高级检索

Inconel 690/S32101异种合金搭接接头的组织与性能

俞照辉, 孙浈, 杨涛, 简海林, 李青华

俞照辉, 孙浈, 杨涛, 简海林, 李青华. Inconel 690/S32101异种合金搭接接头的组织与性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 44-48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20210419002
引用本文: 俞照辉, 孙浈, 杨涛, 简海林, 李青华. Inconel 690/S32101异种合金搭接接头的组织与性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(10): 44-48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20210419002
YU Zhaohui, SUN Zhen, YANG Tao, JIAN Hailin, LI Qinghua. Microstructures and mechanical properties of Inconel 690/S32101 dissimilar lap joints[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 44-48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20210419002
Citation: YU Zhaohui, SUN Zhen, YANG Tao, JIAN Hailin, LI Qinghua. Microstructures and mechanical properties of Inconel 690/S32101 dissimilar lap joints[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(10): 44-48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20210419002

Inconel 690/S32101异种合金搭接接头的组织与性能

基金项目: 国家科技重大专项资助项目(2018ZX06002006)
详细信息
    作者简介:

    俞照辉,博士,高级工程师;主要从事修复焊技术和材料焊接性研究;Email:yuzhaohui@foxmail.com

  • 中图分类号: TG 455

Microstructures and mechanical properties of Inconel 690/S32101 dissimilar lap joints

  • 摘要: 采用氩弧焊将镍基Inconel 690合金覆板以搭接的形式,焊接于新型乏燃料水池材料双相不锈钢S32101的表面,并对比自熔焊和填充焊两种工艺对接头显微组织及力学性能的影响. 结果表明,在合理的工艺条件下,两种工艺均可以获得成形良好的搭接接头,但填充焊可得到更大的搭接宽度,其抗拉强度最高可达538 MPa. 焊后检测发现,焊缝组织主要由胞状晶所组成,其间分布有颗粒状铁素体析出物. 两侧熔合线处呈现不同的结晶形貌,Inconel 690覆板侧具有明显的外延生长组织,而S32101侧则出现平面晶结构. 与自熔焊相比,填充焊热影响区中奥氏体溶解现象仅出现在熔合线附近极小的范围内.
    Abstract: The GTAW (gas tungsten arc welding) was employed to weld Inconel 690 nickel-based alloy overlay plate and S32101 duplex stainless-steel, a new type material for fabricating spent fuel pool, with lap joint. Microstructures and mechanical properties of the joints fabricated with autogenous welding and filler welding were comparative studied. Compared with autogenous welding, a sound bead, with larger lap width and the tensile strength of 538 MPa, was obtained by filler welding under the optimized welding parameters. The welds were characteristic of cellular grains and fine ferritic precipitates dispersed among them. Different solidification microstructures were presented at fusion boundaries within weld. Epitaxial growth can be observed in the side of Inconel 690 and planar growth in the other side. Austenite dissolution range in the heat affected zone of the filler welding is narrower than that of autogenous welding.
  • 焊接被喻为制造业的“裁缝”,在制造业中必不可少,高效焊接是焊接领域永恒的追求. 提高电弧穿透能力是提高焊接速度的一种有效途径[1-3]. 常规等离子弧焊接工艺不开坡口一次可焊透5 ~ 8 mm的钢板,可实现单面焊双面成形[3-4]. 然而当对更厚的工件进行焊接时,等离子弧穿孔过程中形成的小孔稳定性较差[5-6],电弧穿透能力不足[7-8],制约了其在工程领域中的应用.

    为了提高等离子弧焊接电弧穿透能力,国内外研究学者开展了大量的研究工作. 武传松团队通过超声辅助等离子弧焊接工艺提高电弧穿透能力[9]. 陈树君课题组通过环境压力来改变电弧压力进而改变电弧穿透能力[10].Richardson团队通过在等离子弧焊接电弧周围增加径向气流,初步证实了径向气流可以增强电弧穿透能力[11]. 文中在前人的基础上研发了气流再压缩等离子弧焊接工艺,研究发现压缩气对喷嘴外部电弧的冷却作用是电弧收缩和电弧穿透能力提高的主要原因[12-15]. 基于前期研究,如果可以通过其它方式进一步冷却喷嘴外部电弧,就有可能进一步收缩电弧和提高电弧穿透能力. 金属粉末熔化会吸热,蒸发会吸热. 将金属粉末通过一定的角度和位置送入电弧弧柱中,金属粉末熔化吸热、蒸发吸热,是否能够压缩电弧和提高电弧穿透能力,这是一个值得研究的科学问题.

    文中设计并搭建金属粉末再压缩等离子弧焊接试验平台,采集焊接过程电信号、视觉信号、弧光光谱信号等,并从焊缝成形、电弧电压、熔融金属过渡、弧光光谱等方面对比分析金属粉末再压缩等离子弧焊接和常规等离子弧焊接.

    试验平台主要包括等离子弧焊接电源及焊枪系统、机械控制系统、金属粉末供给系统、焊接过程电信号采集系统、视觉信号采集系统及电弧弧光光谱采集系统(图1).

    图  1  金属粉末再压缩等离子弧焊接试验平台
    Figure  1.  Experiment platform of plasma arc welding with additional focusing by metal powder

    在焊接电源及焊枪系统中,等离子弧焊接电源采用德国EWM Tetrix 422 DC plasma焊机,焊接电流输出范围为5 ~ 420 A. 焊枪是采用自主设计的金属粉末再压缩等离子弧焊枪.图2是金属粉末再压缩等离子弧焊枪结构示意图. 与常规等离子弧焊枪相比,该焊枪在保护气体通道和离子气体通道之间设计了金属粉末通道,该通道可将金属粉末送入等离子电弧中:一方面进入电弧的金属粉末在熔化和蒸发过程中会吸收电弧热量,起到冷却电弧的作用,迫使电弧收缩;另一方面蒸发后的金属蒸气会影响等离子体成分,改变等离子弧电流通道. 在上述的综合作用下,预期可以增加电弧穿透能力,实现对等离子弧的“再压缩”.

    图  2  金属粉末再压缩等离子弧焊枪结构示意图
    Figure  2.  Welding torch of plasma arc welding with additional focusing by metal powder

    金属粉末供给系统主要由气瓶、气体质量流量控制器、送粉器、气管、焊枪等部分组成. 焊接过程电信号采集系统可实时采集焊接过程中的焊接电流、电弧电压信号. 视觉信号采集系统通过高速摄像机实时监测熔融金属过渡. 电弧弧光光谱采集系统主要包括等离子体光谱仪、光纤探头、光纤、计算机及其配套软件,光谱仪选用荷兰Avantes制造的等离子体光纤光谱仪.

    试验材料选用316L不锈钢板,尺寸为150 mm × 120 mm × 10 mm. 试验前,使用角磨机对钢板表面进行机械打磨,去除氧化膜,然后使用无水乙醇对表面进行清洗,去除油污,自然烘干. 选取两块试验钢板,分别进行金属粉末再压缩等离子弧焊接和常规等离子弧焊接. 焊枪喷嘴距离工件上表面的距离为5 mm,钨极选用铈钨极,钨极内缩量为5 mm,离子气体、保护气体选用纯度为99.99%的氩气. 其它主要焊接工艺参数如表1所示. 金属粉末为316L不锈钢粉末,粉末颗粒直径为120 ~ 150 μm. 与常规等离子弧焊接工艺相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接工艺增加送粉量,其余焊接工艺参数相同.

    表  1  焊接工艺参数
    Table  1.  Welding parameter
    焊接工艺焊接电流
    I/A
    焊接速度
    v/(mm·min−1)
    送粉速度
    vs/(g·min−1)
    离子气流量
    Q1/(L·min−1)
    保护气流量
    Q2/(L·min−1)
    常规等离子弧焊接1959603.120
    金属粉末再压缩等离子弧焊接195961.153.120
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    在焊接试验过程中,实时采集金属粉末再压缩等离子弧焊接和常规等离子弧焊接过程的电信号、视觉信号、光谱信号. 焊接完成后,使用线切割设备在焊缝中间部分,沿着垂直于焊缝轴线方向截取试样,试样经清洗、打磨、抛光、腐蚀后,用体式显微镜观察焊缝截面形貌.

    图3a是常规等离子弧焊接焊缝截面形貌;图3b是金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝截面形貌. 常规等离子弧焊接工艺的焊缝熔深为8.0 mm,熔宽为13.42 mm,余高为0.95 mm;金属粉末再压缩等离子弧焊接工艺的焊缝熔深为9.29 mm,熔宽为11.77 mm,余高为1.16 mm. 可以看出,在相同电流195 A条件下,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝熔深增加1.29 mm,熔宽减少1.65 mm,余高增加0.21 mm. 在相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝熔深增加、熔宽变窄. 这说明,相同电流条件下,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力增强.

    图  3  焊缝截面形貌
    Figure  3.  Weld morphology in cross-section. (a) weld morphology in cross-section in traditional plasma arc welding; (b) weld morphology in cross-section in plasma arc welding with additional focusing by metal powder

    图4是采集的金属粉末再压缩等离子弧焊接和常规等离子弧焊接的电弧电压变化曲线. 计算得出,常规等离子弧焊接工艺的平均电压为29.68 V;金属粉末再压缩等离子弧焊接工艺平均电弧电压为30.31 V. 在相同电流195 A条件下,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧电压增加了0.63 V,电弧平均功率增加了122.85 W.从能量的角度分析,能量增加会改变焊缝成形. 能量增加,熔深和熔宽都有可能增加;然而金属粉末再压缩等离子弧焊接熔深增加、熔宽减小.

    图  4  焊接过程电弧电压信号
    Figure  4.  Arc voltage signal during welding process

    采用高速摄像机拍摄金属粉末再压缩等离子弧焊接金属粉末向熔池的过渡过程. 高速摄像机采集频率为2 000 Hz,曝光时间为8 μs.图5为焊接过程连续的3张熔融金属过渡照片. 从图中可见,电弧中间部分亮度最大,亮度沿着垂直于电弧轴线的方向逐渐递减. 电弧中间深色黑点为金属粉末熔化后形成的熔融金属. 若将熔融金属理想化为球形,经过计算得出,红色圈中的熔融金属直径大约为265 μm. 可见熔融金属非常细小. 与MIG焊接中的熔滴过渡不同,金属粉末再压缩等离子弧焊接熔融金属尺寸较小、过渡分布比较分散. 熔融金属对熔池会产生一定的冲击作用.

    图  5  熔融金属过渡照片
    Figure  5.  Photos of molten metal transfer. (a) time t; (b) time t + 0.000 5 s; (c) time t + 0.001 0 s

    焊接电弧的物理本质是等离子体,金属粉末进入电弧后会吸收电弧热量,发生熔化、蒸发、电离等,随后参与电弧导电,改变电弧的电气特性. 基于搭建的电弧弧光光谱采集系统,对常规等离子弧焊接和金属粉末再压缩等离子弧焊接的电弧弧光信息进行采集,并根据美国国家标准局(National Institute of Standards and Technology,NIST)提供的原子辐射线谱资料进行标定.图6为采集的弧光光谱图片. 从采集的光谱数据可以看出,在波长为230 ~ 270 nm范围内:常规等离子弧焊接中主要是Fe和Cr的特征谱线,如图6a所示;金属粉末再压缩等离子弧焊接中主要是Fe,Cr和Ni的特征谱线,如图6c所示;与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接中Fe和Cr元素的特征谱线明显增多,说明金属粉末进入电弧后发生了一定程度的电离. 光谱数据表明,在波长为230 ~ 270 nm范围内,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧等离子体与常规等离子弧焊接电弧等离子体明显不同.

    图  6  电弧弧光光谱
    Figure  6.  Data of arc spectrum. (a) wavelength 230 ~ 270 nm (traditional); (b) wavelength 760 ~ 850 nm (traditional); (c) wavelength 230 ~ 270 nm (additional focusing by metal powder); (d) wavelength 760 ~ 850 nm (additional focusing by metal powder)

    在波长为760 ~ 850 nm范围内,常规等离子弧焊接中主要是Ar的特征谱线,如图6b所示;金属粉末再压缩等离子弧焊接中也主要是Ar的特征谱线,如图6d所示. 为了更直观地对比分析在760 ~ 850 nm波长的两种焊接工艺的光谱,制作了此范围的光谱数据曲线(图7). 光谱数据表明,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧光谱各个特征谱线峰强度均比常规等离子弧焊接电弧光谱对应的特征谱线峰强度小. 金属粉末再压缩等离子弧焊接光谱与常规等离子弧焊接光谱存在差异,这种差异对焊接过程产生的影响有待进一步研究.

    图  7  Ar特征光谱强度
    Figure  7.  Intensity of Ar characteristic spectral line

    (1)在相同焊接电流条件下,与常规等离子弧焊接工艺相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝熔深更深、熔宽更窄.

    (2)在相同焊接电流195 A条件下,与常规等离子弧焊接工艺相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧电压升高0.63 V.

    (3)金属粉末等离子弧焊接熔融金属尺寸细小、过渡较分散.

    (4)在波长为230 ~ 270 nm范围内,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接中Fe和Cr元素的特征谱线明显增多.

    (5)仅对金属粉末再压缩等离子弧焊接新工艺开展了初步的研究,还需要对金属粉末再压缩等离子弧焊接机理进行深入系统研究.

  • 图  1   Inconel 690/S32101异种合金搭接焊件的形貌

    Figure  1.   Appearance of the Inconel 690/S32101dissimilar weldments with lap joint. (a) face of the weldment; (b) side of the weldment; (c) cross-section of the autogenous joint; (d) cross-section of the filler joint

    图  2   Inconel 690/S32101异种合金搭接接头的显微组织

    Figure  2.   Microstructures of the Inconel 690/S32101 dissimilar lap joint. (a) base metal of Inconel 690 and S32101; (b) fusion boundary adjacent to Inconel 690; (c) fusion boundary adjacent to S32101 of autogenous welding; (d) fusion boundary adjacent to S32101 of filler welding

    图  3   焊缝的显微组织

    Figure  3.   Microstructures of the welds. (a) autogenous welding; (b) filler welding

    图  4   拉伸性能及典型的断口形貌

    Figure  4.   Tensile strength and typical fractography. (a) tensile strength; (b) typical fractograph

    图  5   搭接接头的硬度分布

    Figure  5.   The hardness profiles of the lap joints

    表  1   母材和焊丝的化学成分(质量分数,%)

    Table  1   Compositions of the base metals and welding wire

    材料CFeNiCrMnMoSiPSN其它
    底板S321010.02570.671.5421.634.880.180.540.0200.0010.200.314
    覆板Inconel 6900.01610.5058.0029.660.300.050.100.0050.001 01.368
    焊丝Inco-52M0.0248.6759.1630.080.790.010.080.0030.000 81.182 2
    下载: 导出CSV
  • [1] 邓天红. 某核电厂乏燃料水池覆面焊接变形分析及处理[J]. 焊接技术, 2013, 42(2): 56 − 59. doi: 10.3969/j.issn.1002-025X.2013.02.016

    Deng Tianhong. Analysis and treatment of liner welding deformation in the spent fuel pit in a nuclear power plant[J]. Welding Technology, 2013, 42(2): 56 − 59. doi: 10.3969/j.issn.1002-025X.2013.02.016

    [2] 李锴, 钟志民, 孟令强. 压水堆核电厂乏燃料水池失效分析与预防初探[J]. 金属热处理, 2019, 44(S1): 435 − 440.

    Li Kai, Zhong Zhimin, Meng Lingqiang. Spent fuel pool failure analysis and protection research for PWR nuclear power plant[J]. Heat Treatment of Metals, 2019, 44(S1): 435 − 440.

    [3] 赵迪, 李光福, 钟志民. 核电厂水池用不锈钢的腐蚀问题及相关研究[J]. 腐蚀与防护, 2020, 41(9): 10 − 15. doi: 10.11973/fsyfh-202009002

    Zhao Di, Li Guangfu, Zhong Zhimin. Corrosion of stainless steels for water pools of nuclear power plants and relevant researches[J]. Corrosion & Protection, 2020, 41(9): 10 − 15. doi: 10.11973/fsyfh-202009002

    [4] 卞向南, 邵长磊, 张晓春, 等. 基于激光焊接技术的水下焊缝修复系统研究[J]. 机械研究与应用, 2020, 33(6): 52 − 54.

    Bian Xiangnan, Shao Changlei, Zhang Xiaochun, et al. Research on the underwater weld repair system based on laser welding technology[J]. Mechanical Research & Application, 2020, 33(6): 52 − 54.

    [5] 王振民, 谢芳祥, 冯允樑, 等. 水下机器人局部干法焊接系统[J]. 焊接学报, 2017, 38(1): 5 − 8.

    Wang Zhenmin, Xie Fangxiang, Feng Yunliang, et al. Underwater robot local dry welding system[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(1): 5 − 8.

    [6] 向林涛, 陈国栋, 张攀峰, 等. 水下焊接机器人弧线轨迹平顺运动控制策略[J]. 焊接学报, 2018, 39(6): 104 − 109.

    Xiang Lintao, Chen Guodong, Zhang Panfeng, et al. A smooth trajectory motion control strategy of underwater welding robot[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(6): 104 − 109.

    [7] 郭伟, 郭宁, 杜永鹏, 等. 不同水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分及温度的影响[J]. 焊接学报, 2016, 37(10): 13 − 16.

    Guo Wei, Guo Ning, Du Yongpeng, et al. Effect of different underwater environment media on composition and temperature of underwater welding arc plasma[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2016, 37(10): 13 − 16.

    [8] 庄源, 黄忠平, 史寅康, 等. 一种新型核电站建设材料—双相不锈钢[J]. 热加工工艺, 2012, 41(18): 69 − 71.

    Zhuang Yuan, Huang Zhongping, Shi Yinkang, et al. New material in nuclear power plant construction: duplex stainless steel[J]. Hot Working Technology, 2012, 41(18): 69 − 71.

    [9]

    Kou S. Welding metallurgy[M]. Hoboken: Wliley-Interscience, 2002.

    [10]

    Lippold J C, Kotecki D J. Welding metallurgy and weldability of stainless steels[M]. Hoboken: Wiley & Sons, 2005.

    [11] 郭枭, 何鹏, 徐锴, 等. 一种核电用镍基合金焊丝熔敷金属的组织与性能[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 26 − 30. doi: 10.12073/j.hjxb.20191120002

    Guo Xiao, He Peng, Xu Kai, et al. Microstructure and mechanical properties of deposited metal for nuclear plant nickel alloy welding wire[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2020, 41(4): 26 − 30. doi: 10.12073/j.hjxb.20191120002

  • 期刊类型引用(3)

    1. 潘睿志,林涛,李超,胡波. 基于深度学习的多尺寸汽车轮辋焊缝检测与定位系统研究. 光学精密工程. 2023(08): 1174-1187 . 百度学术
    2. 刘岩,刘澳,张琳琳,杜安娜,刘兆真,贺春林. DP590镀锌双相钢CMT焊接接头气孔及锌层研究. 机械工程学报. 2023(16): 213-222 . 百度学术
    3. 李文斌. 城市轨道交通车辆高强钢焊接用焊丝的选用方法. 焊接技术. 2022(03): 80-83 . 百度学术

    其他类型引用(1)

图(5)  /  表(1)
计量
  • 文章访问数:  266
  • HTML全文浏览量:  17
  • PDF下载量:  41
  • 被引次数: 4
出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-18
  • 网络出版日期:  2021-11-15
  • 刊出日期:  2021-10-30

目录

/

返回文章
返回