道組織依次表現(xiàn)為胞狀樹枝晶→胞狀晶→等軸晶;而在熔合區(qū)由靠近母材處至焊縫內(nèi)部,組織變化表現(xiàn)為平面晶→胞狀晶→樹枝晶。

(3)工藝參數(shù)選擇合適時(shí),斷口主要為韌窩;而工藝選擇不合適時(shí),斷口形貌為沿晶脆性斷裂,且斷口表面存在以碳化物和其他非金屬夾雜物為主的第二相質(zhì)點(diǎn)。采用Inconel625與Inconel600兩種焊絲得到的焊接接頭熔合區(qū)的主要物相為γ相,使用Inconel625焊絲時(shí),焊縫區(qū)以Cr2Fe6.7Mo0.1Ni1.3Si0.3為主,使用Inconel600焊絲時(shí),焊縫區(qū)以FeCr0.29Ni0.16C0.06為主。