复杂曲面堆焊Inconel625/925A焊接工艺与分析

段江丽，刘 禹

(中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南 郑州 450001)

Inconel625合金是以钼、铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，已被广泛用于航空航天、海洋、化学和核工业等领域[1]。

925A是一种高强度专用钢，抗拉强度、屈服强度均较高，是船舶装备中较常用的一种高强度钢，既有高强度和抗腐蚀性，还有优良的韧性、抗疲劳性及稳定性[2]。随着钢的强度级别要求越来越高，其碳含量和合金元素增加，使得焊接变得困难，在使用性能方面受焊接热循环作用下发生脆化、软化的倾向更加明显，这些都是925A钢堆焊焊接时需要考虑的情况。

相对于一般的碳钢及合金钢，镍合金焊材的焊接工艺性能较差，对热裂纹敏感性较高，容易产生裂纹、未熔合、气孔等缺陷。某产品筒体为925A材质，其内环面为带有凹槽的复杂表面，内环面堆焊Inconel625合金时，凹槽处尤其容易产生未熔合现象，层间也易出现熔合不良的情况。

堆焊件内部质量的检验只能通过破坏性试验进行，如切开焊件并取样进行弯曲试验、金相观察等，而无法通过射线检测、超声检测对其内部是否存在未熔合、裂纹等缺陷进行无损检查。故采用可靠性高、焊接效果优良的焊接方法与工艺，对产品的质量而言十分重要。

本文采用热丝脉冲TIG的焊接方法，在925A材质的带凹槽表面堆焊Inconel625合金，在凹角及平面处均获得了平坦、连续、无缺陷的堆焊层，焊后对堆焊接头消应力热处理，通过弯曲试验、硬度试验、金相试验、点腐蚀试验及化学成分测量，对堆焊接头及堆焊层性能进行了分析。

1 试验材料和方法

1.1 焊接方法

对于堆焊增材，选定合适的堆焊方法及相应的堆焊工艺至关重要。传统的堆焊方法主要是SMAW，当堆焊量大时也会适当采用MIG，采用这些工艺时，镍合金堆焊容易产生未熔合、裂纹、气孔，且存在焊接速度低、残余应力与变形大、母材稀释率高、效率低等缺点。当焊接表面为复杂曲面时，这些问题更为突出。

TIG不存在电极熔化对弧长的影响，电弧稳定、保护效果好、飞溅少，容易获得组织致密、性能优越的堆焊层[3]，且焊接电流独立于送丝控制，灵活性高，可以更好地控制焊缝成形，非常适合焊接镍基合金等易于氧化、对热裂纹敏感性较高的材料的堆焊[4]。

热丝脉冲TIG是近年发展起来的更为先进的工艺，具有母材稀释率低、热影响区小、残余应力与变形小、电弧稳定、焊接缺陷少等优点[5]。

1.2 堆焊试件制备

基材为厚度20 mm的925A锻件，供货状态为调质。试验模拟产品筒体内壁凹槽形式进行焊接试验，925A板上带有凹槽(见图1)。焊接前待堆焊面铣削加工，倒角R2 mm，表面粗糙度Ra3.2 μm。

图1 堆焊焊接工艺评定试板形式(单位为mm)

所用焊丝型号为ERNiCrMo-3，焊丝直径为1.0 mm，焊丝主要化学成分见表1。

表1 Inconel625堆焊焊丝主要成分(质量分数) (%)

焊丝中的杂质元素S、P、Si等含量极低。由于焊丝的夹杂及其表面的脏物、油污和拉丝润滑剂可能成为焊接污染源，且焊丝的表面积和体积比率大，故焊前应保证焊丝清洁。

带凹槽的试板焊接工艺参数见表2。焊前应进行预热，预热温度为100～150 ℃，层间温度不高于150 ℃，焊后覆盖缓冷。焊道间重合率约为50%，堆3层，厚度约为6 mm，部分堆焊4层时厚度约为8 mm。焊后保温棉覆盖冷却至室温，基材焊后表面因受热氧化而变成了金黄色、蓝色，所得堆焊层表面较平整(见图2)。

表2 带凹槽试板焊接试验工艺参数

图2 Inconel625/925A堆焊外观形貌

1.3 热处理

试件焊后按产品要求进行550 ℃、保温4 h的消应力热处理。

1.4 性能测试

对堆焊层进行渗透检测，试件堆焊层表面符合NB/T 47013.5—2015标准I级要求，未发现缺陷。取样加工并进行弯曲、硬度、金相、点腐蚀试验及化学成分测量。取4个弯曲试样在电液伺服弯曲试验机BHT5160上进行试验。取硬度试样用全自动维氏硬度试验机KB30SR-FA进行硬度试验，硬度试验位置如图3所示。

图3 硬度试验位置示意图

取金相试样对堆焊件的截面进行打磨，浸蚀剂为硝酸酒精溶液、王水，采用OLYMPUS GX71金相显微镜和EPSON PERFECTION 2480 PHOTO扫描仪，进行焊缝低倍组织宏观观察和微观金相组织观察。取堆焊层2 mm和3 mm厚度处的样屑，采用Agilent 5110SVDV电感耦合等离子发射光谱仪，按ASTM E2594—2020标准测定样屑的化学成分。取堆焊层上金属块试样，对堆焊层2 mm和3 mm处的点腐蚀性能进行测试。每个点腐蚀样块经打磨抛光后尺寸约为2 mm×20 mm×50 mm，对试样打号，用酒精除油，并用去离子水洗净后晾干，测量尺寸并称重。将试块放入配制好的6%的FeCl3溶液中，容面比为22 mL/cm2，恒温(50±1)℃保持72 h后取出试样。用去离子水冲洗取出的试样，在流水下用尼龙软毛刷擦洗，以便去除腐蚀产物，在酒精中浸泡并干燥、称重。计算其平均腐蚀速率并用20×放大镜观察试样表面，对腐蚀后的试样进行观察，其腐蚀速率为

式中，v是腐蚀速率，单位为g/(m2·h)；Wa、Wb是试验前、后试样的质量，单位为g；S是试样面积，单位为m2；t是时间，单位为h。

2 结果与分析

2.1 弯曲试验

对4个弯曲试样进行试验，弯芯直径为50 mm，弯曲角度为180°。基材与堆焊层间熔合良好无开裂，且堆焊层之间熔合良好无开裂结，弯曲试验均合格，且完全满足产品设计“堆焊层与基材之间熔合良好”的要求。堆焊试样弯曲效果如图4所示。

图4 堆焊试样弯曲形貌

2.2 硬度试验

试样不同区域维氏硬度测试结果见表3，其中序号1、2、3为基材925A侧，序号4、5、6为热影响区位置，序号7、8、9为堆焊层位置。结果表明，堆焊试样硬度HV10最高值均分布在焊接热影响区，最高值在无凹槽试样的925A侧的热影响区。堆焊层硬度比较稳定，且靠近母材部分的硬度稍高，这应与基材的碳元素扩散至堆焊层使其强化相关[6]。925A硬度值符合计算要求与相关标准的要求。

表3 带凹槽试板试验结果(硬度试验)

2.3 金相观察

对堆焊层横截面进行金相观察(见图5)。可以看出，堆焊层为致密的组织，且无未熔合，无裂纹、气孔、固体夹杂、孔穴以及其他缺陷。堆焊层与基体之间熔合良好，熔合线无明显起伏，基本为一条平直的线条，热影响区均匀且窄，相邻焊道的搭接边界均较清晰，堆焊层中的Cr、Ni、Mo、Fe全部固溶在奥氏体的Ni的枝晶中，形成唯一的枝晶状奥氏体组织。925A基材均为回火索氏体组织，925A热影响区晶粒相对粗大，为贝氏体组织，这也是925A热影响区硬度较高的原因。

a)堆焊层金相组织(500×)

2.4 化学成分分析

从物理本质看，堆焊的热过程、冶金过程，以及堆焊金属的凝固结晶和相变过程与普通熔焊工艺是相同的。堆焊时，熔敷金属因母材的熔入而被稀释，这给堆焊层的性能带来了重要影响。基材925A钢的稀释对Inconel625合金堆焊层的影响是不利的，堆焊层中只要不存在裂纹、气孔等其他缺陷，稀释率的高低直接影响堆焊层的性能，从而影响相关部件的使用效果及使用寿命，因此降低稀释率是控制堆焊质量的关键指标[7]。

Fe是耐腐蚀性能的表征元素，高含量会引起耐腐蚀性的严重退化[8]。测得堆焊层2 mm处的Fe含量为2.87%，堆焊层3 mm处的Fe含量为1.66%，含量均较低。

2.5 点腐蚀试验

根据试样失重数据及尺寸，计算试样的腐蚀速率，计算结果见表4，其中D21、D22、D23为堆焊层2 mm处试样，D31、D32、D33为堆焊层3 mm处试样。由表4可知，试样有微弱增重，腐蚀速率仅供参考。用20×放大镜观察试样表面，对腐蚀后的试样进行观察，各试样腐蚀试验前、后的表面形貌如图6所示，由图6可以看出，经腐蚀试验后，各试样的表面均呈紫色，但均没有明显的腐蚀痕迹，表现出了较高的耐点腐蚀性。

表4 腐蚀试验后失重数据及腐蚀速率(带凹槽试验)

a)D21、D22、D23试验前表面

3 效果验证

采用与焊接工艺评定试验相同焊接工艺对产品的筒体内壁进行堆焊，此筒体内壁为带有凹槽的复杂曲面。筒体预热后竖直放置，焊枪找正位置，关闭送丝开关，点击开始键，使焊枪模拟焊接轨迹运行一段距离确认无误后停止，然后进行正式的焊接。每一层焊接完成后，用手持放大镜对焊缝表面进行目视检测，未发现裂纹等缺陷，筒体堆焊效果如图7所示。

图7 带有凹槽的筒体内环面焊接效果图

4 结语

对于带凹槽的925A高强度钢的复杂表面进行Inconel625合金堆焊，采用热丝TIG工艺焊接，获得了平坦的表面质量优良的堆焊层，经焊后消应热处理后，通过对堆焊接头进行弯曲试验、硬度检测，并对堆焊层金相组织分析、化学成分测量及点腐蚀试验，得出如下结论。

1)堆焊层与带凹槽的925A高强度钢的复杂表面间熔合良好，弯曲试样的堆焊层与基材、堆焊层之间均无开裂，解决了生产中的技术难题。

2)基材925A侧的热影响区较窄，堆焊试样硬度HV10最高值均分布在焊接热影响区，为279～338 HV10，但均满足相关标准中“<450 HV10”的要求。925A侧的热影响区为贝氏体组织，这也是热影响区硬度偏高的原因。

3)堆焊层与基体之间形成良好的冶金熔合，熔合线无明显起伏，相邻焊道的搭接边界均较清晰，堆焊层中为枝晶状奥氏体组织。

4)堆焊层2 mm处的Fe含量为2.87%，堆焊层3 mm处的Fe含量为1.66%，含量均较低。

5)焊后550 ℃、保温4 h的消应力热处理，并未对堆焊层的腐蚀性能产生明显的不良影响，堆焊层2 mm和3 mm处的耐腐蚀性能优良，能满足产品耐腐蚀的要求。