膜式水冷壁表面堆焊Inconel625合金成形工藝研究

孫佳孝，楊 可，郭余慶，王 軍，張偉剛

1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022 2.江蘇能建機(jī)電實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300 3.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 泰州分院，江蘇 泰州 225300

0 前言

膜式水冷壁是由鰭片和光管組成的平直焊接組件，具有良好的氣密性，能夠吸收爐膛火焰的熱輻射，保護(hù)鍋爐爐墻，目前已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代鍋爐結(jié)構(gòu)中[1]。然而，膜式水冷壁服役環(huán)境較為惡劣，極易受到鍋爐內(nèi)高溫、煙氣等高溫腐蝕和表面沖蝕，導(dǎo)致鍋爐的運(yùn)行存在安全隱患[2]。因此，對膜式壁管屏表面進(jìn)行防護(hù)有著重要的實(shí)際意義。目前，熱噴涂、堆焊等方法是工業(yè)中常用的延長膜式壁使用壽命的方法，其中，堆焊方法為冶金結(jié)合，堆焊層致密度高，同時可根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇堆焊耐磨、耐腐蝕或耐高溫的材料，受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注[3]。

Inconel625是以Mo、Nb為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，在高溫下仍能保持較高的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性和抗氧化性，當(dāng)使用溫度為900～1 100℃，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為25 W·m-1·℃-1，與常用的膜式水冷壁材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)相差較小，因此在膜式水冷壁表面堆焊Inconel625不會影響其散熱能力[4]。近年來，國內(nèi)外對Inconel625堆焊工藝進(jìn)行了大量研究。郭龍龍[5]等采用熱絲TIG在AISI 4130表面堆焊Inconel625，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法分析工藝參數(shù)對焊縫成形的影響，結(jié)果表明焊絲進(jìn)給速度恒定時，焊接電壓對堆焊層厚度和融合率影響均較大，熱絲電流對兩者影響較小；梁恩寶[6]等采用熔化極氣體保護(hù)焊（GTAW）堆焊Inconel625，研究焊接工藝參數(shù)與堆焊層厚度和稀釋率之間的定量關(guān)系，結(jié)果表明堆焊層厚度和稀釋率主要取決于焊接電流和送絲速度，焊接速度的影響相對較小；Sandeep Singh Sandhu[7]等采用 SMAW 在 AISI 304L 不銹鋼表面堆焊Inconel625，以線性和擺動兩種電弧方式，研究其對焊縫成形的影響，結(jié)果表明與線性方式焊接相比，采用擺動焊方法焊接時，堆焊層熔寬增加，而余高和熔深降低，成形件性能較好；Makoto[8]等采用定向沉積法研究了Inconel625沉積過程中氣孔和焊縫成形的影響因素，結(jié)果表明激光功率與氣流量對粉末熔化影響較大，同時對沉積層氣孔率和成形有一定影響，激光功率較小時，粉末熔化不足，沉積層孔隙率上升，氣流量較小時，沉積層寬度較窄。以上研究表明，國內(nèi)外對Inconel625堆焊工藝進(jìn)行了一定的探討，多選擇改變焊接熱源來優(yōu)化焊縫成形，對于焊接方式的研究，在擺動焊方面有了一定的研究成果，但關(guān)于高頻擺動焊方面的研究較少，高頻擺動焊可以提高生產(chǎn)效率，研究其焊接工藝具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

因此，本文采用GMAW通過高頻擺動焊，在膜式水冷壁表面堆焊Inconel625，研究焊接電流和擺動頻率對堆焊層表面成形的影響，并分析堆焊層金屬的組織和性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)研究的膜式壁材料為15CrMoG鍋爐用鋼，由尺寸為Φ60 mm×5 mm的鋼管和20 mm×5 mm的鰭片焊接而成。試驗(yàn)選用焊絲為Inconel625，對應(yīng)牌號為ERNiCrMo-3 AMS，直徑為1.2 mm。15CrMoG鋼與ERNiCrMo-3 AMS焊絲的化學(xué)成分分別如表1、表2所示。

表1 15CrMoG鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table1 Chemical composition of 15CrMoG steel（wt.%）

表2 ERNiCrMo-3AMS焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table2 Chemical composition of ERNiCrMo-3AMS wire（wt.%）

堆焊方法采用GMAW，通過立向下焊的焊接方法，并在管子中通循環(huán)水冷卻，堆焊過程如圖1所示。試驗(yàn)用焊機(jī)為氬弧焊機(jī)，保護(hù)氣為含氬混合氣體，氣體流量為10～20 L/min。在膜式壁表面堆焊長100 mm的焊縫，研究焊接電流與焊槍擺動頻率對焊縫成形的影響，焊接工藝參數(shù)如表3所示。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，在單層單道堆焊工藝基礎(chǔ)上，確定了單道多層堆焊工藝，在膜式壁表面堆焊兩層，長度為500 mm，工藝參數(shù)如表4所示。在堆焊兩層的膜式水冷壁樣板管面堆焊層位置截取試樣，尺寸為10 mm×15 mm×10 mm。經(jīng)打磨、拋光后，用王水（HCl∶HNO3=3∶1）對堆焊層試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間為60 s，使用DYJ-201C型倒置金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，使用HVS-1000A型顯微硬度儀進(jìn)行試樣硬度測試，加載力為200 g，保持15 s。

圖1 堆焊過程示意Fig.1 Diagram of surfacing process

表3 單層單道堆焊主要工藝參數(shù)Table 3 Main parameters of single layer single-pass surfacing

表4 單道多層堆焊主要工藝參數(shù)Table 4 Main parameters of single-pass multi-layer surfacing

2 結(jié)果與討論

2.1 堆焊層表面形貌

不同焊接電流時堆焊層的表面形貌如圖2所示，電流大小對堆焊層表面成形有一定影響。電流為160 A時，堆焊層中間焊絲填充不足，成形很差，這是由于此時電流較小，熱輸入不足，導(dǎo)致焊絲單位時間內(nèi)熔化量不足以完全填充焊縫；電流為180A時，堆焊層表面成形良好，魚鱗紋均勻致密；電流為200 A時，堆焊層表面成形一般，與電流為180 A時相比，魚鱗紋均勻度差而致密度高，表面色澤由明亮色變?yōu)楹诨疑?，出現(xiàn)了一定程度的氧化；電流為220 A時，堆焊層表面成形較差，魚鱗紋排列較為雜亂，表面色澤更為灰暗，表明氧化程度更嚴(yán)重，但與小電流時的堆焊層相比，堆焊層寬度明顯增大。當(dāng)焊接電流較大時，堆焊層表面的成形質(zhì)量有所下降，魚鱗紋排列相對紊亂，表面色澤呈黑灰色，氧化程度嚴(yán)重，但堆焊層的寬度有所增大，原因是電流較大時熱輸入量過大，一方面提高了焊絲單位時間內(nèi)的熔化量，使焊縫金屬過渡鋪展，增大了熔寬，另一方面使剛凝固的金屬高溫存在時間長，保護(hù)氣的保護(hù)效果減弱，造成堆焊層表面氧化程度較為嚴(yán)重；此外，焊接電流的增大提高了電弧的挺度，增強(qiáng)了電弧對熔池的攪拌作用，熔池內(nèi)的金屬流動性提高，使熔池產(chǎn)生劇烈波動，導(dǎo)致堆焊層表面紋理相對紊亂，成形較差。

圖2 不同焊接電流時堆焊層的表面形貌Fig.2 Surface appearance of surfacing layer with different welding currents

不同擺動頻率時堆焊層的表面形貌如圖3所示，擺動頻率大小也對堆焊層表面成形有一定影響。擺動頻率為6 Hz時，堆焊層表面魚鱗紋紋理較疏松，隨著擺動頻率增大，堆焊層表面魚鱗紋排列變得更緊密，堆焊層表面色澤由明亮色向黑灰色轉(zhuǎn)變，氧化程度加重，焊縫質(zhì)量受到影響。原因?yàn)楫?dāng)擺動頻率較小時，單個擺動周期的時間相對較長，在一定焊接速度下，前一擺動周期與后一擺動周期內(nèi)形成的熔池之間的重疊率較低；隨著擺動頻率增大，各擺動周期內(nèi)形成的熔池之間的重疊率逐漸增大，使堆焊層表面的魚鱗紋排列緊密度提高，同時，擺動頻率提高在單位時間內(nèi)增加了電弧對堆焊層的熱作用次數(shù)，造成堆焊層表面氧化程度加重。

圖3 不同擺動頻率時堆焊層的表面形貌Fig.3 Surface appearance of surfacing layer with different swing frequency

在膜式水冷壁表面堆焊兩層后的形貌如圖4所示，試樣表面成形良好，無氣孔、裂紋等明顯缺陷。圖5為堆焊層橫截面形貌，可以看出堆焊層與基體之間結(jié)合良好，堆焊層厚度約為2.5 mm，第一層厚度約為1.3 mm，第二層厚度約為1.2 mm。堆焊層的Fe元素含量在一定程度上決定了堆焊層的耐腐蝕性能，根據(jù)Nemecek S[9]、田春英[10]以及孫煥煥[10]等的研究結(jié)果，當(dāng)堆焊層的Fe元素含量低于5%時，堆焊層具有較好的耐腐蝕性能。因此，降低堆焊層中的Fe元素含量是Inconel625合金應(yīng)用膜式水冷壁表面堆焊的關(guān)鍵。

圖4 堆焊兩層的膜式水冷壁樣板Fig.4 Membrane water-wall sample with surfacing two layers

圖5 堆焊層的橫截面形貌Fig.5 Cross section appearance of surfacing layer

基于上述研究，并結(jié)合實(shí)際工況，本研究中堆焊第一層時，堆焊工藝為大電流配合較高的擺動頻率，采用大電流的目的在于增大堆焊層寬度，并確保堆焊層與基體結(jié)合良好；高擺動頻率是為了提高電弧對熔池的攪動作用，一方面促進(jìn)液態(tài)金屬鋪展，增大堆焊層寬的同時降低層厚度，另一方面促進(jìn)熔池散熱，加快液態(tài)金屬的凝固速率，減緩母材中的Fe元素向堆焊層中擴(kuò)散，降低堆焊層中Fe元素含量。堆焊第二層時，使用小電流配合低擺動頻率，以保證堆焊層表面魚鱗紋紋理細(xì)膩，同時降低氧化程度，獲得表面成形美觀的堆焊層。圖6為堆焊層元素含量，在堆焊層表面隨機(jī)選取5個點(diǎn)進(jìn)行測試，結(jié)果顯示堆焊層各測試位置的Fe元素含量均低于5%，表明確定的工藝參數(shù)可獲得滿足耐腐蝕要求的堆焊層。

圖6 堆焊層元素含量Fig.6 Elements content of surfacing layer

2.2 堆焊層顯微組織

兩層堆焊層的顯微組織如圖7所示，觀察其演變規(guī)律并分析其機(jī)理。從圖7a中可以明顯區(qū)分出母材、第一層堆焊層和第二層堆焊層，與第二層相比，第一層堆焊層金屬的柱狀晶的外延生長更加明顯，晶粒的尺寸和間距相對較大，這是由于兩層堆焊層的工藝參數(shù)不同。堆焊第一層時，焊接電流與焊槍擺動頻率都比堆焊第二層時大。焊接電流較大時，熱輸入較大，熔池內(nèi)液態(tài)金屬冷卻速度較慢，在高溫下停留時間較長，晶粒的尺寸相對較大；焊槍擺動頻率的增加增強(qiáng)了電弧對液態(tài)熔池的攪動作用，因此晶粒的生長方向也更紊亂。

圖7 堆焊層金屬顯微組織Fig.7 Microstructure of surfacing layer

堆焊層金屬的顯微組織演變沿垂直熔合線方向呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，但不同堆焊層的組織存在一定差異。兩層堆焊層底部和中部的顯微組織類似，底部主要為平面晶和呈柱狀的胞狀晶（圖7b、圖7e所示），中部為胞狀樹枝晶（圖7c、圖7f所示），且沿胞晶方向更靠近堆焊層內(nèi)部區(qū)域的柱狀胞晶晶粒長度開始減小，同時出現(xiàn)二次枝晶；兩層堆焊層頂部的顯微組織有些許差異（圖7d、圖7g所示），第一層堆焊層頂部組織主要為等軸晶，而第二層堆焊層頂部組織除了等軸晶外，還在靠近堆焊層表面區(qū)域出現(xiàn)平行于熔合線方向生長的橫向組織。

研究[12]表明，異種材料堆焊時，堆焊層熔敷金屬凝固結(jié)晶方式與焊接熔池凝固結(jié)晶基本原理相一致，根據(jù)成分過冷原理[13]，凝固微觀組織主要取決于溫度梯度G與生長速率R的綜合作用。平面晶所處位置為焊縫固液界面前沿，堆焊過程中熔池溫度較高，與母材接觸會從熔池向母材產(chǎn)生一個極大的溫度梯度，此時不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象，因此焊縫熔池金屬晶粒沿固液界面生長形成平面晶；從平面晶前沿開始，沿垂直于熔合線方向由于溫度梯度不斷降低，G/R變小，冷卻速率不斷增加，成分過冷增加，從而使晶粒結(jié)構(gòu)由平面晶依次向柱狀胞晶、胞狀樹枝晶以及等軸晶轉(zhuǎn)變。第二層堆焊層頂部出現(xiàn)沿熔合線橫向生長的組織，這是由于此區(qū)域?yàn)槿鄢仨敳?，其散熱方向已?jīng)由垂直于熔合線方向轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏谌酆暇€方向，從而使晶粒傾向于平行于熔合線方向生長。第一層堆焊層頂部也可能出現(xiàn)過類似的橫向組織，但由于第一層頂部受到第二層對其的重熔再熱作用，后層熔池與前層底端組織重新熔合結(jié)晶，使橫向組織消失，因此第一層頂部未觀察到橫向組織。

2.3 堆焊層顯微硬度

分別對堆焊層橫截面和表面的顯微硬度進(jìn)行測試，結(jié)果分別如圖8和圖9所示。由圖8可知堆焊層的硬度由基體沿垂直于熔合線方向呈上升趨勢，距基板0～1 500 μm內(nèi)硬度值漲幅較小，熔合線附近硬度值最低為244.1 HV，距基板1 500 μm處硬度值最高為262.4 HV；硬度值在距基板1 800 μm處陡增至273.9 HV。從熔合線開始到堆焊層頂部的晶粒尺寸是不斷降低的，因此硬度值總體呈現(xiàn)上升趨勢。距基板0～1 500 μm內(nèi)為堆焊層第一層，1 800 μm處為堆焊層第二層，由于第二層稀釋率較低，合金元素含量較高，同時，第二層的晶粒尺寸總體相對較小，因此第二層的硬度明顯大于第一層。由圖9可知堆焊層表面的硬度值整體較為穩(wěn)定，平均硬度為270.6 HV，表明確定的工藝參數(shù)可獲得性能穩(wěn)定的堆焊層。

圖8 堆焊層橫截面顯微硬度Fig.8 Cross section microhardness of surfacing layer

圖9 堆焊層表面顯微硬度Fig.9 Surface microhardness of surfacing layer

3 結(jié)論

（1）采用GMAW，通過高頻擺動焊，在膜式水冷壁表面堆焊Inconel625，焊接電流和焊槍擺動頻率對堆焊層表面成形影響較大。焊接電流增大，堆焊層表面紋理均勻度下降，氧化程度加重，但堆焊層寬度增大；焊槍擺動頻率主要影響堆焊層表面魚鱗紋排列緊密程度，擺動頻率增大，魚鱗紋排列更為緊密。

（2）確定了在膜式水冷壁表面堆焊Inconel625，采用單道多層堆焊工藝的主要參數(shù)，第一層焊接電流為220 A，擺動頻率為14 Hz；第二層焊接電流為180 A，擺動頻率為10 Hz。堆焊層金屬的顯微組織從底部至頂部的演變規(guī)律為：平面晶→柱狀胞晶→樹枝狀晶→等軸晶。堆焊層頂部由于散熱方向由垂直于熔合線方向變?yōu)槠叫杏谌酆暇€方向，出現(xiàn)部分平行于熔合線方向生長的橫向組織。

（3）堆焊層橫截面的顯微硬度由基體沿垂直于熔合線方向呈上升趨勢，原因?yàn)榫Я３叽缰饾u減小。堆焊層表面的顯微硬度最大，且表面各處的硬度值波動較小，平均硬度為270.6 HV。堆焊層各處的元素含量變化較小，其中Fe含量均在5%以下，說明堆焊層具有良好的耐腐蝕性能。以上結(jié)果表明確定的堆焊工藝參數(shù)可獲得性能穩(wěn)定的堆焊層。