焊接工藝對(duì)鎳基焊縫氣孔的影響

趙曉兵 魯艷紅

摘要：

針對(duì)鎳基合金鎢極氬弧焊焊縫中氣孔形成的影響因素，采用高速攝像機(jī)、光學(xué)顯微鏡獲得了氣孔在熔池及焊縫中的形態(tài)及分布特征照片，研究了油污、送絲速度、保護(hù)氣體和焊接電流等參數(shù)對(duì)熔池氣泡的影響。結(jié)果表明：采用鎢極氬弧焊對(duì)鎳基合金焊接時(shí)，熔池表面有少量的氣泡逸出，證明了焊縫金屬中氣孔源的存在;顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，有未及時(shí)逸出的氣泡殘留其中，但是利用UT，RT探傷手段無法檢測(cè)出該類缺陷的存在;送絲速度和焊絲油污對(duì)焊縫金屬中氣孔的形成有明顯的影響;適當(dāng)調(diào)整其他焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔影響均不顯著。

關(guān)鍵詞：

鎳基合金; TIG焊; 氣孔

中圖分類號(hào)： TG 445 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effect of Welding Process on Porosity in Nickel-based Welding Seam

ZHAO Xiaobing LU Yanhong2

（1.Shanghai Guanming Industrial Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China;

2.Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co.， Ltd.， Shanghai 201306， China）

Abstract：

To investigate the formation characteristics of pore in the tungsten inert gas（TIG） welding seam of Ni-based alloy，the morphology and distribution characteristic images of the pore in molten pool and welding seam are observed by high speed camera and optical microscope（OM）.The influence of parameters including oil pollution，wire feeding speed，protective gas and welding current on the pore in molten pool is investigated.The results show that a few bubbles escape from the molten pool during welding，which proves the existence of gas source in the welding seam.The pores are observed in microstructure of welding metal，but not detected by UT and RT.The feeding speed and oil pollution of the welding wire show distinct effect on the formation of the pores in welding seam.The pores are rarely changed by adjusting other welding parameters.

Keywords：

nickel-based alloy; TIG-welding; pore

鎳基合金因具有優(yōu)異的耐蝕性、耐熱性和低溫力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備的制造，主要包括核反應(yīng)堆壓力容器驅(qū)動(dòng)管座，接管安全端，堆芯支承塊焊接以及蒸汽發(fā)生器管板堆焊和管子管板的焊接[1-7]。低合金鋼與不銹鋼或鎳基合金之間的異種合金焊接被大量采用[8-10]。相對(duì)于不銹鋼材料，鎳基合金具有合金元素含量較高、熱膨脹系數(shù)較小的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用于不銹鋼與碳鋼焊接可降低熱膨脹系數(shù)、抑制碳擴(kuò)散以及消除馬氏體層的作用，此外在工藝上可取消不銹鋼過渡層的使用[11]。但是鎳基合金的固液相溫度間距小，流動(dòng)性較差，在焊接快速冷卻的凝固條件下，極易產(chǎn)生焊縫氣孔，形成點(diǎn)狀PT顯示。

關(guān)于鎳基合金焊接過程中的點(diǎn)狀顯示，已有大量研究。Lee等[12]認(rèn)為，點(diǎn)狀顯示的出現(xiàn)是由于焊縫金屬中氧化物殘留所致，其發(fā)現(xiàn)隨焊縫熔池Ti含量的增加，焊縫熔池的流動(dòng)性變差，焊接過程中形成的氧化物不容易浮出熔池而殘留在焊縫中。在低Ti焊縫金屬中，Ti的燒損量小，焊接過程中產(chǎn)生的氧化物少，氧化物易于浮出焊縫熔池。莫文林[13]認(rèn)為，點(diǎn)狀顯示的形成是由于焊縫中氧化物的形成，焊接過程中Al和Ti作為脫氧劑會(huì)被氧化，形成Al和Ti的氧化物。在鎳基合金中會(huì)有微量的Mg和Ca，Mg和Ca與O的結(jié)合能力非常強(qiáng)，在焊接過程中容易形成CaO和MgO[14]。并且Mg和Ca比Al和Ti更容易與O結(jié)合形成穩(wěn)定的氧化物[15]。在焊接熔池劇烈的擾動(dòng)過程中，CaO和MgO很容易和脫氧產(chǎn)物（Al和Ti的氧化物）結(jié)合形成復(fù)合氧化物。

為進(jìn)一步研究焊接工藝對(duì)鎳基合金焊縫氣孔的影響，本文以鎳基合金焊材鎢極氬弧焊為研究對(duì)象，通過調(diào)整焊接工藝，研究了氣孔在熔池以及焊縫金屬中的形態(tài)，進(jìn)一步深入了解鎳基合金焊縫中氣孔的形成機(jī)理。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 焊接工藝

鎢極氬弧焊可有效減少合金元素的氧化和燒損，因此，這種方法被廣泛用于鎳基合金的焊接。試驗(yàn)所用設(shè)備為NERTAMATIC 450自動(dòng)等離子焊接系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 焊接設(shè)備

Fig.1 Welding equipment

鎢棒直徑為4.0 mm。焊接材料為0.9 mm的ERNiCrFe-7A焊絲。電源為直流正接，保護(hù)氣體為70%氦氣+30%氬氣（體積分?jǐn)?shù)），分內(nèi)外保護(hù)。在核電中常用鎳基合金焊絲焊接低合金鋼與不銹鋼。本試驗(yàn)采用圖2所示的坡口形式，窄間隙氬弧焊焊接，一道多層工藝。

圖2 焊接坡口形式

Fig.2 Welding groove type

焊接工藝參數(shù)如表1所示。為了研究氣孔的形成機(jī)理，在焊接的部分焊縫中人為地在焊絲表面添加油污，以期達(dá)到引入氣孔源的目的。此外，為研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫中氣孔的影響，在不同焊道調(diào)整了送絲速度、焊接電流和保護(hù)氣體流量。

1.2 試驗(yàn)分析

為觀察焊接過程熔池中氣孔的形態(tài)，試驗(yàn)采用Photron FASTCAM SA-X2 1000K M4高速攝像機(jī)對(duì)氣孔進(jìn)行拍攝，該攝像系統(tǒng)在1 024×1 024像素下，最大拍攝速度可達(dá)到12 500 幀/s。將其安裝于焊縫旁邊，對(duì)焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察并記錄，如圖3所示。為進(jìn)一步觀察氣孔在焊縫金屬中的形態(tài)及分布，對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相分析。采用電火花線切割，切取不同位置的焊縫，用于金相分析。對(duì)金相試樣拋光處理后進(jìn)行電解腐蝕。其中電解腐蝕工藝為：10%（體積分?jǐn)?shù)）鉻酸，電壓4.5 V下通電2 min，并用4%（體積分?jǐn)?shù)）的稀硝酸洗去表面淺黃色腐蝕層。腐蝕后的試樣用酒精清洗，吹干待用。用Axiovert 40MAT光學(xué)顯微鏡（OM）對(duì)焊縫金屬的顯微形貌進(jìn)行觀察。

表1 焊接工藝參數(shù)

Tab.1 Welding process parameter

圖3 焊接過程中熔池動(dòng)態(tài)觀察

Fig.3 Dynamic observation of welding pool during welding

2 結(jié)果和討論

2.1 熔池表征結(jié)果

焊接過程中，采用高速攝像機(jī)對(duì)熔池的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了拍攝，結(jié)果如圖4所示。在圖4（a）中可以觀察到，在焊道表面有熔渣形成，這主要是由于焊材中含有Mg，Ca，Al，Ti等元素，其熔點(diǎn)較焊接金屬低，與進(jìn)入熔池中的O形成了氧化物。同時(shí)，該氧化物密度較小，故容易浮于焊道表面。由此可知，盡管焊接過程中采用了雙路氣體保護(hù)，但無法避免熔渣的形成。由圖4（b）可知，熔池表面存在少量的氣泡，其直徑約為300 μm。在熔池的波動(dòng)及表面張力作用下，氣泡均聚集于側(cè)壁熔合區(qū)域附近。

氣泡若想逸出，主要是克服了液態(tài)金屬的黏力，同時(shí)其逸出速度必須大于液態(tài)金屬的凝固速度，方可逸出。氣泡逸出速度與氣泡的半徑平方成正比，即：

Ve=29（ρ1-ρ2）gr2η

（1）

式中：Ve為氣泡的溢出速度;ρ1為液態(tài)金屬的密度;ρ2為氣體的密度;g為重力加速度;r為氣泡的半徑;η為液態(tài)金屬的黏度。

因此，氣泡的半徑越大，氣泡越容易逸出。氣孔實(shí)際上就是氣泡在液態(tài)金屬凝固時(shí)無法及時(shí)排出而殘留在金屬中造成的。形成氣泡的過程主要包括2個(gè)方面，即形核和穩(wěn)定成長(zhǎng)。小氣泡不斷地相互吞并形成大的氣泡，并逐漸上浮，最后逸出焊縫。而沒有發(fā)生吞并或僅少量合并的小氣泡，由于未達(dá)到逸出條件而殘存在焊縫中，最后形成了氣孔。通過高速攝像結(jié)果可以說明焊縫金屬中存在氣孔源，但還不能判斷焊縫中是否存在氣孔。

2.2 焊接工藝對(duì)氣孔形成的影響

對(duì)焊后試樣進(jìn)行UT，RT探傷檢測(cè)，結(jié)果表明，在焊縫中沒有缺陷。為分析不同的焊接工藝對(duì)焊縫氣孔的影響，分別對(duì)焊接接頭的不同位置取樣，如圖5所示。

圖4 焊接熔化區(qū)域高速攝像圖片

Fig.4 Figure of welding pool recorded by high speed camera

圖5 焊接接頭及金相取樣

Fig.5 Welding joint and metallographic samples

沿焊接方向，距離起弧端面30 mm，間距約50 mm，分別線切割出寬度35 mm，厚度10 mm的切片，依次編號(hào)T1～T6，如圖6所示。氣孔產(chǎn)生是由于存在氣體源以及工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，本文通過人為制造氣孔（在焊接的第7～11層，焊絲上涂了機(jī)油）以及調(diào)整焊接工藝參數(shù)的方法，研究鎳基合金焊縫中存在的氣孔。

圖6 焊接接頭宏觀形貌

Fig.6 Macro morphology of welding joint

2.2.1 油污對(duì)氣孔的影響

圖7所示為焊絲表面添加油污后的焊縫金屬微觀形貌。由圖7可知，在焊道不同位置，氣孔尺寸從幾微米至幾百微米不等，但氣孔的尺寸較小，這也是UT和RT很難探測(cè)到的原因。此外，在靠近焊接開始的區(qū)域，氣孔的尺寸非常小，直徑約5 μm，基本呈圓點(diǎn)狀，而且密度相對(duì)較大。在單層焊接中間段，氣孔的尺寸變大，直徑約50 μm，但氣孔密度明顯降低。而接近收弧區(qū)域，則發(fā)現(xiàn)了1個(gè)蠕蟲狀氣孔，直徑已達(dá)到300 μm，見圖7（c）。

圖7 有油污焊絲TIG焊的焊縫微觀形貌

Fig.7 Microstructure of welding metal fabricated by TIG welding with oil pollution wire

2.2.2 送絲速度對(duì)氣孔的影響

為研究送絲速度對(duì)焊縫氣孔的影響，分別將送絲速度增大、減小。將送絲速度增加1倍后，焊縫的截面微觀組織如圖8（a）所示，部分截面上發(fā)現(xiàn)了缺陷，如圖8（a）中白色區(qū)域所示。將送絲速度降至原來的1/2后，焊縫的截面微觀組織如圖8（b）所示。截面上幾乎沒有點(diǎn)缺陷的存在。根據(jù)結(jié)果可知，ERNiCrFe-7A鎳基焊材采用鎢極氬弧焊時(shí)，降低送絲速度可有效減少焊縫金屬中氣孔的產(chǎn)生。

圖8 焊縫微觀形貌

Fig.8 Microstructure of welding metal

2.2.3 保護(hù)氣體對(duì)氣孔的影響

為研究保護(hù)氣對(duì)焊縫氣孔的影響，分別將內(nèi)保護(hù)氣的流量由50 L/min降低至25，15 L/min。減少保護(hù)氣體后，焊縫的截面微觀組織如圖9所示。由圖9可知，有氣孔形成于焊縫的奧氏體組織中，但氣體流量降低后氣孔的尺寸和密度均沒有變化。但考慮到鎢極氬弧焊的焊接特點(diǎn)，若繼續(xù)降低保護(hù)氣流量，則會(huì)導(dǎo)致空氣卷入至焊縫中，最終將對(duì)鎢極燒損和焊接質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2.4 焊接電流對(duì)氣孔的影響

增大焊接電流可增加熔池中的熱輸入，提高熔池的流動(dòng)性，從而促進(jìn)氣孔從焊縫金屬中溢出。人為增大焊接電流后，由焊縫的截面微觀組織可知（圖10），焊縫中仍有氣孔存在，但其尺寸與數(shù)量與未增加電流時(shí)沒有明顯變化。

圖9 減少保護(hù)氣體后的焊縫微觀形貌

Fig.9 Microstructure of welding metal with the reduced shield gas

圖10 增大焊接電流后的焊縫微觀形貌

Fig.10 Microstructure of welding metal with the increased welding current

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在進(jìn)行鎳基TIG填絲焊時(shí)，焊縫中不可避免地存在氣孔，但氣孔的密度較低，均為單個(gè)氣孔。高速攝像結(jié)果表明，大部分氣體都會(huì)以氣泡的形式逸出液態(tài)金屬表面。鎳基合金由于其液相線與固相線溫差較小，熔池中液態(tài)金屬的溫度可快速降低到固相線，從而導(dǎo)致焊縫金屬的流動(dòng)性較差。影響焊縫中氣孔形成的因素是O，Ni及其他合金元素的含量，高溫液態(tài)金屬中可能會(huì)溶解更多的O，而O在高溫時(shí)與Ni易氧化形成NiO，NiO能與液體金屬中的H、C發(fā)生反應(yīng)形成H2O和CO。由于鎳基合金的流動(dòng)性較差，導(dǎo)致H2O和CO氣體在熔池凝固時(shí)來不及逸出，殘留在焊縫中形成氣孔。因此，改變焊接電流、送絲速度和保護(hù)氣流量等雖然可在一定程度上改變焊接熱輸入，但由于鎳基合金固液相線間距小的固有特性，導(dǎo)致通過以上工藝調(diào)整均不能完全去除焊接氣孔。油污直接影響焊縫中氣孔的數(shù)量，尤其是氣孔的尺寸明顯增大，這主要是由于油污在焊接過程中會(huì)發(fā)生分解，形成氣體，從而增加了焊接熔池中的氣孔源。

3 結(jié) 論

（1） 焊接過程中，采用高速攝像機(jī)觀察熔池行為，發(fā)現(xiàn)表面存在少量的氣泡逸出。

（2） 金相結(jié)果表明，焊接接頭中存在氣孔，其密度低、尺寸小。

（3） 在小范圍內(nèi)調(diào)整焊接電流、改變保護(hù)氣體流量，均不會(huì)對(duì)焊縫中的氣孔有明顯影響。但送絲速度和焊絲表面的油污會(huì)顯著增加焊縫金屬中氣孔。

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