穿孔型等離子弧自熔焊工藝對(duì)N6鎳合金焊縫成形及性能的影響

柴廷璽， 徐宏彤， 王希靖， 張亮亮， 晏麗琴

(1.蘭州城市學(xué)院，蘭州 730070；2.省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

0 前言

N6中Ni含量大于99.5%，具有較高強(qiáng)度、良好的延展性、機(jī)械加工性能及特殊的電、磁和熱膨脹性能[1-2]，在大氣、中性、堿性和微酸性溶液中耐蝕性較好[3]，因此，N6在石油化工、海洋、航空航天及核電站領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4]。尤其是鎳基合金在航空航天領(lǐng)域已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料[5]。N6基體為單相奧氏體，焊接熱循環(huán)過(guò)程中不發(fā)生相變，其物理、化學(xué)性能與奧氏體不銹鋼、低碳鋼差異較大，焊接過(guò)程中出現(xiàn)如下問(wèn)題[6-8]：熔池液態(tài)金屬易溶解O，N，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔；N6易與P，S結(jié)合形成低熔點(diǎn)共晶體，在焊接拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；同時(shí)鎳合金由于自身特性，導(dǎo)致熔池金屬不易潤(rùn)濕展開(kāi)，造成焊縫成形差，熔深較淺，并且還不能像其他材料一樣，通過(guò)增大焊接電流來(lái)增加熔池金屬流動(dòng)性，反而會(huì)增加焊縫裂紋敏感性[9]，同時(shí)鎳合金過(guò)熱傾向大，焊縫晶粒易粗化。焊接熱循環(huán)是一個(gè)快速加熱、冷卻的過(guò)程，導(dǎo)致焊縫成分與組織不均，也成為焊接接頭薄弱區(qū)域。

針對(duì)鎳合金的焊接，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。楊國(guó)輝[10]對(duì)純鎳進(jìn)行焊接試驗(yàn)，指出焊縫區(qū)容易出現(xiàn)氣孔、裂紋，熔合線附近有方向性很強(qiáng)的晶粒長(zhǎng)大傾向；陳靜青等人[11]指出Inconel 690焊接性差，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。崔巍等人[12]指出，采用TIG焊接Incoloy 825鎳合金Ω環(huán)時(shí)，焊接電流過(guò)小，電弧不穩(wěn)定，熔深淺，電流過(guò)大，易產(chǎn)生咬邊、燒穿；焊速過(guò)快產(chǎn)生咬邊，導(dǎo)致焊縫熔合不良。劉豐剛[13]研究了激光焊工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金GH3039焊縫成形的影響規(guī)律，指出焊縫熔寬隨工作電流增大呈遞增趨勢(shì)，焊接速度增大，熔寬減小。雷玉成等人[14]指出激光功率一定，提高焊接速度，熱輸入下降，熔深減小。降低焊接速度可導(dǎo)致焊縫熔深增大，焊接速度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致焊穿。張曉鴻等人[15]指出脈沖TIG焊基值電流增加，熱輸入增加，熔池融金屬冷卻速度變小，過(guò)冷度減小，晶核長(zhǎng)大速度和形核率降低，造成形核率的增長(zhǎng)率小于晶核長(zhǎng)大速度的增長(zhǎng)率，從而導(dǎo)致Inocnel 690焊縫晶粒粗大。Odaba等人[16]采用激光焊接Inconel 718平板，指出隨焊接熱輸入增大，焊縫區(qū)晶粒表現(xiàn)長(zhǎng)大傾向，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫晶粒細(xì)化可降低熱裂紋敏感性。王濤等人[17]研究了脈沖TIG焊工藝對(duì)Inconel 601H晶粒尺寸的影響規(guī)律，指出基值電流從20 A增加到40 A，工件熱輸入增加，焊縫晶粒平均直徑從71～74 μm增加到80～83 μm。宋建嶺等人[18]研究了TIG熔釬焊工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金/不銹鋼焊縫成形的影響，指出減小焊接電流值、增大焊接速度可有效控制焊接熱輸入，減少母材熔化量，焊縫成形得以保證。

由于鎳合金N6自身特性影響，采用TIG，MIG等方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，若采用多層多道會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，因此選擇合理的焊接方法及工藝，才能得到組織、性能良好的焊接接頭。該研究綜合考慮了N6焊接性，采用等離子弧自熔焊方法對(duì)鎳合金N6板施焊，焊后研究主要工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形及力學(xué)性能的影響，為提高鎳合金N6焊接接頭質(zhì)量及促進(jìn)生產(chǎn)應(yīng)用提供試驗(yàn)參考及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用尺寸為100 mm× 50 mm×6.0 mm的熱軋鎳合金N6試板，其化學(xué)成分、物理性能和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。

表1 鎳合金N6化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 鎳合金N6的物理與力學(xué)性能

試驗(yàn)采用等離子弧焊設(shè)備對(duì)厚度6.0 mm鎳合金N6板材進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，等離子氣體、保護(hù)氣體均采用99.99%高純氬氣。試驗(yàn)前依次采用200～2 000號(hào)不同型號(hào)砂紙打磨試板待焊區(qū)以去除氧化膜，然后用無(wú)水乙醇清洗打磨區(qū)去除油污。焊接過(guò)程要求單面焊雙面成形，采用對(duì)接接頭，開(kāi)I形破口，中心預(yù)留1.0 mm間隙。采用3水平3因素正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，選出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，改變主要參數(shù)(焊接電流、焊接速度、離子氣流量)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。焊后使用線切割機(jī)，將不同參數(shù)所得接頭切割制備金相試樣，經(jīng)不同號(hào)砂紙打磨、拋光、清洗，然后用蒸餾水:硝酸:冰醋酸比例為1∶5∶5的混合腐蝕液浸蝕，使用金相顯微鏡觀察微觀組織，測(cè)量焊縫熔寬、熔深；用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同參數(shù)所得接頭的抗拉強(qiáng)度；使用掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口。通過(guò)以上試驗(yàn)分析，研究工藝參數(shù)對(duì)N6等離子弧自熔焊焊縫成形及力學(xué)性能的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用SPSS軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)采用3水平3因素正交表，見(jiàn)表3，選取焊接電流、焊接速度、離子氣流量作為因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平。

表3 3水平3因素表

表4為試驗(yàn)方案及接頭抗拉強(qiáng)度，可看出，當(dāng)焊接工藝參數(shù)為I=175 A，v=190 mm/min，Q=1.5 L/min時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度281 MPa，達(dá)到母材的80%。方差分析表明，影響焊接接頭抗拉強(qiáng)度因素主次排序：因素A、因素C、因素B。每個(gè)因素的最佳水平：因素A取175 A，因素B取190 mm/min，因素C取1.5 L/min。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為：焊接電流175 A，焊接速度190 mm/min，離子氣流量1.5 L/min；采用此參數(shù)試焊，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)302 MPa，接頭系數(shù)達(dá)到87.3%，接頭力學(xué)性能明顯提升，表明正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的等離子弧自熔焊工藝參數(shù)是可靠且有效的。圖1為最優(yōu)焊接工藝參數(shù)所得的焊縫宏觀形貌，焊縫成形美觀，無(wú)咬邊、裂紋、氣孔等缺陷。

表4 試驗(yàn)方案及抗拉強(qiáng)度

圖1 焊縫宏觀形貌

2.2 焊接電流對(duì)焊縫成形影響

以最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，僅改變焊接電流值，分析焊接電流對(duì)焊縫成形的影響，結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2焊縫氣孔數(shù)量少，成形較好，圖2a焊縫成形較好，圖2b存在咬邊，表面輕微凹陷，圖2c焊縫表面嚴(yán)重下凹，背面余高增大。焊接電流從170 A增加到190 A，焊縫正面余高逐漸降低而背面余高增大，焊縫截面從“碗狀”逐漸變?yōu)椤熬票瓲睢?。增大焊接電流，熔寬?.78 mm增至8.04 mm，熔深從5.1 mm增至5.22 mm，焊縫熔寬、熔深隨焊接電流的增大而增大。當(dāng)焊接電流小于某一數(shù)值，電弧不穩(wěn)定無(wú)法形成小孔，焊縫出現(xiàn)未焊透。當(dāng)電流增加到190 A，熔池金屬由于小孔直徑過(guò)大發(fā)生過(guò)熔透，這是由于等離子弧焊過(guò)程中，熔池液體金屬在表面張力、溫差導(dǎo)致的表面張力差、熔池重力、等離子流力、熔池金屬密度差所產(chǎn)生的流動(dòng)力等多種力共同作用下保持平衡，因此，作用在熔池液態(tài)金屬上的各種力共同決定了熔池形狀及凝固后的焊縫形貌，其中表面張力、等離子流力、溫差引起的表面張力差、熔池金屬密度差所產(chǎn)生的流動(dòng)力利于增加焊縫正面余高，減小下凹，而重力則利于焊縫凹陷，重力與熔池自身質(zhì)量及熔池小孔直徑有關(guān)，小孔直徑越小，支撐的液體金屬面積越大，重力影響越小，熔池凹陷也越不明顯。包峰等人[19-20]研究發(fā)現(xiàn)，增大焊接電流，電弧功率增大，熔池質(zhì)量增加，重力增大，但是弧柱中心溫度變化不大，高溫區(qū)向外擴(kuò)展，熔池整體溫度升高，熔池中心與邊緣溫度梯度變小，導(dǎo)致表面張力降低，而溫度梯度變小導(dǎo)致熔池凝固過(guò)程中的時(shí)空差減小，等離子流力作用也減弱。隨著表面張力與等離子流力作用減弱，熔池重力的作用變得明顯，導(dǎo)致凝固后焊縫下凹，如圖2c所示。

圖2 不同焊接電流對(duì)應(yīng)焊縫截面形貌

圖3 焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

2.3 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

其他焊接工藝參數(shù)不變，改變焊接速度，分析焊接速度對(duì)焊縫成形的影響。從圖4可以看出，圖4a、圖4b所示焊縫成形美觀，但存在少量且尺寸細(xì)小的氣孔；圖4c焊縫存在咬邊，圖4d焊縫成形極差且存在大量?jī)?nèi)部氣孔和未焊透缺陷；從圖5看出，隨焊接速度從160 mm/min增至180 mm/min，熔寬從7.2 mm降至6.9 mm，熔深從5.2 mm降到4.92 mm。一定范圍內(nèi)，焊縫熔寬、熔深隨焊接速度的增大而降低，焊接速度過(guò)大，焊接熱輸入嚴(yán)重下降，出現(xiàn)未焊透、氣孔等，降低接頭性能。分析數(shù)據(jù)可得出，焊接速度改變主要影響焊接熱輸入，當(dāng)焊接速度增大，焊接熱輸入降低，熔池中小孔直徑隨之減??；當(dāng)焊接速度提高到200 L/min，熔池中小孔消失，電弧熔透能力變差，出現(xiàn)未焊透；同時(shí)增大焊接速度，使熔池金屬向焊縫兩側(cè)鋪展的時(shí)間縮短，焊縫出現(xiàn)咬邊，如圖4c所示。

圖4 不同焊接速度對(duì)應(yīng)焊縫截面形貌

圖5 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)焊接速度提高到200 mm/min，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)大量氣孔，這與N6特性及焊接工藝有關(guān)：①焊接熱循環(huán)過(guò)程中，N6熔池金屬極易溶解H2，O2，N2氣體，伴隨冶金反應(yīng)產(chǎn)生H2O，CO氣體；②N6導(dǎo)熱系數(shù)高于碳鋼、不銹鋼，固-液相溫度間距較小，熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性差，熔池金屬結(jié)晶速度快；同時(shí)較高的焊接速度，降低了焊接熱輸入，熔池金屬冷卻速度加快，進(jìn)一步加快熔池凝固速度，縮短熔池存在的時(shí)間。熔池存在時(shí)間t與焊接工藝參數(shù)關(guān)系[21]：

t=KUI/v

(1)

式中：K為常數(shù)；U為電弧電壓；I為焊接電流；v為焊接速度。根據(jù)式(1)可知，適當(dāng)增加熔池存在時(shí)間可減小焊縫氣孔，增加熔池存在時(shí)間可通過(guò)增大電弧功率或降低焊接速度實(shí)現(xiàn)。但焊接電流過(guò)大，焊接熱輸入增大導(dǎo)致液態(tài)金屬比表面積增大，吸收氫氣的量增大，反而增大了出現(xiàn)氣孔的傾向。電弧電壓提高導(dǎo)致熔池保護(hù)性能變差，增大焊縫中氮?dú)饪變A向。焊接速度提高，熔池結(jié)晶速度加快，熔池存在時(shí)間下降，氣孔傾向增大。氣孔削弱焊縫有效工作截面，也會(huì)引起應(yīng)力集中。焊速增大，焊縫金屬吸收能量降低，熔池金屬表面張力減小，同時(shí)焊接熱輸入過(guò)低，熔化金屬量少且熔池底部液態(tài)金屬量過(guò)少，此時(shí)表面張力無(wú)法克服熔池重力及電弧壓力的作用，焊縫背部形成“駝峰”，如圖6箭頭所示。因此焊接速度過(guò)大，焊縫易產(chǎn)生咬邊、氣孔、背面“駝峰”等缺陷。

2.4 離子氣流量對(duì)焊縫成形的影響

改變離子氣流量，分析離子氣流量對(duì)焊縫成形的影響。從圖7看出，Q=1.0 L/min時(shí)，焊縫背面未焊透；Q=1.5 L/min時(shí)，焊縫成形美觀；當(dāng)Q增加到2.0 L/min，2.5 L/min，焊縫成形差且存在咬邊、氣孔。從圖8看出，Q從1.0 L/min增至2.5 L/min，熔寬從8.14 mm增至8.52 mm，熔深從4.64 mm增至5.41 mm；Q=2.0 L/min，焊縫熔深增大同時(shí)伴隨這大量?jī)?nèi)部氣孔。說(shuō)明離子氣流量對(duì)熔深有較大影響，Q決定了等離子弧流力與熔透能力，Q增大，等離子弧能量密度提高，熔透能力增強(qiáng)，焊接熱輸入增大，熔池尺寸隨之增大；但Q過(guò)大導(dǎo)致熔池中小孔直徑過(guò)大，焊縫成形變差，氣孔增多，反而降低接頭強(qiáng)度。

圖7 不同離子氣流量對(duì)應(yīng)的焊縫截面

圖8 離子氣流量對(duì)焊縫成形的影響

2.5 焊接熱輸入對(duì)焊縫組織、性能影響

2.5.1 宏觀形貌

表5為焊接工藝參數(shù)，圖9為不同熱輸入所對(duì)應(yīng)的焊縫背面形貌。焊接熱輸入對(duì)焊縫組織與性能有影響。當(dāng)焊接熱輸入較低(E=1.50 kJ/mm)，焊縫背面未焊透；E增至1.75 kJ/mm，焊接熱輸入仍較低，焊縫吸收能量也較低，熔池金屬表面張力減小，同時(shí)由于E過(guò)低，熔化金屬量減少，熔池底部液態(tài)金屬量也隨之減少，此時(shí)熔池金屬表面張力無(wú)法克服熔池重力及電弧壓力作用，致使焊縫背部形成“駝峰”，如圖9c所示；當(dāng)E=1.86 kJ/mm時(shí)，焊縫背面余高、熔寬尺寸均勻，焊縫成形美觀；當(dāng)E增至2.14 kJ/mm，E過(guò)大，焊縫背面塌陷。根據(jù)2.2節(jié)所述內(nèi)容，焊接熱輸入增大，熔池金屬表面張力與等離子流力作用減弱，熔池重力作用增強(qiáng)，焊接熱源下移，熔池過(guò)熱，發(fā)生液態(tài)金屬過(guò)熔透，致使焊縫背面成形變差，焊縫背面余高較高，發(fā)生凹陷，同時(shí)焊縫正面出現(xiàn)咬邊。

表5 焊接工藝參數(shù)

圖9 不同焊接熱輸入對(duì)應(yīng)焊縫背面形貌

2.5.2 微觀組織

圖10為N6母材的微觀組織，母材為單相奧氏體組織，表現(xiàn)為均勻、細(xì)小的等軸晶，平均晶粒度9.9。N6鎳合金在焊接過(guò)程中，加熱、冷卻過(guò)程不發(fā)生相變。

圖10 N6母材微觀組織

圖11為不同焊接熱輸入對(duì)應(yīng)的焊縫微觀組織，從圖11、表5看出，焊縫表現(xiàn)為粗大柱狀晶組織。焊縫區(qū)晶粒隨焊接熱輸入增大而增大，焊接熱輸入從1.50 kJ/mm增至2.14 kJ/mm，對(duì)應(yīng)焊縫區(qū)平均晶粒度從5.9降至2.3。根據(jù)奧氏體晶粒長(zhǎng)大熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)可知，晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)晶粒吞并、晶界遷移過(guò)程，奧氏體晶粒長(zhǎng)大與晶界遷移的難易程度有關(guān)，晶界遷移主要原因是存在驅(qū)動(dòng)力，而驅(qū)動(dòng)力與第二相粒子的晶界釘扎作用及原子的活動(dòng)能力有關(guān)[22]。焊縫晶粒尺寸隨焊接熱輸入增大而長(zhǎng)大，這是因?yàn)椋孩貼6為單相奧氏體組織，冷卻過(guò)程不發(fā)生相變，加熱過(guò)程中長(zhǎng)大的晶粒在冷卻過(guò)程中不會(huì)有相變引起的重結(jié)晶細(xì)化作用，因此N6焊縫區(qū)晶粒粗化程度比有固態(tài)相變的金屬更嚴(yán)重；②焊接熱輸入增大，焊縫金屬吸收的能量增大，驅(qū)動(dòng)力增加，晶界遷移速率加快，促使奧氏體晶粒長(zhǎng)大；③焊接熱輸入增大，熔池中第二相粒子(少量的C，N化物粒子)發(fā)生溶解，對(duì)晶界遷移的釘扎作用變?nèi)酰瑹o(wú)法有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大[23]。

圖11 不同焊接熱輸入對(duì)應(yīng)的微觀組織

2.5.3 力學(xué)性能

圖12表明，隨焊接熱輸入增大，接頭抗拉強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)。焊接熱輸入小于1.75 kJ/ mm，未焊透是抗拉強(qiáng)度低的主要原因；焊接熱輸入大于2.14 kJ/mm，接頭抗拉強(qiáng)度降至192 MPa，此時(shí)焊接熱輸入過(guò)大，熔池金屬過(guò)熱發(fā)生過(guò)熔透，導(dǎo)致凝固后焊縫背面余高較高，成形變差，出現(xiàn)咬邊、凹陷；較大焊接熱輸入導(dǎo)致焊縫區(qū)晶粒急劇長(zhǎng)大，強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系符合Hall-Petch公式[24]，由公式可知，焊縫強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，即焊縫區(qū)粗大的柱狀晶組織也會(huì)降低焊接接頭的強(qiáng)度。

圖12 焊接熱輸入與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)采用等離子弧自熔焊可實(shí)現(xiàn)6.0 mm N6板材的單面焊雙面成形工藝，焊接接頭質(zhì)量良好，抗拉強(qiáng)度為302 MPa，接頭系數(shù)達(dá)到87.3%；焊縫成形美觀且無(wú)咬邊、氣孔、凹陷等；最優(yōu)參數(shù)為：焊接電流175 A，焊接速度170 mm/min，離子氣流量1.5 L/min。

(2)改變主要焊接工藝參數(shù)，導(dǎo)致N6焊縫成形及力學(xué)性能發(fā)生改變。焊縫熔寬、熔深隨焊接電流、離子氣流量增大而增大，而隨焊接速度增大而下降；焊接速度過(guò)大，焊接熱輸入下降，熔寬、熔深尺寸減小，焊縫產(chǎn)生咬邊、氣孔、背面產(chǎn)生“駝峰”。N6為單相奧氏體，冷卻過(guò)程沒(méi)有相變引起的重結(jié)晶細(xì)化作用，焊縫晶粒粗化程度比有固態(tài)相變的金屬更嚴(yán)重，隨焊接熱輸入增，焊縫晶粒度從5.9降至2.3，晶粒長(zhǎng)大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先先升高后下降的趨勢(shì)。