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纯镍直缝焊管不同焊接方法的接头性能对比

来源:至德钢业 日期:2018-08-09 23:21:53 人气:1132

采用等离子与等离子+TIG2种焊接方法获得尺寸为112mm×3.5mm×6500mm纯镍直缝焊管.分析了焊后接头宏观形貌、微观组织、力学性能及耐蚀性.结果表明:等离子+TIG较等离子接头各区域晶粒尺寸有所粗化;等离子+TIG接头抗拉强度达到母材的85.6%,满足了镍管接头力学性能要求;等离子+TIG焊缝耐蚀性优于等离子焊缝,较母材有所降低;TIG电弧对焊后等离子接头的二次加热使得等离子接头产生了二次重熔效果,消除了等离子接头产生的咬边、气孔等缺陷,提高了焊接速度,获得了均匀、美观的鱼鳞纹状焊缝表面形貌.综合可见,等离子+TIG焊接是纯镍N6直缝焊管焊接的理想方法.

纯镍为面心立方结构,具有熔点高、抗氧化、耐腐蚀等特点,在高温和低温下均具有良好的力学性能和加工性能,是工业生产中各种苛刻腐蚀环境下采用的金属材料[1].由于镍及镍合金材料本身固有的物理和化学特性,在焊接过程中极易出现裂纹、气孔及晶粒粗大等缺陷,严重影响到设备的制造质量和使用性能.等离子弧能量高、穿透力强,它可以直接穿透熔池,形成一个贯穿工件厚度方向的小孔,“小孔效应暠是等离子焊接过程中的特有现象,有助于焊缝的充分熔透[6].镍及镍合金管广泛应用于氯碱化工、制碱以及有机氯化物的生产,电子仪表零件制造,高温业.本文针对纯镍直缝焊管的焊接,采用等离子和等离子+TIG2种不同的焊接方法实现镍管的对接,等离子焊在前,TIG在后.目前,关于这2种焊接方法获得的接头组织、力学性能及焊缝耐蚀性能未见深入研究.1 试验方法试验选用的材料为经过退火处理的热轧纯镍N6镍带,板厚3.5mm,具体化学成分见表1.焊接设备为PHM-500等离子焊机和WS-400氩弧焊机,镍管成型设备选用自行改良的ZG系列制管机

纯镍N6镍带经过矫平、粗成型到达精成型阶段,贴合导向片,到达焊接区域,在焊接区域实现板带两边0~1mm对接间隙,采用等离子和等离子+TIG2种焊接方法实现镍管的对接,不添加焊接材料,获得尺寸规格为112mm×3.5mm×6500mm纯镍直缝焊管.查阅相关文献[7~9],经过前期不断试焊,获得最优焊接工艺参数见表2.焊接前用600目的砂纸对镍带坡口及两侧进行机械处理,去除表面氧化膜,并用丙酮擦洗,去除表面油污.在实施焊接过程中,首先利用等离子弧的“小孔效应暠熔透焊缝[6],实现焊接接头的单面焊双面成型[10];TIG焊机在后,对焊后刚完全凝固的等离子接头产生二次加热作用,扩大了熔池面积,增加焊缝熔宽,完全消除焊缝表面咬边、气孔等焊接缺陷,显著提高焊接速度.

焊后,截取纯镍直缝焊管接头制作金相试样,采用混合酸溶液对金相试样进行腐蚀后置于MeF3广视场析;平行于镍管焊接方向截取纵缝,观察焊缝内部宏观形貌;根据国家标准GB/T228.12010《金属材料室温拉伸试验方法》制取母材和焊接接头横向拉伸试样,在拉伸试验机上进行拉伸试验,测定母材和焊接接头的室温拉伸性能.分别截取镍管等离子、等离子+TIG焊缝及母材制作静态失重腐蚀试样,试样尺寸为10mm×6mm×3.5mm,将试样表面打磨、抛光后,经超声波清洗吹干后分别浸入不同的腐蚀介质中,试验温度始终维持在25,浸泡72h.2 试验结果与分析2.1 接头组织2.1.1 接头宏观形貌分析最优焊接工艺参数下获得的镍管纵缝等离子和等离子+TIG焊接接头宏观形貌如图1所示.可以看出,由于等离子弧的“小孔效应暠[4],2种焊接方法均可实现焊接接头单面焊双面成型,如图1ab所示;由于等离子弧倾度大且弧柱较细,因此,对熔池金属产生很大的电弧吹力,导致熔池金属下沉;另外,焊后熔池金属凝固速度快,焊接过程中不添加焊接材料,下沉的熔池金属得不到及时补充,导致等离子接头产生咬边、凹陷等明显缺陷,如图1c所示.从图1d可以看出,等离子纯镍焊缝中更容易形成气孔[2],分析以上原因:一方面,纯镍的黏度大、流动性差、固液相温度区间小,焊接过程中更容易从空气中吸收气体且在液态熔池中溶解度较大;另一方面,由于等离子焊接速度较快,焊接熔池高温停留时间相对较短;另外,纯镍热导率低,等离子焊缝熔池体积小,焊缝表面与外界接触面积大,冷却速度快,焊缝表面首先发生凝固,导致溶解的气体没有足够的时间逸出,停留在焊缝中形成气孔.等离子熔池在到达TIG电弧前熔池金属刚完全凝固,气体停留在焊缝中;与此同时,等离子接头受到TIG电弧的加热后发生二次熔化,使得融入等离子接头中的气体伴随着熔池金属的二次流动得到及时逸出,完全消除了等离子焊缝中的气孔缺陷,如图1f所示;另外,由于TIG电弧能量密度相对分散,扩大了熔池面积,重新填充了凹陷的等离子金属熔池,完全消除了等离子接头咬边缺陷,最终获得成型美观、均匀的鱼鳞纹状焊缝表面形貌,如图1e所示.

2.1.2 接头显微组织分析镍管焊接接头各区域微观形貌如图2所示.母材为均匀细小的奥氏体等轴晶组织,晶粒大小均匀且致密,晶界清晰,如图2a所示;由于等离子弧能量密度高,对接头热输入量大且纯镍的流动性差,热导率低,焊接速度较快,焊后快速冷却,热量不能及时扩散,引起等离子焊缝晶粒组织急剧长大,形成粗大的柱状晶组织,如图2b所示;焊接接头热影响区、熔合区及焊缝区距离热源位置不同,引起受热不同,晶粒由大到小发生明显变化,可以看出,晶粒大小依次为:热影响区,熔合区,焊缝区,如图2c所示,由图2de可以看出,等离子+TIG接头各区域晶粒较等离子接头有所粗化.产生原因是由于TIG焊机在后,对焊后等离子接头的二次加热,增加了等离子接头各区域的热输入量,提高了接头各区域温度,晶界的迁移速率随之提高,部分粗大晶粒以自身为核心不断吞并着周围的小晶粒,引起晶粒粗化.

2.2 接头力学性能

2.2.1 拉伸性能

32种焊接方法获得的焊接接头及母材拉伸性能测试结果.

结果表明,焊后2种接头抗拉强度均可达到母材的85%以上,均能满足镍管接头的抗拉强度要求;等离子+TIG接头强度较等离子接头有所降低,这主要是由于TIG电弧的二次加热,增加了焊接接头各区域的热输入量,引起等离子+TIG组织晶粒较等离子出现长大现象,引起抗拉强度降低.3为拉伸试样的断裂位置.可以看出,拉伸试样均有明显的缩颈现象,断裂位置均位于焊缝,为焊接接头的薄弱环节.

2.2.2 拉伸断口分析母材及2种焊接接头拉伸断口形貌如图4所示.母材拉伸断口中由大小均匀的等轴韧窝组成并伴有明显的撕裂棱,韧窝内壁出现蛇形滑移花样,母材在应力的作用下发生塑性变形形成显微空穴,伴随着应力的持续作用,显微空穴不断长大和聚集形成大的显微空洞并连接在一起导致材料的断裂,为典型的韧性断裂,如图4a所示;等离子接头断口中着小而深的网状韧窝群,其断裂方式为韧性断裂,如图4b所示;4c为等离子+TIG断口形貌,可以看出断口主要由大小不均的剪切韧窝组成,并伴有明显的撕裂棱,其断裂方式为韧性断裂.

2.3 浸泡实验将腐蚀试样表面打磨、抛光后,经超声波清洗吹干后分别浸入不同的腐蚀介质中,试验温度始终维持在25,浸泡72h;根据GB165451996《金属和合金腐蚀试样上腐蚀产物的清除》的规定,去除试样表面的腐蚀产物并使用超声波再次清洗并吹干,使用电子天平对腐蚀试验前后的试样进行称重,根据腐蚀前后试样的质量变化来表示材料的平均腐蚀速率,根据式(1)计算母材及焊缝在不同腐蚀溶液中的平均腐蚀速率:VL=8.76×107×W-W0STD(1)其中:VL为用腐蚀深度表示试样腐蚀速率;W为浸泡前试样的原始质量;W0为腐蚀后完全去除表面腐蚀产物后试样的质量;T为试样浸泡的总时间;S为浸泡于腐蚀液中试样总面积;D为材料密度,根据式(1)得出的镍管等离子焊缝、等离子+TIG焊缝以及母材的腐蚀速率,见表4.可以看出,在低浓度硫酸腐蚀介质中,伴随着硫酸浓度的提高,焊缝及母材的腐蚀速率有所增加,但是增加缓慢;在高浓度硫酸介质中,焊缝及母材腐蚀速率急剧增加,耐蚀性级别为尚耐蚀;在氢氧化钠腐蚀介质中,焊缝及母材伴随着腐蚀介质质量浓度的提高,腐蚀速率增加缓慢且腐蚀速率较低,均具有良好的耐蚀性;伴随着盐酸质量浓度的提高,焊缝及母材腐蚀速率快速增加,耐蚀性逐渐降低;6%氯化铁腐蚀液中,焊缝及母材的腐蚀速率均较大,均发生了严重的腐蚀,耐蚀性级别达到欠耐蚀.母材与镍管焊缝耐蚀性差异性原因,分析认为:母材为均匀细小的单相奥氏体等轴晶组织,晶粒大小均匀且比较致密,因此,耐蚀性较好;相反,焊缝在焊接热循环的作用下,组织和成分处于极不平衡状态,晶粒粗大,因此相对于母材耐蚀性有所降低.研究表明[2],纯镍焊接过程中容易产生气孔、裂纹等焊接缺陷;焊缝中的气孔、裂纹等缺陷通常都是腐蚀源,成为腐蚀的诱发地,等离子+TIG焊缝耐蚀性优于等离子焊缝,这主要因为等离子+TIG焊缝在TIG电弧的二次加热作用下,熔池金属发生二次流动,消除了等离子接头中的气孔、咬边等缺陷,这些因素综合作用导致等离子+TIG焊缝耐蚀性优于等离子焊缝.

3 结论

1)等离子+TIG焊接,由于TIG电弧对等离子接头的二次加热,引起接头各区域晶粒组织出现粗化现象.2)等离子与等离子+TIG2种焊接方法获得的接头拉伸断裂位置均位于焊缝,抗拉强度均可达到母材的85%以上,均能满足焊接镍管接头抗拉强度的要求.3)母材及2种镍管焊缝在不同浓度腐蚀介质中均呈现相同的变化趋势,即耐蚀性由弱到强顺序为:等离子焊缝,等离子+TIG焊缝,母材.4)等离子+TIG焊接满足了镍管接头力学性能要求的同时,提高了焊接速度,有效避免了等离子接头咬边、气孔等缺陷,获得了成型均匀、美观的鱼鳞纹状焊缝表面形貌,是纯镍N6直缝焊管焊接的理想方法.

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