基體表面粗糙度對熱絲TIG堆焊Inconel625組織和耐腐蝕性能的影響

王 勻，陳英箭，許楨英，唐書浩

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

隨著油氣開采環境的日益惡化，對油氣鉆采設備的性能要求也越來越高。尤其是近年來對深層、高腐蝕性以及深海油氣田的開采，其地質環境非常復雜，工作環境惡劣，對采油樹以及節流閥等井口設備的強度以及耐腐蝕性有很高的要求，即材料必須為HH級(API6A)[1]。AISI8630屬于低合金高強鋼，具有優異的綜合性能，目前越來越多地應用于井口設備中[2]。Inconel625是鎳基高溫合金，價格較高，為兼顧經濟效益，經常和價格相對較低的低碳鋼或低合金鋼組成雙金屬復合材料使用。Inconel625具有優良的綜合性能，包括高溫強度、耐腐蝕性、延展性等，被廣泛應用于航空航天、石油化工、壓力容器等領域[3-4]。

陷光效應是指光在進入陷光結構時，在其內部發生一系列的反射、折射和散射，使得光程變長，光子吸收量增加，從而使得陷光結構反射出去的光相應減少，該效應稱為陷光效應。陷光結構的形態有很多種，應用不同的手段在表面刻意制造一定數量和形貌的凸起或者凹坑，以增加光程，使光吸收增加。

隨著基體表面粗糙度值Ra的變化，焊接過程中的陷光效應以及待堆焊表面與電弧的接觸面積發生變化，對堆焊過程的熱輸入以及堆焊層化學成分的分布，尤其是對鐵元素的分布產生很大影響。而鐵元素含量的改變又會直接導致堆焊層耐腐蝕性能的變化[5-7]。同時，堆焊過程中的熱輸入量又深刻影響著堆焊層、熱影響區以及結合區的組織和性能。為了得到組織和性能良好的堆焊層，研究粗糙度對堆焊層組織和性能的影響是非常必要的。

國內外學者對于Inconel625堆焊的研究已經取得了一定的成果[8-11]，但是采用熱絲TIG堆焊、針對基體表面粗糙度對堆焊層質量影響的研究相對較少。已有研究表明，金屬表面粗糙化處理可以大幅增強其對入射光的吸收[12-14]。Vorobyev等[12]用激光加工技術在鉑金表面制備出微納粗糙結構，所制備的表面在紫外-紅外范圍內對光的吸收率達到95%。Vorobyev等[15-16]還進一步在鉑金、鎢和鈦合金表面用激光制備了微納結構，同樣獲得了較好的陷光效果。Yang等[17]利用飛秒激光在NiTi合金表面制備不同的微納結構，其對紫外-紅外范圍內光的吸收率高達90%以上。本工作以高含硫化氫的酸性油氣田井口耐腐蝕設備制造為背景，采用熱絲TIG在AISI8630表面堆焊Inconel625合金，重點研究基體表面粗糙度對堆焊層微觀組織、鐵元素分布以及耐腐蝕性能的影響。結果可為耐腐蝕閥門、復合鉆采設備的堆焊提供理論與實驗依據，為堆焊質量控制提供新的思路，具有一定的工程價值及科學意義。

1 實驗材料與方法

基體材料為調質AISI8630，化學成分如表1所示。焊前用丙酮清洗基體表面以去除污物和氧化膜。AISI8630基體碳當量大于0.7，較難焊接，且層溫過高時，極易產生熱裂紋。故堆焊前將其預熱至200℃，堆焊層間溫度嚴格控制在250～300℃范圍內。堆焊材料為Inconel625(牌號ERNiCrMo-3)焊絲，直徑1.2mm，化學成分見表1。實驗采用Fronius電流預熱焊絲TIG系統進行堆焊，鎢極與工件的距離由系統電流電壓控制(AVC)自動保持在3.5mm，鎢極直徑3.2mm，噴嘴直徑12.5mm，保護氣體采用純度為99.999%的工業純氬，氬氣流量16L/min，堆焊實驗的工藝參數如表2所示。由熱絲TIG堆焊的熱輸入公式(式1)計算出堆焊過程的熱輸入量H：

(1)

式中：Ut為熱絲電壓，V；It為熱絲電流，A；Uw為焊接電壓，V；Iw為焊接電流，A；Vw為堆焊速率，cm/min。焊道重合率為30%[18]。表2中Vwire為送絲速率?；w粗糙度用相應目數的砂紙打磨拋光至所需的粗糙度值，采用研磨法獲得粗糙度值為0.4,0.2μm的基體試樣。應用MMD-HR320粗糙度輪廓儀進行粗糙度檢測。

表1 AISI8630和Inconel625化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of AISI8630 and Inconel625(mass fraction/%)

表2 堆焊工藝參數Table 2 Parameters utilized for cladding

將堆焊之后的工件應用磁粉探傷進行無損檢驗，檢測合格后進行線切割，加工制成15mm×15mm×5mm的試塊，試塊經打磨、拋光，用5%硝酸酒精溶液進行清洗，找出熔合線位置，測量堆焊層的幾何尺寸以便計算稀釋率大小。運用DM2500M金相顯微鏡進行金相分析。用JSM-7001F掃描電鏡進行組織觀察及化學成分分析。

根據GB/T 4157-2006《金屬在硫化氫環境中抗特殊形式環境開裂實驗室試驗》的要求，選取腐蝕溶液為5.0%(質量分數,下同)NaCl+0.5%CH3COOH+H2S(飽和)，實驗溫度為(10±1)℃以模擬深度為200m的海水溫度，實驗周期為7×24h。腐蝕完的樣件經1∶1鹽酸溶液清洗之后吹干，稱量其損失質量。

2 結果與分析

2.1 堆焊層成型質量

稀釋率θ的計算公式為：

(2)

式中：A為堆焊層面積；Aw為熔合區面積。不同粗糙度試樣稀釋率的測量位置如圖1所示。

圖1 不同粗糙度值時稀釋率的測量位置 (a)Ra=12.5μm;(b)Ra=3.2μm;(c)Ra=0.8μm;(d)Ra=0.4μmFig.1 Measuring positions of dilution ratio under different roughnesses (a)Ra=12.5μm;(b)Ra=3.2μm;(c)Ra=0.8μm;(d)Ra=0.4μm

采用超景深顯微鏡(基恩士VHX-1000)自帶的面積計算功能模塊，結合公式(2)計算出三組不同粗糙度值樣件稀釋率的值θ1,θ2,θ3，取平均值作為最終稀釋率θ。不同粗糙度值Ra對應的堆焊稀釋率θ如表3所示。

表3 不同粗糙度值時的堆焊稀釋率Table 3 Dilution ratio of cladding under different roughnesses

由表3可以看出，基體表面的粗糙度對堆焊稀釋率有較大影響。粗糙度值越大，陷光效應越強，從而使焊接電弧與基體的有效接觸面積變大，因此熱輸入增大，導致堆焊的稀釋率增加[19]。由表3數據還可看出，當基體表面粗糙度減小到一定值時，稀釋率的變化趨緩，當粗糙度值小于0.8μm時，稀釋率幾乎無變化。但當粗糙度值變為0.4μm時，稀釋率有一個小幅度的突變。初步判斷，這是由于采用研磨方法加工粗糙度為0.4μm及0.2μm的試件時，試件表面產生加工硬度[20]，進而影響稀釋率的值。

初步推測堆焊基體表面粗糙度對堆焊稀釋率的作用機制模型如圖2所示。

表面粗糙度對堆焊過程可能存在的影響機制主要為：隨著粗糙度值增加，電弧與堆焊表面的接觸面積相應增大，進而導致熱輸入增加；同時，在一定范圍內，粗糙度值越大，陷光效應越強，多重反射越明顯，從而基體吸收熱量增加，熱輸入提高，稀釋率相應增大。陷光效應對熱輸入的影響在電弧接觸到待堆焊表面的瞬間可能會表現得更為明顯，因為此時焊絲未及時填充熔池，電弧直射待堆焊表面，陷光效應較強。待焊絲填充之后，電弧能量主要用于融化焊材，且此時電弧直射熔池，基體材料幾乎不融化，從而對稀釋率的影響亦相應減小，這也是堆焊速率降低導致稀釋率減小的原因。故電弧與母材接觸瞬間對熱輸入和稀釋率的影響尤為重要。此外，電弧所產生的高溫輻射還可能對靠近電弧的待堆焊表面進行加熱。當表面粗糙度值較大時，待堆焊表面接觸到高溫輻射的面積相應增加，母材溫度升高，從而在堆焊過程中更易融化，進而影響堆焊層的組織和性能。

圖2 不同粗糙度值對堆焊稀釋率的作用機制模型 (a)大表面粗糙度值；(b)小表面粗糙度值Fig.2 Functionary mechanism of different roughnesses on cladding dilution ratio (a)roughness of large surface；(b)roughness of small surface

針對電弧堆焊的特點，還可能存在的影響機制為表面粗糙度值的變化對堆焊電弧等離子體熱力學溫度以及等離子體內部電子密度分布產生一定影響，尤其是電弧下層(靠近基體區)熱力學溫度以及電子密度分布，其對堆焊熱輸入會產生直接影響。故在研究堆焊熱輸入時應綜合考慮堆焊過程中各方面影響因素，如母材表面性狀，而不僅僅針對堆焊電流、電壓和堆焊速率等。

2.2 堆焊層鐵元素分布

研究表明，Fe元素含量對堆焊層耐腐蝕性有很大影響[5-7]。取不同粗糙度值的樣件針對Fe元素的含量進行對比分析。在垂直于堆焊方向的橫截面內沿熔合線垂線的EDS點掃描位置如圖3所示，掃描結果如圖4所示。

圖3 堆焊層掃描位置Fig.3 EDS spot analysis positions of cladding layer

圖4 鐵元素含量分析結果Fig.4 Analysis results of Fe content

由圖3可以看出，基體與堆焊層之間形成良好的冶金結合，無夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。由圖4可以看出，堆焊過程中，基體的鐵元素隨著融化過程進入熔池，在電弧攪拌力的作用下與堆焊材料充分融合，使得堆焊層的鐵元素含量最大可達34%，遠大于原焊材中5%的鐵元素含量。

隨著堆焊表面粗糙度值的變化，堆焊層中鐵元素含量也相應地變化，整體呈現正相關。同時發現，鐵元素隨著基體表面粗糙度值的增大而愈發均勻。這是由于表面粗糙度值的增大導致堆焊熱輸入增加，使得基體融化量增多，結晶凝固時間延長，利于來自基體的鐵元素在熔池中充分混合。

當粗糙度為0.4μm時，鐵元素的含量有一個相對較大的變化，初步判斷這種現象亦與研磨所產生的表面硬度相關，隨著基體表面硬度升高，堆焊稀釋率進一步降低，從而使得堆焊層中鐵元素的含量有相對較大程度的減少。

2.3 堆焊層微觀組織

取不同基體粗糙度值下,堆焊層熱影響區的顯微組織結構如圖5所示。

由圖5可以看出，所取堆焊層樣件皆為垂直于界面定向生長的柱狀晶組織，經退火處理后，焊縫金屬主要由鐵素體和塊狀分布的珠光體組成，如圖3所示，黑色為鐵素體組織，白色為珠光體組織。同時，隨著基體表面粗糙度值的降低，堆焊層的柱狀晶組織更加細小均勻。這是因為基體表面粗糙度的降低，使得堆焊過程的熱輸入和溫度梯度相應減少，熔池中的液態金屬凝固時間縮短，熔池結晶速率加快，進而得到的組織更加細小，分布更加均勻，綜合性能更好。

2.4 堆焊層耐腐蝕性分析

由2.2節可知，堆焊層中元素分布比較均勻，故其內部耐腐蝕性能差異較小。用線切割設備截取堆焊層部分，制成15mm×15mm×2mm的堆焊層腐蝕試樣。每組粗糙度值選用3個試樣，組內求得的腐蝕速率平均值為試樣的最終腐蝕速率。

腐蝕速率υ的計算公式[21]為：

(3)

式中：τ為失重,g；A為試樣表面積，m2；t為實驗時間，h。

圖5 不同粗糙度值時熱影響區微觀組織 (a)Ra=12.5μm;(b)Ra=3.2μm;(c)Ra=0.8μm;(d)Ra =0.4μmFig.5 Microstructures of HAZ under different roughnesses (a)Ra=12.5μm;(b)Ra=3.2μm;(c)Ra=0.8μm;(d)Ra=0.4μm

不同基體粗糙度值下獲得的堆焊層試樣的腐蝕速率如圖6所示。

圖6 不同粗糙度值下堆焊層的腐蝕速率Fig.6 Corrosion rates of overlay cladding layer under different roughnesses

由圖6可以看出，橫向上，所有樣件的腐蝕速率都呈現一個相同的趨勢，即剛開始時腐蝕速率較快，隨后逐步變緩趨于一個穩定值。這是由于在腐蝕初期，焊接后的樣件表面存在一定的粗糙度，使得樣件與腐蝕液的實際接觸面積變大，因而腐蝕速率較大。隨著腐蝕過程的進行，樣件表面在類似腐蝕拋光的作用下趨于光滑，腐蝕速率也隨之變緩，最終趨于一個穩定值。

同時，在縱向上，基體表面粗糙度值越小的堆焊樣件，其腐蝕速率整體呈現減小趨勢。這是由于基體表面粗糙度值的減小使得熱輸入相應減少，進而稀釋率降低，從而焊縫金屬中來自基體的鐵元素相應減少，樣件耐腐蝕性能增強，腐蝕速率相應降低。當表面粗糙度為0.4μm時，堆焊層耐腐蝕性能提高32%。

3 結論

(1)應用熱絲TIG堆焊工藝可以在AISI8630基體表面獲得與基體結合良好的堆焊層；當基體粗糙度值減少時，焊接過程的陷光效應相應減弱，堆焊熱輸入隨之減少，稀釋率也相應減少，但當粗糙度值小于0.8μm時，減小趨勢不明顯。

(2)堆焊層中鐵元素含量最大可達34%，且隨著基體表面粗糙度值的減小而相應降低；基體表面粗糙度越大，鐵元素在堆焊層中的分布越均勻；當采用研磨法獲得粗糙度為0.4μm的基體表面時，堆焊層中鐵元素含量降低幅度可達25%。初步判斷與研磨過程產生的顯微硬度有關。

(3)堆焊層熱影響區處的顯微組織為垂直于界面生長的柱狀晶組織；且隨著基體表面粗糙度值的減小，堆焊層的柱狀晶組織變得更加細小均勻，綜合性能更好。

(4)樣件的腐蝕速率表現為初期較快，中期有所下降，后期變緩趨穩的一個規律。同時隨著基體表面粗糙度值的減小，其腐蝕速率整體呈現減小趨勢，當基體粗糙度值由12.5μm減小到0.4μm時，堆焊層耐腐蝕性能提高32%。