王 勻，陳英箭，許楨英，唐書浩

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著油氣開采環(huán)境的日益惡化，對油氣鉆采設(shè)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(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，對采油樹以及節(jié)流閥等井口設(shè)備的強(qiáng)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(qiáng)鋼，具有優(yōu)異的綜合性能，目前越來越多地應(yīng)用于井口設(shè)備中[2]。Inconel625是鎳基高溫合金，價格較高，為兼顧經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)常和價格相對較低的低碳鋼或低合金鋼組成雙金屬復(fù)合材料使用。Inconel625具有優(yōu)良的綜合性能，包括高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、延展性等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、壓力容器等領(lǐng)域[3-4]。

陷光效應(yīng)是指光在進(jìn)入陷光結(jié)構(gòu)時，在其內(nèi)部發(fā)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(jié)構(gòu)反射出去的光相應(yīng)減少，該效應(yīng)稱為陷光效應(yīng)。陷光結(jié)構(gòu)的形態(tài)有很多種，應(yīng)用不同的手段在表面刻意制造一定數(shù)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(yīng)以及待堆焊表面與電弧的接觸面積發(fā)生變化，對堆焊過程的熱輸入以及堆焊層化學(xué)成分的分布，尤其是對鐵元素的分布產(chǎn)生很大影響。而鐵元素含量的改變又會直接導(dǎo)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(qū)以及結(jié)合區(qū)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(nèi)外學(xué)者對于Inconel625堆焊的研究已經(jīng)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(zhì)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(qiáng)其對入射光的吸收[12-14]。Vorobyev等[12]用激光加工技術(shù)在鉑金表面制備出微納粗糙結(jié)構(gòu)，所制備的表面在紫外-紅外范圍內(nèi)對光的吸收率達(dá)到95%。Vorobyev等[15-16]還進(jìn)一步在鉑金、鎢和鈦合金表面用激光制備了微納結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，其對紫外-紅外范圍內(nèi)光的吸收率高達(dá)90%以上。本工作以高含硫化氫的酸性油氣田井口耐腐蝕設(shè)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(jié)果可為耐腐蝕閥門、復(fù)合鉆采設(shè)備的堆焊提供理論與實驗依據(jù)，為堆焊質(zhì)量控制提供新的思路，具有一定的工程價值及科學(xué)意義。

1 實驗材料與方法

基體材料為調(diào)質(zhì)AISI8630，化學(xué)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(dāng)量大于0.7，較難焊接，且層溫過高時，極易產(chǎn)生熱裂紋。故堆焊前將其預(yù)熱至200℃，堆焊層間溫度嚴(yán)格控制在250～300℃范圍內(nèi)。堆焊材料為Inconel625(牌號ERNiCrMo-3)焊絲，直徑1.2mm，化學(xué)成分見表1。實驗采用Fronius電流預(yù)熱焊絲TIG系統(tǒng)進(jìn)行堆焊，鎢極與工件的距離由系統(tǒng)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(hù)氣體采用純度為99.999%的工業(yè)純氬，氬氣流量16L/min，堆焊實驗的工藝參數(shù)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(yīng)目數(shù)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(yīng)用MMD-HR320粗糙度輪廓儀進(jìn)行粗糙度檢測。

表1 AISI8630和Inconel625化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of AISI8630 and Inconel625(mass fraction/%)

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

將堆焊之后的工件應(yīng)用磁粉探傷進(jìn)行無損檢驗，檢測合格后進(jìn)行線切割，加工制成15mm×15mm×5mm的試塊，試塊經(jīng)打磨、拋光，用5%硝酸酒精溶液進(jìn)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(jìn)行金相分析。用JSM-7001F掃描電鏡進(jìn)行組織觀察及化學(xué)成分分析。

根據(jù)GB/T 4157-2006《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗》的要求，選取腐蝕溶液為5.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),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(jīng)1∶1鹽酸溶液清洗之后吹干，稱量其損失質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆焊層成型質(zhì)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(qū)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(jié)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(yīng)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(yīng)越強(qiáng)，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(dǎo)致堆焊的稀釋率增加[19]。由表3數(shù)據(jù)還可看出，當(dāng)基體表面粗糙度減小到一定值時，稀釋率的變化趨緩，當(dāng)粗糙度值小于0.8μm時，稀釋率幾乎無變化。但當(dāng)粗糙度值變?yōu)?.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(chǎn)生加工硬度[20]，進(jìn)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(jī)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(jī)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(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致熱輸入增加；同時，在一定范圍內(nèi)，粗糙度值越大，陷光效應(yīng)越強(qiáng)，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(yīng)增大。陷光效應(yīng)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(xiàn)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(yīng)較強(qiáng)。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(yīng)減小，這也是堆焊速率降低導(dǎo)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(chǎn)生的高溫輻射還可能對靠近電弧的待堆焊表面進(jìn)行加熱。當(dāng)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(yīng)增加，母材溫度升高，從而在堆焊過程中更易融化，進(jìn)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(jī)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(jī)制為表面粗糙度值的變化對堆焊電弧等離子體熱力學(xué)溫度以及等離子體內(nèi)部電子密度分布產(chǎn)生一定影響，尤其是電弧下層(靠近基體區(qū))熱力學(xué)溫度以及電子密度分布，其對堆焊熱輸入會產(chǎn)生直接影響。故在研究堆焊熱輸入時應(yīng)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，F(xiàn)e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(jìn)行對比分析。在垂直于堆焊方向的橫截面內(nèi)沿熔合線垂線的EDS點掃描位置如圖3所示，掃描結(jié)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(jié)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(jié)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(jìn)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(dá)34%，遠(yuǎn)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(yīng)地變化，整體呈現(xiàn)正相關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)，鐵元素隨著基體表面粗糙度值的增大而愈發(fā)均勻。這是由于表面粗糙度值的增大導(dǎo)致堆焊熱輸入增加，使得基體融化量增多，結(jié)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(dāng)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(xiàn)象亦與研磨所產(chǎn)生的表面硬度相關(guān)，隨著基體表面硬度升高，堆焊稀釋率進(jìn)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(qū)的顯微組織結(jié)構(gòu)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(jīng)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(xì)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(yīng)減少，熔池中的液態(tài)金屬凝固時間縮短，熔池結(jié)晶速率加快，進(jìn)而得到的組織更加細(xì)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(jié)可知，堆焊層中元素分布比較均勻，故其內(nèi)部耐腐蝕性能差異較小。用線切割設(shè)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(nèi)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(qū)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(xiàn)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(wěn)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(jìn)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(wěn)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(xiàn)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(yīng)減少，進(jìn)而稀釋率降低，從而焊縫金屬中來自基體的鐵元素相應(yīng)減少，樣件耐腐蝕性能增強(qiáng)，腐蝕速率相應(yīng)降低。當(dāng)表面粗糙度為0.4μm時，堆焊層耐腐蝕性能提高32%。

3 結(jié)論

(1)應(yīng)用熱絲TIG堆焊工藝可以在AISI8630基體表面獲得與基體結(jié)合良好的堆焊層；當(dāng)基體粗糙度值減少時，焊接過程的陷光效應(yīng)相應(yīng)減弱，堆焊熱輸入隨之減少，稀釋率也相應(yīng)減少，但當(dāng)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(dá)34%，且隨著基體表面粗糙度值的減小而相應(yīng)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(dāng)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(dá)25%。初步判斷與研磨過程產(chǎn)生的顯微硬度有關(guān)。

(3)堆焊層熱影響區(qū)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(xì)小均勻，綜合性能更好。

(4)樣件的腐蝕速率表現(xiàn)為初期較快，中期有所下降，后期變緩趨穩(wěn)的一個規(guī)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(xiàn)減小趨勢，當(dāng)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%。