Q235基體上CMT-TWIN技術堆焊鎳基合金

伍 鋼，余 進，蔣 凱，羅 滏

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

Q235基體上CMT-TWIN技術堆焊鎳基合金

伍 鋼，余 進，蔣 凱，羅 滏

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

以Q235為基體，以鎳基合金Inconel625（φ1.0 mm焊絲）為堆焊材料，采用CMT-TWIN焊接技術進行堆焊，試驗結果表明最佳參數為：電弧電壓14.7 V，焊接電流98 A，焊接速度4 mm/s，擺寬10 mm（雙絲參數一致），能夠獲得致密美觀、無缺陷的鎳基合金堆焊層。從熔合線附近到堆焊層中心，組織為樹枝晶形態的奧氏體；EDS表明元素含量在熔合線附近發生突變的區域較窄（10～20 μm），而在堆焊層中分布較均勻，說明熔合比較小；剪切試驗表明基體與堆焊層結合界面的抗剪強度大于326 MPa，斷口形貌表明為韌性斷裂。

Q235；Inconel625；CMT-TWIN；抗剪強度；塑性斷裂

0 前言

鎳基合金（如Inconel625）具有優良的耐腐蝕、耐高溫氧化等優點，已經廣泛用于石油化工、航空航天、熱交換器等領域[1-2]。尤其在石油化工的運輸管道里，管道處于腐蝕性強烈的介質中，碳鋼管此時完全不堪一擊，很容易發生腐蝕失效，甚至出現安全事故，因而需要相應的防護措施，如表面制備鎳基合金層。目前在鋼基體上制備鎳基合金的改性技術主要有激光熔敷、等離子噴涂、電沉積、雙層輝光等[3-5]，盡管這些方法都能獲得鎳基合金層，但是考慮成本、效率、冶金結合強度等綜合因素，這些方法并不十分完美，仍需大量改進和優化。

CMT-TWIN（雙絲CMT）技術是由Fronius公司基于單絲CMT近幾年開發出來的新型高效雙絲焊接技術。CMT（Cold metal transfer）即冷金屬過渡的簡稱，該焊接方法具有熱輸入低、焊接穩定、成形美觀等優點，非常適合堆焊，還能實現鋼和鋁的焊接。CMT-TWIN焊接技術具有電弧穩定性強、焊接速度快、搭橋性能強、效率高、成本合理、應用范圍廣泛等一系列優點，具有廣闊的應用前景。本試驗探究采用CMT雙絲焊在碳鋼上堆焊鎳基合金Inconel625的工藝性，為表面改性（防腐）提出新思路。

1 試驗材料和方法

選擇Q235A碳鋼為基體材料，規格為150 mm× 100mm×10mm；以ERNiCrMo-3（Inconel625φ1.0mm）焊絲為堆焊材料，兩者的化學成分見表1、表2。試驗設備主要由ABB機器人、模塊系統、FroniusCMT-TWIN雙絲焊接系統三部分組成，最重要的是CMT-TWIN雙絲焊接系統，它主要由兩臺TPS5000焊機合并組成，共用一把雙絲焊槍，焊接過程中熔滴過渡主要依靠焊絲的機械回抽（監測到短路信號），緩沖器可以使焊絲進給過程平穩，電弧間干擾小，焊接過程穩定。

表1 Q235的化學成分（A級）Tab.1Chemical composition of Q235％

表2 ERNiCrMo-3的化學成分Tab.2Chemical composition of ERNiCrMo-3％

在RCU5000i焊機控制面板上依據選定的材料、直徑、送絲速度，系統會相應地給出一個電壓電流值與之匹配，可以把送絲速度和焊接電流、電弧電壓三者視作一個整體的影響因素。該設備焊接φ1.0 mm的Inconel625時，對應的送絲速度為2～12 m/min，考慮到機器人的工作極限和行走穩定性，為了方便比較，初選主輔絲送絲速度一致，為6～9 m/min；焊接速度選為3～5 mm/s，焊接速度太快則出現焊縫窄、余高過小，太慢則又出現鋪展不開的現象；由于鎳基合金的流動性比較差[6]，實驗表明焊槍需要擺動有助于堆焊層鋪展，擺動參數有：擺動形狀Z，擺動長度1.0 mm，擺動寬度8～14 mm；其他規范：保護氣為φ（Ar）80％+φ（He）20％（20+20 L/min），焊絲干伸長均為15 mm。綜上選擇試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案設計Tab.3Experimental design

2 試驗結果與分析

2.1 外觀分析

焊前將Q235鋼板表面用砂輪打磨至平整潔凈，然后用丙酮溶液清洗干凈后烘干，進行焊接試驗。

試驗結果如表4所示，由表4可知，3#和6#試樣獲得了較好的連續堆焊層，其中最佳規范試樣是3#，焊接過程穩定，成形美觀、無明顯缺陷（圖1a）。1#中出現了孔洞，這可能是由于焊接參數偏小導致焊接不穩定，電弧間協同不良影響了氣體的保護，導致空氣進入熔池從而造成氣孔；2#成形不良與焊接速度不匹配有關，焊接速度快，而焊槍擺幅一定，單位面積上填充焊絲量減少，導致焊縫邊緣不連續，出現蜈蚣腳狀；4#收弧時弧坑較大，是因為收弧時的送絲速度過小或者是熄弧長時間太短所造成的；5#成形雖好但由于擺幅偏小，導致余高比較大，不利于堆焊，考慮到效率問題，應該增大擺幅而不是加快焊接速度。6#雖然成形美觀（見圖1b），但是電弧有一定程度上的干擾，這是因為電流增大后電弧之間的電磁力增加，進而影響焊接過程的穩定性。

表4 焊接試驗結果Tab.4Results of welding test

綜上對焊縫外觀成型特征的分析，3#規范成形最為美觀，焊接過程穩定無飛濺，無肉眼可見氣孔、裂紋等缺陷，用此參數進行多道焊接（見圖2），獲得了成形美觀，且無宏觀焊接缺陷的多道連續焊縫。

圖1 不同焊接規范堆焊焊縫Fig.1Welding seams under different welding specifications

圖2 3#多道堆焊的焊縫Fig.2Multi-channel surfacing welds of 3#

2.2 組織成分分析

將3#試樣制備金相試樣，基體用4％的硝酸酒精溶液腐蝕，堆焊層用王水腐蝕，在光學顯微鏡下觀察組織。由圖3a可知，Q235碳鋼基體與堆焊層的界面熔合線明顯可見，堆焊層與碳鋼基體在界面結合處無氣孔、裂紋及熔合不良等焊接缺陷。圖3b為奧氏體的堆焊層組織，呈樹枝晶形態生長，組織分布比較均勻。

堆焊層成分和組織與其使用性能密切相關，尤其是堆焊層成分，本試驗在滿足冶金結合的基礎上，不僅能獲得致密、成形美觀、無缺陷的堆焊層，而且為了保證其良好的耐腐蝕和耐高溫性能，尤其是Ni、Cr、Mo元素含量要有一定的保證，也就希望基體對堆焊層的成分稀釋盡可能小，即焊接熔合比越小越好。在離熔合線約200～500 μm的堆焊層區域進行EDS測試（見圖4），從掃描結果（見表5）可知Cr、Ni、Nb、Mo等主要元素的含量與Inconel625本身的含量相差無幾，此時Fe的含量非常低，這些說明Q235基體對堆焊層的稀釋率低。

圖3 堆焊層界面以及組織形態Fig.3Surfacing layer interface and tissue morphology

圖4 堆焊層局部區域EDS掃描Fig.4Local cladding area with EDS scan

為了進一步了解堆焊層和基體中主要元素的分布特征，在熔合線附近的區域進行線掃描（見圖5），Cr、Ni、Nb、Mo、Fe五種元素的掃描結果如圖6所示，由圖6可知，這些元素在熔合線上（厚約10～20 μm）發生了突變，尤其是Fe在基體中含量很高，而在堆焊層中含量很低，幾乎接近零。堆焊層中的主要元素Cr、Ni、Nb、Mo擴散到基體中的量也很小，這些元素分布特征充分表明在熔合線附近發生突變的區域很窄，說明母材對堆焊層的稀釋程度很小，否則熔合線附近會發生緩慢的變化，熔合區也會變寬；另外在堆焊層中也可以看到Cr、Ni、Nb、Mo四種元素分布相對較均勻，這樣的分布更能發揮堆焊層的耐高溫氧化和耐腐蝕的特性。

表5 堆焊層局部區域EDS掃描結果Tab.5Result of local cladding area with EDS scan

圖5 堆焊層與基體界面EDS掃描Fig.5EDS scan for surfacing layer and substrate interface

圖6 堆焊層與基體界面EDS掃描結果Fig.6Result of EDS scan for surfacing layer and the substrate interface

2.3 剪切試驗

將3#和6#按如圖7所示的形狀尺寸加工，必須保證能在基體上沿著熔合線切割下多余的堆焊層，每次在對應的模具中放置一對剪切塊，用三思萬能力學試驗機進行試驗，設置加載速率為100 N/s，測得各試樣的剪切強度如表6所示。通過剪切試驗結果可知，3#和6#試樣的抗剪強度都比基體Q235（＜310 MPa）高，均斷裂在界面附近的基體熱影響區（見圖8），從SEM觀測的3#斷口形貌（見圖9）可知，在韌窩斷裂（微孔聚集型斷裂）的斷口上，覆蓋著大量顯微微坑，是典型韌性斷裂的特征。

圖7 剪切試樣尺寸形狀Fig.7Size shape of shear specimen

表6 剪切實驗結果Tab.6Result of shear test

圖8 3#試樣宏觀斷口形貌Fig.8Macroscopic fracture morphology of 3#sample

圖9 3#試樣掃描電鏡下的斷口形貌Fig.9Fracture morphology of 3#under SEM

3 結論

（1）在Q235基體上使用CMT-TWIN焊接技術，當焊接參數為：電弧電壓14.7 V，焊接電流98 A，焊接速度4 mm/s，擺寬10 mm時，獲得了成形美觀、無宏觀缺陷的Inconel625鎳基合金層。

（2）經金相分析表明，堆焊層與碳鋼基體界面無氣孔、裂紋及熔合不良等焊接缺陷，且堆焊層組織為樹枝晶形態生長的奧氏體。

（3）EDS測試表明，Cr、Ni、Nb、Mo等主要元素在熔合線附近的含量發生突變的區域較窄，為10～20μm，表明基體對堆焊層的稀釋率低，熔合比較小。

（4）剪切試驗表明，界面抗剪強度大于326 MPa，且斷裂位置為基體熱影響區，斷口形貌呈韌窩狀。

[1]王曉軍，楊潔.30CrMo合金表面堆焊Inconel 625鎳基合金的耐腐蝕性能[J].腐蝕與防護，2011，8（32）：655-657.

[2]夏琳，李軍，張建君.石油化工領域鎳基高溫合金的焊接[J].化工建設工程，2002，24（5）:42-44.

[3]陳建敏，王凌倩，周健松，等.激光熔覆Ni基涂層研究進展[J].中國表面工程，2011，24（2）：14-18.

[4]徐江，謝錫善，徐重.利用雙層輝光等離子技術進行鎳基耐蝕合金表面合金化的研究[J].材料熱處理學報，2002，23（1）：29-31.

[5]吳向清，胡慧玲，謝發勤，等.等離子噴涂鎳基合金涂層的組織與耐蝕性[J].中國表面工程，2011，24（5）：14-16.

[6]吳俊，張勍.Inconel 625鎳合金焊接工藝簡述[J].石油化工建設，2012（5）：69-71.

CMT-TWIN technology surfacing nickel-based alloys on the Q235 matrix

WU Gang，YU Jin，JIANG Kai，LUO Fu
（School of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

Q：235 steel is used as matrix,nickel-based alloys Inconel625（φ1.0 mm wire）for surfacing material by CMT-TWIN welding technology,the final results show that the optimum parameters:arc voltage 14.7 V，welding current 98 A，welding speed 4 mm/s，swing wide 10 mm（double wire parameters are the same），it is possible to obtain a dense and beautiful，defect-free nickelbased alloy surfacing layer.From the fusion line to the cladding center，the organization is dendrite morphology of austenite；EDS indicates elements mutations region is narrow(about 10～20 μm）near the fusion line，while the distribution is homogeneous in surfacing layer，which indicates the fusion ratio is relatively small;the shear strength of bonding interface is greater than 326 MPa，fracture surface shows ductile fracture.

Q235；inconel625；CMT-TWIN；shear strength；ductile fracture

TG455

B

1001-2303（2015）08-0184-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.40

2014-12-17；

2015-01-10

伍鋼（1989—），男，湖北大悟人，在讀碩士，主要從事異種金屬先進焊接工藝方面的研究工作。