復雜曲面堆焊Inconel625/925A焊接工藝與分析

段江麗，劉 禹

(中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450001)

Inconel625合金是以鉬、鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，具有優良的耐腐蝕和抗氧化性能，已被廣泛用于航空航天、海洋、化學和核工業等領域[1]。

925A是一種高強度專用鋼，抗拉強度、屈服強度均較高，是船舶裝備中較常用的一種高強度鋼，既有高強度和抗腐蝕性，還有優良的韌性、抗疲勞性及穩定性[2]。隨著鋼的強度級別要求越來越高，其碳含量和合金元素增加，使得焊接變得困難，在使用性能方面受焊接熱循環作用下發生脆化、軟化的傾向更加明顯，這些都是925A鋼堆焊焊接時需要考慮的情況。

相對于一般的碳鋼及合金鋼，鎳合金焊材的焊接工藝性能較差，對熱裂紋敏感性較高，容易產生裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。某產品筒體為925A材質，其內環面為帶有凹槽的復雜表面，內環面堆焊Inconel625合金時，凹槽處尤其容易產生未熔合現象，層間也易出現熔合不良的情況。

堆焊件內部質量的檢驗只能通過破壞性試驗進行，如切開焊件并取樣進行彎曲試驗、金相觀察等，而無法通過射線檢測、超聲檢測對其內部是否存在未熔合、裂紋等缺陷進行無損檢查。故采用可靠性高、焊接效果優良的焊接方法與工藝，對產品的質量而言十分重要。

本文采用熱絲脈沖TIG的焊接方法，在925A材質的帶凹槽表面堆焊Inconel625合金，在凹角及平面處均獲得了平坦、連續、無缺陷的堆焊層，焊后對堆焊接頭消應力熱處理，通過彎曲試驗、硬度試驗、金相試驗、點腐蝕試驗及化學成分測量，對堆焊接頭及堆焊層性能進行了分析。

1 試驗材料和方法

1.1 焊接方法

對于堆焊增材，選定合適的堆焊方法及相應的堆焊工藝至關重要。傳統的堆焊方法主要是SMAW，當堆焊量大時也會適當采用MIG，采用這些工藝時，鎳合金堆焊容易產生未熔合、裂紋、氣孔，且存在焊接速度低、殘余應力與變形大、母材稀釋率高、效率低等缺點。當焊接表面為復雜曲面時，這些問題更為突出。

TIG不存在電極熔化對弧長的影響，電弧穩定、保護效果好、飛濺少，容易獲得組織致密、性能優越的堆焊層[3]，且焊接電流獨立于送絲控制，靈活性高，可以更好地控制焊縫成形，非常適合焊接鎳基合金等易于氧化、對熱裂紋敏感性較高的材料的堆焊[4]。

熱絲脈沖TIG是近年發展起來的更為先進的工藝，具有母材稀釋率低、熱影響區小、殘余應力與變形小、電弧穩定、焊接缺陷少等優點[5]。

1.2 堆焊試件制備

基材為厚度20 mm的925A鍛件，供貨狀態為調質。試驗模擬產品筒體內壁凹槽形式進行焊接試驗，925A板上帶有凹槽(見圖1)。焊接前待堆焊面銑削加工，倒角R2 mm，表面粗糙度Ra3.2 μm。

圖1 堆焊焊接工藝評定試板形式(單位為mm)

所用焊絲型號為ERNiCrMo-3，焊絲直徑為1.0 mm，焊絲主要化學成分見表1。

表1 Inconel625堆焊焊絲主要成分(質量分數) (%)

焊絲中的雜質元素S、P、Si等含量極低。由于焊絲的夾雜及其表面的臟物、油污和拉絲潤滑劑可能成為焊接污染源，且焊絲的表面積和體積比率大，故焊前應保證焊絲清潔。

帶凹槽的試板焊接工藝參數見表2。焊前應進行預熱，預熱溫度為100～150 ℃，層間溫度不高于150 ℃，焊后覆蓋緩冷。焊道間重合率約為50%，堆3層，厚度約為6 mm，部分堆焊4層時厚度約為8 mm。焊后保溫棉覆蓋冷卻至室溫，基材焊后表面因受熱氧化而變成了金黃色、藍色，所得堆焊層表面較平整(見圖2)。

表2 帶凹槽試板焊接試驗工藝參數

圖2 Inconel625/925A堆焊外觀形貌

1.3 熱處理

試件焊后按產品要求進行550 ℃、保溫4 h的消應力熱處理。

1.4 性能測試

對堆焊層進行滲透檢測，試件堆焊層表面符合NB/T 47013.5—2015標準I級要求，未發現缺陷。取樣加工并進行彎曲、硬度、金相、點腐蝕試驗及化學成分測量。取4個彎曲試樣在電液伺服彎曲試驗機BHT5160上進行試驗。取硬度試樣用全自動維氏硬度試驗機KB30SR-FA進行硬度試驗，硬度試驗位置如圖3所示。

圖3 硬度試驗位置示意圖

取金相試樣對堆焊件的截面進行打磨，浸蝕劑為硝酸酒精溶液、王水，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡和EPSON PERFECTION 2480 PHOTO掃描儀，進行焊縫低倍組織宏觀觀察和微觀金相組織觀察。取堆焊層2 mm和3 mm厚度處的樣屑，采用Agilent 5110SVDV電感耦合等離子發射光譜儀，按ASTM E2594—2020標準測定樣屑的化學成分。取堆焊層上金屬塊試樣，對堆焊層2 mm和3 mm處的點腐蝕性能進行測試。每個點腐蝕樣塊經打磨拋光后尺寸約為2 mm×20 mm×50 mm，對試樣打號，用酒精除油，并用去離子水洗凈后晾干，測量尺寸并稱重。將試塊放入配制好的6%的FeCl3溶液中，容面比為22 mL/cm2，恒溫(50±1)℃保持72 h后取出試樣。用去離子水沖洗取出的試樣，在流水下用尼龍軟毛刷擦洗，以便去除腐蝕產物，在酒精中浸泡并干燥、稱重。計算其平均腐蝕速率并用20×放大鏡觀察試樣表面，對腐蝕后的試樣進行觀察，其腐蝕速率為

式中，v是腐蝕速率，單位為g/(m2·h)；Wa、Wb是試驗前、后試樣的質量，單位為g；S是試樣面積，單位為m2；t是時間，單位為h。

2 結果與分析

2.1 彎曲試驗

對4個彎曲試樣進行試驗，彎芯直徑為50 mm，彎曲角度為180°。基材與堆焊層間熔合良好無開裂，且堆焊層之間熔合良好無開裂結，彎曲試驗均合格，且完全滿足產品設計“堆焊層與基材之間熔合良好”的要求。堆焊試樣彎曲效果如圖4所示。

圖4 堆焊試樣彎曲形貌

2.2 硬度試驗

試樣不同區域維氏硬度測試結果見表3，其中序號1、2、3為基材925A側，序號4、5、6為熱影響區位置，序號7、8、9為堆焊層位置。結果表明，堆焊試樣硬度HV10最高值均分布在焊接熱影響區，最高值在無凹槽試樣的925A側的熱影響區。堆焊層硬度比較穩定，且靠近母材部分的硬度稍高，這應與基材的碳元素擴散至堆焊層使其強化相關[6]。925A硬度值符合計算要求與相關標準的要求。

表3 帶凹槽試板試驗結果(硬度試驗)

2.3 金相觀察

對堆焊層橫截面進行金相觀察(見圖5)。可以看出，堆焊層為致密的組織，且無未熔合，無裂紋、氣孔、固體夾雜、孔穴以及其他缺陷。堆焊層與基體之間熔合良好，熔合線無明顯起伏，基本為一條平直的線條，熱影響區均勻且窄，相鄰焊道的搭接邊界均較清晰，堆焊層中的Cr、Ni、Mo、Fe全部固溶在奧氏體的Ni的枝晶中，形成唯一的枝晶狀奧氏體組織。925A基材均為回火索氏體組織，925A熱影響區晶粒相對粗大，為貝氏體組織，這也是925A熱影響區硬度較高的原因。

a)堆焊層金相組織(500×)

2.4 化學成分分析

從物理本質看，堆焊的熱過程、冶金過程，以及堆焊金屬的凝固結晶和相變過程與普通熔焊工藝是相同的。堆焊時，熔敷金屬因母材的熔入而被稀釋，這給堆焊層的性能帶來了重要影響。基材925A鋼的稀釋對Inconel625合金堆焊層的影響是不利的，堆焊層中只要不存在裂紋、氣孔等其他缺陷，稀釋率的高低直接影響堆焊層的性能，從而影響相關部件的使用效果及使用壽命，因此降低稀釋率是控制堆焊質量的關鍵指標[7]。

Fe是耐腐蝕性能的表征元素，高含量會引起耐腐蝕性的嚴重退化[8]。測得堆焊層2 mm處的Fe含量為2.87%，堆焊層3 mm處的Fe含量為1.66%，含量均較低。

2.5 點腐蝕試驗

根據試樣失重數據及尺寸，計算試樣的腐蝕速率，計算結果見表4，其中D21、D22、D23為堆焊層2 mm處試樣，D31、D32、D33為堆焊層3 mm處試樣。由表4可知，試樣有微弱增重，腐蝕速率僅供參考。用20×放大鏡觀察試樣表面，對腐蝕后的試樣進行觀察，各試樣腐蝕試驗前、后的表面形貌如圖6所示，由圖6可以看出，經腐蝕試驗后，各試樣的表面均呈紫色，但均沒有明顯的腐蝕痕跡，表現出了較高的耐點腐蝕性。

表4 腐蝕試驗后失重數據及腐蝕速率(帶凹槽試驗)

a)D21、D22、D23試驗前表面

3 效果驗證

采用與焊接工藝評定試驗相同焊接工藝對產品的筒體內壁進行堆焊，此筒體內壁為帶有凹槽的復雜曲面。筒體預熱后豎直放置，焊槍找正位置，關閉送絲開關，點擊開始鍵，使焊槍模擬焊接軌跡運行一段距離確認無誤后停止，然后進行正式的焊接。每一層焊接完成后，用手持放大鏡對焊縫表面進行目視檢測，未發現裂紋等缺陷，筒體堆焊效果如圖7所示。

圖7 帶有凹槽的筒體內環面焊接效果圖

4 結語

對于帶凹槽的925A高強度鋼的復雜表面進行Inconel625合金堆焊，采用熱絲TIG工藝焊接，獲得了平坦的表面質量優良的堆焊層，經焊后消應熱處理后，通過對堆焊接頭進行彎曲試驗、硬度檢測，并對堆焊層金相組織分析、化學成分測量及點腐蝕試驗，得出如下結論。

1)堆焊層與帶凹槽的925A高強度鋼的復雜表面間熔合良好，彎曲試樣的堆焊層與基材、堆焊層之間均無開裂，解決了生產中的技術難題。

2)基材925A側的熱影響區較窄，堆焊試樣硬度HV10最高值均分布在焊接熱影響區，為279～338 HV10，但均滿足相關標準中“<450 HV10”的要求。925A側的熱影響區為貝氏體組織，這也是熱影響區硬度偏高的原因。

3)堆焊層與基體之間形成良好的冶金熔合，熔合線無明顯起伏，相鄰焊道的搭接邊界均較清晰，堆焊層中為枝晶狀奧氏體組織。

4)堆焊層2 mm處的Fe含量為2.87%，堆焊層3 mm處的Fe含量為1.66%，含量均較低。

5)焊后550 ℃、保溫4 h的消應力熱處理，并未對堆焊層的腐蝕性能產生明顯的不良影響，堆焊層2 mm和3 mm處的耐腐蝕性能優良，能滿足產品耐腐蝕的要求。