简介概要

碾压形变热处理对纯镍N6焊缝组织与性能的影响

来源期刊：稀有金属2017年第7期

论文作者：柴廷玺王希靖王博士张金银刘骁王江

文章页码：768 - 774

关键词：碾压形变热处理;纯镍焊缝;显微组织;力学性能;

摘要：以纯镍N6焊缝为主要研究对象,采用碾压形变热处理装置对纯镍焊缝进行碾压形变热处理工艺研究,借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计以及静态应变测量系统等手段分析纯镍焊缝的组织、性能。结果表明:碾压形变热处理温度从300℃升高到500℃,焊缝抗拉强度从329.62 MPa升高到335.12 MPa,增长了1.7%,焊缝断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势,400℃时焊缝断后伸长率最高48.44%,比300℃时焊缝断后伸长率增长了5.2%。断后伸长率的增长率高于抗拉强度的增长率,表明碾压形变热处理对提高纯镍焊缝塑性十分有效。碾压形变热处理可细化焊缝晶粒,晶粒度从未经碾压形变热处理时的5.5级升高到平均6.1级;同时有效降低了纯镍焊缝的焊接残余应力,焊缝纵向残余应力σx下降幅度最高达66.86%,横向残余应力σy下降幅度最高达65.87%。综合分析表明碾压形变热处理可以使焊缝组织均匀,细化晶粒、降低焊缝残余应力,对改善焊缝组织,提高焊缝性能有积极作用,能够得到纯镍焊缝的高强度、高塑性的良好匹配。

网络首发时间: 2016-10-13 13:49

稀有金属 2017,41(07),768-774 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15091901

碾压形变热处理对纯镍N6焊缝组织与性能的影响

柴廷玺王希靖王博士张金银刘骁王江

兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室

兰州城市学院培黎机械工程学院

金川集团股份有限公司

摘要：

以纯镍N6焊缝为主要研究对象, 采用碾压形变热处理装置对纯镍焊缝进行碾压形变热处理工艺研究, 借助光学显微镜 (OM) 、扫描电镜 (SEM) 、显微硬度计以及静态应变测量系统等手段分析纯镍焊缝的组织、性能。结果表明:碾压形变热处理温度从300℃升高到500℃, 焊缝抗拉强度从329.62 MPa升高到335.12 MPa, 增长了1.7%, 焊缝断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势, 400℃时焊缝断后伸长率最高48.44%, 比300℃时焊缝断后伸长率增长了5.2%。断后伸长率的增长率高于抗拉强度的增长率, 表明碾压形变热处理对提高纯镍焊缝塑性十分有效。碾压形变热处理可细化焊缝晶粒, 晶粒度从未经碾压形变热处理时的5.5级升高到平均6.1级;同时有效降低了纯镍焊缝的焊接残余应力, 焊缝纵向残余应力σx下降幅度最高达66.86%, 横向残余应力σy下降幅度最高达65.87%。综合分析表明碾压形变热处理可以使焊缝组织均匀, 细化晶粒、降低焊缝残余应力, 对改善焊缝组织, 提高焊缝性能有积极作用, 能够得到纯镍焊缝的高强度、高塑性的良好匹配。

关键词：

碾压形变热处理;纯镍焊缝;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG146.15;TG166.7

作者简介：柴廷玺 (1986-) , 男, 甘肃兰州人, 博士研究生, 研究方向:焊接设备与工艺;E-mail:chaitx@163.com;;王希靖, 教授;电话:13321222432;E-mail:wangxj@lut.cn;

收稿日期：2015-09-19

基金：甘肃省科技支撑计划项目 (1104GKCA051) 资助;

Microstructures and Properties of Welded Joint of Pure Nickel with Thermomechanical Treatment and Roller Compaction

Chai Tingxi Wang Xijing Wang Boshi Zhang Jinyin Liu Xiao Wang Jiang

State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology

Peili School of Mechanical Engineering, Lanzhou City University

Jinchuan Group Co., Ltd.

Abstract：

Pure nickel N6 welds, as the main research objects, were studied for the process of thermomechanical treatment with roller compaction using the thermomechanical treatment with roller compaction device, and the microstructures and properties of welds were investigated with the help of analysis methods such as optical microscopy (OM) , scanning electronic microscopy (SEM) , microhardness tester and static strain measurement system. The results showed that with the rolling temperature increasing from 300 to 500 ℃ the tensile strength of welds increased from 329. 62 to 335. 12 MPa, increasing by 1. 7%. And the fracture elongation of welds showed the trend of first increasing and then decreasing, which reached maximum 48. 44% at 400 ℃, increasing by 5. 2% than that at 300 ℃.The growth rate of the fracture elongation was higher than the tensile strength, which indicated that thermomechanical treatment with roller compaction could improve the plasticity of the welds effectively. The thermomechanical treatment with roller compaction could refine the weld grains with the grain size increasing from 5. 5 grade to 6. 1 grade under the effect of process, and simultaneously reduce the residual stress of the welds with the descent range of the longitudinal residual stress (σx) and the transverse residual stress (σy) , reaching maximum 66. 86% and 65. 87%, respectively. The comprehensive analysis showed that the thermomechanical treatment with roller compaction could make microstructure uniform, refine grain, reduce the residual stress with a positive effect on improving the weld organization and enhancing the weld performances and further obtained the welds with good matching connection between high strength and high plasticity.

Keyword：

thermomechanical treatment with roller compaction; pure nickel weld; microstructure; mechanical properties;

Received： 2015-09-19

镍及镍基合金具有独特的抗高温腐蚀性能、优异的强塑性和良好的冷热成型, 被广泛应用于化工、电子、机械制造、石化、海洋、航空航天等领域, 而且纯镍还可以用于制造电焊条。近年来镍基合金材料应用领域不断扩大, 产量也不断提高^[1,2]。因此, 工业纯镍N6的应用不可避免要涉及到焊接加工。纯镍N6固液相温度区间小, 流动性小, 液态时容易溶解H₂, O₂, CO₂等气体而且电阻率大、热导率低, 纯镍焊接时易形成热裂纹、气孔以及焊接过热导致晶粒迅速长大等缺陷^[3,4], 焊接工艺的特殊性使焊缝这种铸态组织晶粒粗大、析出物增多^[5]。由于纯镍焊接缺陷的存在, 导致纯镍焊缝力学性能发生了改变, 与母材相比, 纯镍N6焊缝的抗拉强度、硬度、韧性、塑性均有所下降, 不仅如此, 经过焊接后焊缝中存在较大焊接残余应力。

研究表明纯镍材料晶粒一旦粗化后, 很难用热处理的方法来改善, 严重影响焊接接头的机械性能和耐蚀性能^[6]。因此试验采用碾压形变热处理对纯镍焊缝进行焊后处理, 碾压形变热处理后研究焊缝的组织及性能, 本研究对提高和改善纯镍焊缝的性能具有一定的实践意义。

1 实验

1.1 材料

试验采用厚度为6 mm的纯镍N6板材进行穿孔等离子焊接, 焊接试板尺寸为200 mm×100 mm×6 mm, 焊接方式是沿试板长度200 mm的方向上对接, 采用I型坡口。N6化学成分、力学性能如表1, 2所示;试验采用PHM-500型等离子弧焊机, 焊接工艺参数见表3。

1.2 方法

分别在300, 400, 500℃的温度下对纯镍焊缝进行碾压形变热处理试验, 试验仅加热焊缝, 加热的同时对焊缝进行碾压, 如图1所示;焊缝区采用中/高频感应加热, 加热温度可调范围200~600℃, 碾压速度3 mm·s^-1;试验前对焊缝表面修磨, 去除表面氧化层, 再用丙酮擦拭去除油污等, 保证碾压后焊缝表面无夹渣存在。将焊完的试板, 放置于碾压轮下, 焊缝放置方向与碾压轮前进方向平行, 通过中频感应器将焊缝加热到不同试验温度 (300, 400, 500℃, 试样编号1, 2, 3) 对焊缝进行碾压形变热处理, 最后焊缝在空气中自然冷却。

表1 实验材料的化学成分Table 1Chemical composition of experiment material (%, mass fraction) 下载原图

表1 实验材料的化学成分Table 1Chemical composition of experiment material (%, mass fraction)

表2 纯镍N6力学性能Table 2 Mechanical property of N6 下载原图

表2 纯镍N6力学性能Table 2 Mechanical property of N6

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters 下载原图

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters

图1 碾压试验示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of compaction test

经不同温度碾压形变热处理的纯镍焊缝, 按国标GB/T2651-2008^[7]加工成标准拉伸试样, 每组参数取两个拉伸试样, 采用岛津AG-10TA型万能材料试验机测试焊接接头的抗拉强度及断后伸长率;沿垂直于焊缝方向切割制成金相试样, 采用10 ml蒸馏水﹑50 ml硝酸、50 ml冰醋酸混合溶液腐蚀金相试样, 然后采用Me F₃金相显微镜 (OM) 观察焊缝微观组织, QUANTA FEG 450型扫描电子显微镜 (SEM) 对焊缝拉伸断口进行分析;在HX-1000TM型显微硬度计上测试焊接接头不同区域的显微硬度;使用DH3815静态应变测量系统测试焊缝的焊接残余应力。

2 结果与讨论

2.1 焊缝外观形貌

从图2看出, 6 mm厚纯镍N6填丝焊焊缝经碾压形变热处理, 焊缝正面、背面余高被碾压平整, 经不同温度碾压形变热处理的焊缝外观无明显差别。碾压形变热处理试验过程中, 为保证纯镍母材不被碾压, 应严格控制上碾压辊的下压量, 经反复试验, 6 mm厚纯镍填丝焊焊缝的压下率应控制在20%~25%之间。

2.2 微观组织

图3 (a) 为纯镍N6母材的显微组织组织形貌, 纯镍母材表现为奥氏体等轴晶组织, 晶粒细小且均匀。图3 (b~d) 为经不同温度 (300, 400, 500℃) 碾压形变热处理的填丝焊焊缝显微组织形貌, 焊缝晶粒粗大, 经碾压形变热处理后, 焊缝晶粒逐渐细化拉长, 晶粒度增大, 晶粒尺寸减小, 说明碾压形变热处理在可细化焊缝晶粒, 焊缝晶粒度级别如图4所示。金属材料在再结晶温度以下形变, 母相不发生再结晶, 而产生大量晶体缺陷或发生回复。回复过程中金属显微组织不发生变化, 而性能会略有改变, 但变化范围较小^[8]。根据以上分析可知, 碾压形变热处理通过碾压作用破碎了焊缝粗大的柱状晶, 使焊缝晶粒细化, 改善焊缝力学性能。焊缝晶粒度从未经碾压形变热处理时的5.5级提高到平均6.1级。塑性变形工艺中的压力对金属材料晶粒的细化和强化具有明显作用, 当压力较小时, 大部分晶粒沿碾压方向被拉长, 部分大尺寸晶粒在压力作用下发生剪切破碎, 随着压力增大, 拉长变形的晶粒基本全部剪切破碎, 基体组织从中心到边缘分布趋于均匀^[9,10]。

2.3 力学性能

图5为焊缝力学性能。从图5 (a) 看出, 经过碾压形变热处理, 焊缝抗拉强度整体呈现下降趋势, 但下降幅度很小。这是因为奥氏体形变过程中碳化物析出, 碳含量减少, 导致焊缝强度下降^[11];随着碾压形变热处理温度升高, 纯镍金属内部点缺陷、原子、位错活动能力增大, 纯镍金属内部空位、位错密度减小, 内应力消除, 导致焊缝强度略有下降。当碾压纯形变处理温度从300℃提高到500℃时, 焊缝抗拉强度从329.62 MPa升高到335.12 MPa, 增长了1.7%, 升高到一定程度趋于稳定。热处理温度为500℃时, 焊缝抗拉强度最高。从图5 (b) 看出, 经碾压形变热处理, 焊缝断后伸长率大幅提高, 从未碾压时的43.8%提高到400℃时的最高48.44%, 增长幅度达10.6%。随碾压形变热处理温度升高, 断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势, 达到一定范围趋于稳定。碾压形变热处理温度为400℃时, 焊缝的断后伸长率最高为48.44%, 比300℃时的焊缝断后伸长率增长了5.2%。

图2 焊缝外观形貌Fig.2 Appearance of welds

(a) 300℃; (b) 400℃; (c) 500℃

图3 母材及焊缝的显微组织Fig.3 Microstructure of base metal and welds

(a) Base metal; (b) 300℃; (c) 400℃; (d) 500℃

图4 焊缝晶粒度Fig.4 Grain size of welds

图5 焊缝力学性能Fig.5 Mechanical properties of welds

(a) Tensile strength; (b) Elongation after fracture

根据以上分析可知, 随碾压形变热处理温度升高, 焊缝抗拉强度逐渐升高, 断后伸长率呈现出先增大后减小的趋势。但断后伸长率的增长率 (5.2%) 高于抗拉强度的增长率 (1.7%) , 说明碾压形变热处理对提高纯镍焊缝塑性十分有效。主要因为以下两方面: (1) 碾压形变热处理能释放焊接残余应力, 碾平了焊缝余高, 使焊缝塑性变形区得到拉伸, 可减少因焊接引起的压缩塑性变形量, 降低焊缝内应力。加载应力越高, 压缩塑性变形就抵消的越多, 内应力消除的越彻底^[12]; (2) 碾压是一个金属塑性变形过程, 随变形进行位错密度增加, 出现位错缠结, 位错运动阻力增大, 产生加工硬化, 导致焊缝强度升高。纯镍经塑性变形, 晶粒发生变形, 晶界处位错密度增大, 故纯镍塑性变形机制为位错滑移^[13]。

2.4 焊缝显微硬度

对碾压热处理的焊接接头进行显微硬度测试, 每隔1 mm打点, 载荷1.96 N, 加载时间15 s, 打点方向从右至左, 结果如表4和图6所示。不同碾压热处理温度的焊缝显微硬度最高值均出现在焊缝区域, 数据反映出由于母材未经过碾压热处理, 焊接接头的显微硬度基本未发生变化。

表4 焊接接头不同区域显微硬度Table 4Microhardness of welded joint in different re-gions 下载原图

表4 焊接接头不同区域显微硬度Table 4Microhardness of welded joint in different re-gions

图6 焊接接头显微硬度Fig.6 Hardness distribution of welded joints

从图6看出:经3种温度碾压形变热处理的焊接接头显微硬度变化趋势一致, 母材的显微硬度基本未发生变化, 焊缝硬度最高。这与碾压形变热处理工艺有关, 首先碾压形变热处理温度低于工业纯镍再结晶温度, 仅发生加工硬化。碾压过程是金属塑性变形过程, 随变形进行, 焊缝金属位错密度增加, 出现位错缠结, 导致位错运动阻力增大, 产生加工硬化, 焊缝硬度升高;其次碾压形变热处理过程中, 一小部分外力所做的功会保留在金属内部, 形成残留内应力和点阵畸变, 其中点阵畸变也会使金属硬度升高, 两方面综合作用导致焊缝显微硬度最高。近缝区硬度升高是由碾压过程中在近缝区产生剪切变形所致。金属板材经过塑性变形可有效破碎、细化晶粒、提高板材表面的显微硬度^[14]。

从表4和图6看出:不同焊接接头的焊缝硬度随碾压形变热处理温度的升高而降低, 但下降范围不大。这是因为随着碾压热处理温度升高, 金属内部点缺陷、原子、位错的活动能力增大, 使位错移动、合并或重新排列, 晶格畸变减小, 部分内应力被消除, 晶体变形抗力下降, 焊缝硬度下降。

2.5 拉伸断口

图7 (a~c) 分别为经过300, 400, 500℃碾压热处理焊缝的拉伸断口形貌, 对3种断口进行SEM分析, 经碾压形变热处理的焊缝拉伸断口上均明显可以观察到韧窝的存在, 3种拉伸断口均属于典型的韧性断裂, 焊缝的断后伸长率如图5 (b) 所示。

2.6 焊接残余应力

试验采用盲孔法测量焊缝区的焊接残余应力, 表5为应变释放系数, A, B为负数是因为释放应变与原残余应力符号相反。焊接残余应力测量结果如表6。其中纯镍N6的泊松比μ=0.31, 弹性模量E=210 GPa, d₀=2 mm, d=5 mm, 钻孔深度1.2d₀ (2.4 mm) 。

从表6看出, 未经碾压焊缝的纵向残余应力σ_x为307.43 MPa, 横向残余应力σ_y为168.863MPa。经300℃碾压热处理焊缝的σ_x, σ_y下降幅度分别为51.01%, 55.56%;经400℃碾压热处理焊缝的σ_x, σ_y下降幅度分别为39.29%, 65.87%;经500℃碾压热处理焊缝的σ_x, σ_y下降幅度分别为66.86%, 36.90%。填丝焊焊缝经碾压形变热处理后, 焊接残余应力明显降低。这是因为焊缝区金属被快速加热, 发生局部熔化, 焊接区金属受热而发生膨胀, 热膨胀受到周围较冷金属的约束, 造成弹性热应力, 受热区温度升高后屈服极限下降, 热应力可部分超过该屈服极限, 结果焊接区形成了塑性热压缩, 焊缝金属冷却后, 比周围区域相对缩短, 因此, 该区域呈现出拉伸残余应力。焊接残余应力总是处于拉应力和压应力的平衡状态, 焊缝中心及其附近区域存在较高拉应力, 而远离焊缝区域存在压应力。对焊缝区施加外部压力, 焊接残余应力与外部压力叠加, 由于较高残余应力的地方不能再承受任何外部压力而产生塑性变形, 当外部压力去除之后, 焊接残余应力减小, 从而达到松弛焊接残余应力的目的^[15]。试验研究表明, 碾压形变热处理可有效降低纯镍焊缝的焊接残余应力。