發(fā)布時(shí)間：所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：鎳基合金因其熱導(dǎo)率小，焊接過(guò)程中接頭在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致焊縫晶粒具有粗大傾向。為合理調(diào)控焊縫晶粒，本文利用脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Pulse tungsten inert gas, PTIG)參數(shù)可調(diào)程度高、熱輸入相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，采用優(yōu)化之后的焊接參數(shù)對(duì)鎳基合金 Inocnel690
摘要：鎳基合金因其熱導(dǎo)率小，焊接過(guò)程中接頭在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致焊縫晶粒具有粗大傾向。為合理調(diào)控焊縫晶粒，本文利用脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Pulse tungsten inert gas, PTIG)參數(shù)可調(diào)程度高、熱輸入相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，采用優(yōu)化之后的焊接參數(shù)對(duì)鎳基合金 Inocnel690 平板進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。焊后采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)焊縫的微觀組織和析出相進(jìn)行表征分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的 PTIG 工藝參數(shù)對(duì)焊縫形貌和晶粒大小調(diào)控效果顯著，且在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，焊縫晶粒隨著脈沖峰值電流、占空比和脈沖頻率的增加有明顯細(xì)化效果;而增大基值電流則不利于焊縫組織的細(xì)化。通過(guò)掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)和能譜儀(Energy dispersive spectroscopy, EDS)分析，奧氏體晶界上的析出相為 M23C6(Cr23C6)型碳化物，呈現(xiàn)連續(xù)分布;奧氏體晶內(nèi)的析出相為典型顆粒狀 MC(NbC，TiC)型碳化物，彌散分布在枝晶間隙中，且在占空比較大的時(shí)候， MC 型碳化物有長(zhǎng)大成片狀的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：脈沖 TIG 焊;Inconel 690;FM-52M;晶粒細(xì)化;晶界碳化物
0 前言
鎳基合金因其優(yōu)異的耐腐蝕和耐熱性能，使得其在化工生產(chǎn)，海洋勘探以及核工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 [1] 。 Inconel690 是由美國(guó) Inco Alloys International 公司在 Inconel600 的基礎(chǔ)上，增加了 Cr 含量并降低了 Ni 和 C 的含量后開(kāi)發(fā)出來(lái)的，使得 Inconel690 的抗應(yīng)力腐蝕能力得到了很大提升，繼而被廣泛應(yīng)用在核電設(shè)備中[2]。但是 Inconel690 及其填充金屬 FM-52M 的焊接性相對(duì)較差，熱導(dǎo)率較小高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致焊縫晶粒過(guò)熱形成粗大的柱狀晶組織，易于在再熱焊縫處產(chǎn)生熱裂紋[3]。
為了細(xì)化焊縫組織，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了一系列研究，其中 YU 等[4]利用磁弧振蕩技術(shù)，細(xì)化了鎳基合金的焊縫晶粒組織，進(jìn)而減小了熱裂紋傾向;王濤[5]利用脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Pulse tungsten inert gas, PTIG)的焊接方法，對(duì) Inconel601H 進(jìn)行了對(duì)接焊試驗(yàn)，通過(guò)不同焊接工藝參數(shù)匹配優(yōu)化得到了細(xì)化的焊縫晶粒組織;JENG 等[6]在焊材中添加了 Mn 元素來(lái)細(xì)化焊縫晶粒，同時(shí)發(fā)現(xiàn)還可以降低熱裂紋敏感性;上海交通大學(xué) HUA 等[7]采用超聲輔助焊接手段，利用超聲波的空化作用破碎焊縫枝晶，焊縫晶粒細(xì)化效果顯著，提高了失塑開(kāi)裂 (Ductility-dip cracking, DDC)的抗力。ODABAŞI 等[8] 使用激光焊接方法對(duì) Inconel718 進(jìn)行了對(duì)接焊，同時(shí)研究了在不同的熱輸入量下對(duì)焊縫微觀組織的影響規(guī)律。研究后發(fā)現(xiàn)，較大的熱輸入會(huì)增大焊縫晶粒的長(zhǎng)大傾向，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫晶粒細(xì)化還可以顯著改善熱裂紋敏感性。RAM 等[9]分別使用恒流 TIG 和 PTIG 兩種焊接方法對(duì) Inconel718 進(jìn)行焊接，對(duì)比研究了脈沖電流作用下的 Inconel718 焊接接頭的微觀組織，發(fā)現(xiàn)采用脈沖電流可以有效細(xì)化焊縫組織。張建武[10]采用 A-TIG 焊接方法焊接 Inconel601 鎳基合金，針對(duì)其活性劑展開(kāi)了一系列研究。Inconel601 因?yàn)榱鲃?dòng)性不好焊透性差等因素，提出了 A-TIG 的方法來(lái)進(jìn)行焊接。他們采用正交試驗(yàn)法研究了活性劑對(duì)熔深的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)活性劑的加入可以有效增加熔深，還可以細(xì)化焊縫晶粒、提高焊縫力學(xué)性能。此外，該文還發(fā)現(xiàn)加入活性劑后電弧電壓升高，伴隨有電弧偏移現(xiàn)象。KUO[11]采用脈沖激光焊接方法對(duì) Inconel690 合金進(jìn)行了連接，發(fā)現(xiàn)選擇恰當(dāng)?shù)姆逯倒β士梢栽谔岣吆缚p力學(xué)性能的同時(shí)改善焊縫表面粗糙度，使成形更好看。栗卓新等[12]研究了鎳基合金母材中微量元素對(duì)晶界非平衡偏析行為的影響，同時(shí)使用熱處理的方法獲得了預(yù)期的組織，降低了鎳基合金的液化裂紋敏感性。洪永昌等[13]學(xué)者使用激光重熔鎳基合金的辦法得到了細(xì)化的組織，并且在 600 ℃左右時(shí)效，而共晶組織發(fā)生球化使重熔噴焊層保持較高的硬度。任海水等[14]對(duì)采用釬焊方法進(jìn)行鎳基合金和鈦合金的異種連接工藝進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)提升鈦鋁系合金與鎳基合金的連接可靠性主要問(wèn)題是缺乏對(duì)高溫釬料的研制。總的來(lái)說(shuō)，針對(duì)高溫鎳基合金 Inconel690 及其填充金屬采用脈沖 TIG 焊接方法進(jìn)行焊縫晶粒細(xì)化進(jìn)而提升鎳基合金焊接接頭的熱裂紋敏感性的研究還相對(duì)較少。
PTIG 焊接方法是在不施加輔助設(shè)備的情況下，利用脈沖電流峰值熔化焊材，基值維持電弧穩(wěn)定燃燒并凝固焊縫熔敷金屬，從而使得電弧發(fā)生電磁振蕩，電弧壓力不斷變化，焊縫熔融金屬在變化的壓力下凝固結(jié)晶，破碎粗大晶粒，改善焊縫組織[15-16]。此外，采用脈沖電流，有效減小了熱輸入，使得焊縫晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力減小，進(jìn)而焊縫晶粒得到了細(xì)化[17-18]。
本文針對(duì)核電設(shè)備用鎳基合金 Inconel690 材料，采用脈沖 TIG 焊接方法進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)，并采用不同脈沖工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化。焊后使用光學(xué)顯微鏡(Optical microscope, OM)和掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)進(jìn)行焊縫微區(qū)觀察，對(duì)比分析了不同脈沖 TIG 焊接工藝參數(shù)下接頭的微觀組織，這將對(duì)提高鎳基合金焊接接頭的性能和抗熱裂紋能力有一定指導(dǎo)意義。
1 試驗(yàn)方法及材料
試驗(yàn)材料選擇 4 mm 厚的 Inconel 690 板材，焊絲選擇 0.9 mm 的 FM-52M，其兩者的化學(xué)成分如表 1 所示。采用 Fronius TIG 焊機(jī)配合 Yaskawa 工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行脈沖 TIG 三道次焊接，堆焊過(guò)程如圖 1 所示。采用直流方波脈沖進(jìn)行 TIG 焊接，脈沖波形參數(shù)如圖 2 中所示。采用純氬(99.99%) 保護(hù)，氣流量為 10 L/min，焊接速度 3 cm/min，具體工藝參數(shù)如表 2 所示。焊接試驗(yàn)前，對(duì)試板表面進(jìn)行仔細(xì)打磨，并使用丙酮清潔表面油污。由于鎳基合金對(duì)熱裂紋比較敏感，為了保證焊接質(zhì)量，焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制相鄰道次間的溫度在 80 ℃以下，并在焊完一道后對(duì)焊縫仔細(xì)打磨清理。焊接試驗(yàn)后使用線切割截取金相試樣，使用 10%鉻酸溶液外加 5.5 V 電壓在常溫下腐蝕 30 s 左右，隨后進(jìn)行組織觀察。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
按照表 2 中的焊接工藝對(duì) Inconel690 板材進(jìn)行脈沖 TIG 堆焊工藝試驗(yàn)，焊后選取成形良好的試板制備金相試樣，隨后進(jìn)行拋光和腐蝕，采用倒置蔡司金相顯微鏡進(jìn)行金相觀察，并對(duì)靠近熔合線附近的組織進(jìn)行拍照取樣。使用掃描電鏡(Scanning electron microscope, SEM)進(jìn)行奧氏體晶界和晶內(nèi)的析出相進(jìn)行觀察，同時(shí)使用能譜分析 (Energy dispersive spectroscopy, EDS)對(duì)析出物的成分進(jìn)行了分析。
2.1 脈沖頻率對(duì)組織和析出相的影響
采用表 2 中的第 5 組、6 組和 7 組參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)近熔合線附近的組織進(jìn)行拍照取樣，得到不同脈沖頻率下的組織如圖 3 所示。當(dāng)脈沖頻率為 0 Hz 時(shí)，即恒流 TIG 焊接方法，晶粒形態(tài)長(zhǎng)而窄，長(zhǎng)寬比大，視場(chǎng)中的晶粒數(shù)目明顯少;當(dāng)頻率增大到 4 Hz 時(shí)，晶粒長(zhǎng)寬比稍有改善，晶粒細(xì)化，視場(chǎng)內(nèi)晶粒數(shù)目稍有增多;當(dāng)頻率增大到 12 Hz 時(shí)，粗大樹(shù)枝晶粒破碎，形成細(xì)小的晶粒，視場(chǎng)內(nèi)晶粒數(shù)目明顯增多。這就意味著隨著脈沖頻率的增加，焊縫晶粒細(xì)化效果明顯。這是因?yàn)椋S著脈沖頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)電弧對(duì)熔池在軸向上的峰值等離子流力作用次數(shù)增多。等離子流力的作用主要表現(xiàn)為加強(qiáng)熔池金屬流動(dòng)的同時(shí)增加對(duì)熔池的附加壓力，從而使電弧在徑向上更加收縮，加強(qiáng)了熔池的電磁攪拌作用，使已結(jié)晶的晶粒破碎，形成新的形核質(zhì)點(diǎn)，如此則非均勻形核形核質(zhì)點(diǎn)增多，造成晶粒細(xì)化[19-20]。
圖 4 給出了不同脈沖頻率下的晶界和晶內(nèi)的析出物對(duì)比情況。可以看出，奧氏體晶界上連續(xù)分布著析出物，經(jīng)過(guò) EDS 分析，如圖 5 中所示，主要為富 Cr 的 Cr23C6;而枝晶間隙中呈現(xiàn)顆粒狀分布的析出物主要為 MC(NbC，TiC)型碳化物，這與 WEI 等[21] 的研究結(jié)論一致。同時(shí)，隨著脈沖頻率的增加，樹(shù)枝晶分布更加均勻致密，枝晶間隙明顯減小，側(cè)面驗(yàn)證了圖 3 中適當(dāng)提高脈沖頻率可以細(xì)化焊縫晶粒的結(jié)論。
由以上分析可以看出，采用脈沖 TIG 焊接方法對(duì) Inconel690 焊接過(guò)程中，適當(dāng)增大 PTIG 的峰值電流有利于焊縫晶粒細(xì)化。
2.2 峰值電流對(duì)組織和析出相的影響
采用表 2 中的第 1 組和第 2 組參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)近熔合線附近的組織進(jìn)行拍照取樣，得到不同峰值電流下的焊縫金相組織如圖 6 所示。當(dāng)峰值電流為 50 A 時(shí)，焊縫晶粒普遍較大，晶粒數(shù)目較少;當(dāng)峰值電流增大到 100 A 時(shí)，焊縫中的大部分晶粒明顯細(xì)化了，細(xì)小的晶粒增多，同時(shí)晶粒數(shù)量也增多了。這是因?yàn)榉逯惦娏鞯脑龃笾苯訉?dǎo)致焊接熔池產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌，加強(qiáng)了熔池內(nèi)熔融金屬的對(duì)流。而熔融金屬的對(duì)流可以破碎枝晶晶粒，增加形核質(zhì)點(diǎn) (流動(dòng)過(guò)程中 TiN 等高熔點(diǎn)化合物的帶入)，還能加快熔池中熔融金屬的散熱，均勻化熔池溫度，進(jìn)而抑制枝晶生長(zhǎng)，細(xì)化焊縫晶粒[5, 22]。
相關(guān)知識(shí)推薦：焊接材料相關(guān)研究論文發(fā)表期刊
如圖 7 所示，是不同峰值電流下的析出物形貌對(duì)比。明顯可以看出峰值電流為 100 A 時(shí)候的枝晶間距更加小，說(shuō)明峰值電流 100 A 時(shí)候的晶粒比 50 A 要細(xì)小。峰值電流較小的時(shí)候，熱輸入較低，奧氏體晶界上的析出物不能完全析出，導(dǎo)致峰值電流為 50 A 時(shí)候的晶界上的析出物呈現(xiàn)斷續(xù)分布。根據(jù)圖 8 可以看出，不同的焊接參數(shù)下的析出相的化學(xué)成分差別不是很大，而枝晶間的析出物也沒(méi)有較大的區(qū)別，都呈現(xiàn)顆粒狀彌散分布在枝晶間隙中。
2.3 占空比對(duì)組織和析出相的影響
采用表 2 中的第 8 組和第 9 組試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)近熔合線附近的組織進(jìn)行拍照取樣，得到不同占空比下的焊縫金相組織如圖 9 所示。當(dāng)占空比為 20%的時(shí)候，晶粒呈現(xiàn)狹長(zhǎng)的形態(tài);當(dāng)占空比為 60%的時(shí)候，原來(lái)狹長(zhǎng)的晶粒在長(zhǎng)度方向上被 “破碎”，形成了短而寬的細(xì)小晶粒。這是因?yàn)檎伎毡鹊奶岣撸沟梅逯惦娏鞯淖饔脮r(shí)間變長(zhǎng)，等效于增加了對(duì)焊接熔池的攪拌作用。增強(qiáng)了熔池對(duì)流，破碎枝晶晶粒，加快熔池中熔融金屬的散熱，均勻化熔池溫度，抑制枝晶生長(zhǎng)，進(jìn)而使焊縫晶粒得到了細(xì)化。
圖 10 給出了不同占空比下奧氏體晶界上和晶內(nèi)的析出物對(duì)比。可以看出，在 60%的占空比下，枝晶內(nèi)部的析出物長(zhǎng)大并出現(xiàn)了片狀。增大占空比，即相應(yīng)地增加了峰值電流的作用時(shí)間，使得對(duì)焊縫的熱輸入增大，析出物具有足夠的動(dòng)力析出進(jìn)而長(zhǎng)大連成片狀。相反，占空比的增大對(duì)于奧氏體晶界 上的析出物表現(xiàn)不是很明顯，占空比在 60%和 20% 時(shí)都呈現(xiàn)連續(xù)分布在晶界上。根據(jù)圖 11 看出，枝晶間隙中的析出物，主要還為 M23C6 類型，以及少量的 TiC 和 NbC。
2.4 基值電流對(duì)組織和析出相的影響
采用表 2 中的第 3 組和第 4 組試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)近熔合線附近的組織進(jìn)行拍照取樣，得到不同基值電流下的焊縫金相組織如圖 12 所示。不同基值電流下的晶粒大小差別很大。基值電流為 50 A 時(shí)，晶粒呈現(xiàn)長(zhǎng)而窄的形態(tài)，長(zhǎng)寬比較大，視場(chǎng)中晶粒數(shù)目少;而基值電流降低到 20 A 的時(shí)候，晶粒的長(zhǎng)寬比變小，晶粒大幅度細(xì)化，視場(chǎng)中的晶粒數(shù)目顯著增多。這是因?yàn)椋惦娏鞯脑黾樱瑢?dǎo)致平均電流顯著增大，進(jìn)而使得對(duì)焊件的熱輸入增大，熔池中的熔融金屬的冷卻速度變小，造成過(guò)冷度減小。根據(jù)金屬結(jié)晶凝固理論，在液態(tài)金屬的過(guò)冷范圍內(nèi)，過(guò)冷度減小，晶核的長(zhǎng)大速度和形核率都會(huì)顯著降低，造成形核率的增長(zhǎng)率小于晶核長(zhǎng)大速度的增長(zhǎng)率，進(jìn)而使得單位面積中晶核數(shù)目減少，因而晶粒越粗大。
圖 13 給出了不同基值電流下的晶界和晶內(nèi)的析出相對(duì)比，結(jié)合圖 14 的 EDS 分析結(jié)果，可以看出基值電流較大時(shí)候，枝晶間隙較大，晶內(nèi)的析出物在尺寸上較大;當(dāng)基值電流降低到 20 A，枝晶間隙明顯減小且分布得更加均勻，晶內(nèi)析出物尺寸相比 50 A 的也變小了。這側(cè)面證實(shí)了較小的基值電流對(duì)焊縫組織是有利的。
以上分析說(shuō)明，采用 PTIG 焊接方法進(jìn)行 Inconel690 焊接的時(shí)候，適當(dāng)降低峰值電流不僅可以顯著細(xì)化焊縫晶粒，還可以減小析出相的尺寸。
3 結(jié)論
(1) 使用脈沖 TIG 焊接方法對(duì)高溫鎳基合金 Inconel690 進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，并對(duì)焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)峰值電流處于 60 A 至 100 A 的區(qū)間內(nèi)， Inconel690 焊縫的晶粒相對(duì)較小。
(2) 通過(guò)不同工藝參數(shù)下金相組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在 Inconel690 的脈沖 TIG 焊接過(guò)程中通過(guò)適當(dāng)增大峰值電流、脈沖頻率、占空比，可以有效細(xì)化焊縫晶粒組織;而增大基值電流則對(duì)焊縫組織細(xì)化是不利的。
(3) 不同脈沖 TIG 工藝參數(shù)下，奧氏體晶界和晶內(nèi)的析出物的形態(tài)和分布方式具有明顯差異。當(dāng)適當(dāng)增大占空比的時(shí)候，奧氏體晶內(nèi)的析出物出現(xiàn)長(zhǎng)大成片狀的現(xiàn)象。這提示研究人員可以通過(guò)不同脈沖工藝參數(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行較為精確的熱輸入控制，進(jìn)而對(duì)焊縫顯微組織的改善和析出相形貌和分布方式的控制具有指導(dǎo)意義。——論文作者：張曉鴻 馬朋召 張 康 陳靜青 陳 輝
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 郗峰波. 鎳基合金的可焊性及工藝性[J]. 現(xiàn)代焊接， 2015(2)：51-54. XI Fengbo. Weldability and process of nickel base alloy [J]. Modern Welding Technology，2015(2)：51-54.
[2] 崔巍. 鎳基合金焊接接頭高溫失塑裂紋研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2013. CUI Wei. Investigation in ductility dip cracking of the Ni-based alloy welding joint[D]. Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2013.
[3] 陳靜青，陸?zhàn)愝x，等. 晶粒尺度對(duì)鎳基高溫合金的高溫失塑裂紋敏感性的影響[J]. 電焊機(jī)，2015，45(6)： 21-25. CHEN Jingqing，LU Hao，CHEN Hui，et al. Influence of grain size on susceptibility of ductility-dip crack on Ni-based high-temperature alloy[J]. Electric Welding Machine，2015，45(6)：21-25.
[4] YU X，LIM Y C，SMITH R，et al. Reducing hot cracking tendency of dissimilar weld overlay by magnetic arc oscillation[J]. Materials Science and Technology，2014， 30(8)：930-937.
[5] 王濤. Inconel601H 鎳基合金 P-TIG 焊接工藝參數(shù)與焊縫晶粒度的相關(guān)性研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014. WANG Tao. Relevance between the weld grain size and welding process parameters of P-TIG of inconel601h nickel-based alloy[D]. Tianjin ： Hebei University of Technology，2014.
[6] JENG S L，LEE H T，KUO T Y，et al. The effects of Mn and Nb on the microstructure and mechanical properties of alloy 152 welds[J]. Materials & Design，2015，87： 920-931.
[7] HUA C，LU H，YUA C，et al. Reduction of ductility-dip cracking susceptibility by ultrasonic-assisted GTAW[J]. Journal of Materials Processing Technology，2016，239： 240-250.
[8] ODABAŞI A，ÜNLÜ N，GÖLLER G，et al. A study on laser beam welding (lbw) technique：Effect of heat input on the microstructural evolution of superalloy inconel718[J]. Metallurgical & Materials Transactions A， 2010，41(9)：2357-2365.
[9] RAM G D J，REDDY A V，RAO K P，et al. Control of Laves phase in Inconel 718 GTA welds with current pulsing[J]. Science & Technology of Welding & Joining， 2013，9(5)：390-398.
[10] 張建武. 基于 TIG 焊 Inconel601 的活性劑研制[D]. 天津：天津大學(xué)，2012.