高温镍基合金焊缝晶粒细化工艺研究及数值模拟

摘要

镍基高温合金因为具有优异的高温强度、耐腐蚀性、热稳定性和低温性能，被广泛应用于核电蒸汽发生器、压力容器和散热蒸发器管道等装备的关键结构材料。然而在焊接制造过程中发现镍基高温合金及其熔敷金属非常容易形成一种固相开裂的沿晶裂纹，称为高温失塑裂纹（Ductility-dip Cracking,DDC）。尤其是在高拘束度的窄间隙管道焊缝的制造中更易出现。DDC裂纹的存在直接影响到核电站的使用寿命和运营安全。研究表明，焊缝晶粒细化可以显著提高最小临界应变值，进而改善高温镍基合金的DDC抗力。 为此，本文针对Inconel690合金，以FM-52M为填充材料，采用脉冲钨极氩弧焊焊（PulsedTungsten Inert Gas,P-TIG）方法进行焊接，通过对峰值电流、基值电流、脉冲频率和占空比等关键焊接工艺参数的调控和匹配优化，来进行焊缝晶粒细化。发现P-TIG相较恒流TIG，在堆焊层中更易产生取向差较小长宽比较小的晶粒，减少了粗大柱状晶的出现。采用P-TIG焊接方法进行高温镍基合金焊接，适当增大P-TIG焊接工艺参数中的峰值电流、脉冲频率和占空比可以显著提高电弧对熔池的等离子流力，在峰值时候产生较大的脉冲电弧压力，破碎枝晶增大形核率从而细化焊缝晶粒，而增大基值电流则增大了对熔池的热输入，使得焊缝晶粒有粗大倾向。另外，利用外加纵向磁场辅助TIG焊接方法进行了工艺性焊接试验，利用外加磁场产生的强烈电磁振荡对熔池进行搅拌，达到细化焊缝晶粒的目的。 其次，基于磁流体动力学（MHD）理论建立了二维轴对称TIG电弧模型，利用流体计算软件FLUENT模拟了TIG焊接过程中的电弧行为，解释了TIG焊接方法细化晶粒的机理。恒流下稳定燃烧的TIG电弧呈现钟罩形态，且电流越大电弧温度越高，加热半径越大；电弧压力总体呈现阴极和阳极较大，弧柱区较小的分布规律；同时电流越大，电弧峰值压力越大。在二维轴对称TIG电弧模型的基础上，将电弧模型拓展到三维，针对TIG焊建立了包括钨极、电弧和熔池（母材）的三维电弧熔池交互耦合作用的数学物理模型，系统研究了电弧行为对熔池的耦合作用，分析了其热场和流场的规律。结果表明，定点TIG焊电弧（阴极）表现为典型的钟罩形状，温度梯度较大，最高温度出现在钨极尖端正下方，跟二维轴对称模拟结果一致；而熔池（阳极）等温线平缓，温度梯度较小，熔池表现为熔宽大熔深小的浅而宽熔池形貌，模拟结果与试验结果吻合较好。 将建立的三维电弧熔池双向耦合模型应用到外加纵向磁场辅助TIG焊，通过模拟研究了外加纵向磁场对TIG电弧行为和熔池流动状态的影响。数值分析结果表明，外加纵向磁场辅助TIG焊电弧形状由TIG的钟罩形状变为了空心钟罩形，且最高温度稍有增大；近阴极附近等离子体被压缩，表现为此处电弧温度稍微升高；而近阳极附近等离子体发散，表现为此处电弧温度降低，出现“低温腔”，造成阳极表面热流密度由无磁场时的高斯分布变为双峰分布。相比TIG焊，外加纵向磁场辅助TIG焊的电弧峰值压力出现了下降，最大电弧压力不再处于电弧中心位置，而是偏移中心轴线，且电弧中心轴线近阳极附近出现负压区。而外加纵向磁场对TIG焊熔池的影响表现为增大了熔池的流动速度并减小了熔深。相较TIG焊，外加纵向磁场的作用增大了熔池在周向的流动速度，能量在周向上被快速均匀化，表现为熔宽稍增而熔深减小的“勺形”熔池形貌，如此造成在高温镍基合金多道次的堆焊过程中，下一道熔池对上一道焊缝的再热区减少，减小了热裂纹的倾向。正是这种熔池流动速度的增加和峰值温度的降低，造成了镍基合金的TIG焊接过程中电弧传入熔池的热量被快速均匀化，使得焊缝过热倾向减小，强烈的熔池搅拌也可以起到破碎枝晶细化焊缝晶粒的效果。因此，采用外加纵向磁场辅助TIG焊进行高温镍基合金焊接可以有效改善焊接裂纹的敏感性。

目录

第一个书签之前