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纯镍直缝焊管PAW+TIG焊接接头组织和性能分析

纯镍直缝焊管PAW+TIG焊接接头组织和性能分析

来源:浙江至德钢业有限公司发布:2020-05-12 21:26:12类别:不锈钢焊管

镍管PAW焊接过程中,焊接接头极易出现咬边、气孔以及熔池金属下沉等焊接缺陷,严重影响了镍管焊接接头的表面成形以及使用性能,基于此本章提出对板厚为3.5mm纯镍直缝焊管采用PAW+TIG焊接,分析了接头组织和性能,并对比分析两种不同焊接方法下纯镍直缝管焊接接头组织和性能。

镍管PAW+TIG焊接接头宏观形貌分析

纯镍直缝焊管PAW+TIG焊接接头宏观形貌如图4.1所示。可以看出,PAW+TIG焊实现了镍管焊接接头单面焊双面成形,如图4.1(a)所示;PAW+TIG接头相对于PAW焊接接头,焊缝成形更加美观,完全消除了PAW焊接接头咬边、熔池金属下沉等焊接缺陷,如图4.1(b)所示,分析以上原因:镍管焊缝首先受到等离子弧的加热发生熔化,导致焊缝产生了咬边、熔池金属下沉缺陷;伴随着镍管的继续向前运动,当焊缝再次受到TIG电弧作用时,TIG电弧对焊缝的二次加热作用引起接头发生二次熔化;由于TIG电弧能量密度相对分散,扩大了熔池面积,焊缝周围熔化的金属重新填充了凹陷的焊缝,消除了焊接接头咬边、凹陷缺陷,最终获得成形美观、均匀的鱼鳞纹状表面形貌;与此同时,焊缝受到TIG电弧的二次加热,延长了液态熔池的高温停留时间,使得未及时溢出的气体伴随着熔池金属的二次流动重新溢出,消除了焊缝中的气孔缺陷,如图4.1(c)

镍管PAW+TIG焊接接头显微组织分析

镍管PAW+TIG焊接接头各区域显微组织如图4.2所示。可以看出,母材区为均匀细小的奥氏体等轴晶组织,PAW+TIG焊缝区域晶粒在TIG电弧的二次加热作用下形成了更为粗大的柱状晶组织,由第三章中平均晶粒尺寸公式(3-1)可得,焊缝区平均晶粒尺寸为547.32μm,热影响区形成了粗大的等轴晶组织,平均晶粒尺寸为103.75μm。研究PAW焊与PAW+TIG焊两种焊接接头各区域显微组织可以看出,PAW+TIG接头各区域显微组织较PAW焊各区域组织均出现了长大现象,分析以上原因:PAW+TIG焊接是在等离子焊枪后一定距离增加了一把TIG焊枪,因此,PAW+TIG焊接接头首先受到了等离子弧的加热,随着镍管的向前运动,当焊缝到达TIG焊接区域时,此时已经受到等离子弧加热的接头再次受到TIG焊接电弧的二次加热发生二次熔化,由于纯镍N6为单相奥氏体组织,在加热以及冷却过程中均不发生相变,在熔池金属的加热过程导致晶粒长大,而在随后的熔池金属冷却凝固过程中不会因为相变引起的重结晶而细化晶粒,因此接头受到TIG电弧的二次加热后部分晶粒发生再结晶,晶界的迁移速率得到快速提高,部分粗大晶粒重新以自身为核心不断吞并着周围的小晶粒发生长大,因此PAW+TIG焊接接头各区域晶粒较PAW焊接接头均有长大现象。

镍管PAW+TIG焊缝XRD分析

由镍管PAW焊接接头XRD物相组成分析可知,镍管PAW焊缝中没有新的物相生成,与母材完全一致,因此有必要对PAW+TIG焊缝物相组成进行分析,探究两种不同焊接接头物相组成特点。

PAW+TIG焊缝的XRD衍射图谱如图4.3所示。从衍射图谱上来看,PAW+TIG焊缝的物相组成与PAW焊缝物相组成相同,均与母材相同,没有新的物相生成,均只存在γ(Ni)

镍管PAW+TIG焊接接头力学性能分析

焊接接头拉伸试验结果与分析

4.4为镍管焊接接头拉伸试样断裂宏观形貌,可以看出镍管PAW+TIG焊接接头断裂位置位于焊缝,表明焊缝强度低于母材。表4.1为接头拉伸断裂后抗拉强度和延伸率测试结果,镍管PAW+TIG接头抗拉强度为321MPa,达到母材的85.60%

结合第三章研究结果表明,PAW焊接接头与PAW+TIG焊接接头抗拉强度均低于母材且PAW+TIG焊接接头抗拉强度较PAW接头有所降低。纯镍N6母材为均匀细小的等轴晶组织,因此抗拉强度最大,而PAW+TIG焊接接头由于受到TIG电弧的二次加热,导致焊缝区域组织发生二次长大,较PAW焊缝区组织出现粗化现象,引起抗拉强度降低。可以看出,PAW+TIG焊接接头抗拉强度仍能达到母材的85%以上,完全满足了镍管的接头力学性能要求,与此同时可以消除PAW焊接接头咬边、熔池金属下沉以及气孔等焊接缺陷,可以显著提高接头的使用性能以及成材率。

焊接接头拉伸断口分析

4.5PAW+TIG焊接接头拉伸断口微观形貌,断口中存在大小不同的剪切韧窝,大韧窝周围存在着一定数量尺寸不一的小韧窝,为韧性断裂。首先焊接接头在拉应力的作用下发生不均匀塑性变形导致材料的内部形成尺寸很小的显微空洞,在拉应力的持续作用下,材料不断发生变形,显微空洞不断长大与之前形成的显微空穴发生联接,形成尺寸不一的韧窝,最终导致接头的断裂。

焊接接头冲击试验结果分析

镍管PAW+TIG焊缝及母材冲击试验结果见表4.2所示,试验结果表明,母材平均冲击功达到141.6JPAW+TIG焊缝平均冲击功为87.2J,达到母材的61.58%

结合第三章对PAW焊缝冲击试验研究结果表明,PAW+TIG焊缝冲击功低于PAW焊缝,分析以上原因可知:由图3.3(b)4.2(b)可以看出,PAW+TIG焊接接头由于受到TIG电弧的二次加热,引起PAW+TIG焊缝区晶粒发生二次长大现象,较PAW焊缝区域组织出现长大现象,因此焊缝冲击功较PAW焊缝有所降低。

焊管焊接接头冲击断口分析

PAW+TIG焊缝冲击断口微观形貌如图4.6所示,断口中分布着尺寸不一的韧窝,韧窝底部有―涟波‖滑移痕迹;PAW+TIG焊缝断口中韧窝数量和深度较PAW焊缝均有所降低,但是韧窝尺寸较大且形状发生了更大的变形,呈现更为明显的拉长的抛物线形状,因此冲击功较PAW焊接并没有发生显著的降低,仍具有良好的韧性。

PAW+TIG焊缝冲击断口韧窝底部夹杂物进行EDS分析结果如表4.3所示,可以看出断口中夹杂物主要由COSiFe等元素形成的化合物。这些化合物与基体结合的牢固程度和变形能力存在很大的差异,所以塑性变形中将会沿着这些颗粒边界形成微小裂纹的核心,在应力的持续作用下,这些微小的裂纹会不断长大形成新的显微空穴,伴随着塑性变形的持续增加,这些显微空穴会相互连接在一起且显微空穴之间的连接部分会不断变薄,最终导致断裂,这些CFeSi等元素形成的夹杂物,就是接头断裂的裂纹源发源地。

本章小节

1)通过对镍管PAW+TIG焊接接头宏观形貌分析可知,PAW+TIG焊接实现纯镍直缝焊管单面焊双面成形的同时,有效避免了焊接接头咬边、凹陷、气孔等缺陷,获得了成形均匀、美观的鱼鳞纹状焊缝表面形貌。

2)纯镍直缝焊管PAW+TIG焊接接头各区域由于受到TIG电弧的二次加热作用,引起焊接接头组织较PAW焊接接头组织出现长大现象,热影响区为等轴晶组织,平均晶粒尺寸为103.75μm;焊缝区域晶粒形成了柱状晶组织,平均晶粒尺寸为547.32μm

3)镍管PAW+TIG焊接接头XRD物相组成分析表明,焊缝中的相组成与PAW焊缝物相组成相同,均为γ(Ni),没有新的物相生成。

4PAW+TIG焊接接头力学性能测试结果表明,焊接接头断裂位置位于焊缝,抗拉强度达到母材的85.60%,延伸率低于母材,断裂方式表现为韧性断裂;焊缝冲击功为母材的61.58%,焊缝冲击断口中分布着数量和形状不同的撕裂韧窝,为韧性断裂。

5TIG电弧对接头的二次加热作用对焊缝具有重熔和热处理作用,PAW+TIG焊接较PAW焊可以显著降低镍管焊缝的轴向残余应力σx以及周向残余应力σy

6PAW+TIG接头较PAW焊接接头力学性能虽有所降低,但是抗拉强度以及冲击功均能达到母材的85.60%以及61.58%,仍能满足镍管接头力学性能要求;与此同时,PAW+TIG焊接有效避免了PAW接头咬边、气孔等缺陷,获得了成形均匀、美观的鱼鳞纹状焊缝表面形貌,成材率显著提高;PAW+TIG焊较PAW焊可以显著降低镍管焊缝的残余应力,是纯镍N6直缝焊管焊接的理想方法。

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