不同焊接工藝Inconel 625鎳基合金管接頭焊縫布氏硬度測(cè)量標(biāo)尺的選擇

代緒成,尚用甲,劉 宏,汪 彬,范瀝元

(1.海洋石油工程股份有限公司,青島 266520；2.海洋石油工程(青島)有限公司,青島 266520)

硬度是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是衡量材料軟硬程度的一項(xiàng)性能指標(biāo)。硬度在一定程度上反映了金屬材料的強(qiáng)度、韌性和彈性等一系列力學(xué)性能[1]，在石油與化工行業(yè)中是一項(xiàng)最常見(jiàn)的金屬材料性能檢測(cè)指標(biāo)。常見(jiàn)的金屬材料硬度試驗(yàn)方法主要有布氏硬度試驗(yàn)、維氏硬度試驗(yàn)和洛氏硬度試驗(yàn)[2]。

布氏硬度采用一定直徑D的硬質(zhì)合金球，在規(guī)定的試驗(yàn)力P作用下壓入試件表面，保載一段時(shí)間，卸載試驗(yàn)力后，試件表面留下壓痕，以壓痕單位表面積上所承受的平均壓力作為布氏硬度測(cè)試值。由于布氏硬度試驗(yàn)采用的球體壓頭直徑較大，所得壓痕面積較大，因而硬度測(cè)試值受試樣組織顯微偏析及成分不均勻的影響輕微，具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、測(cè)量精度高和重復(fù)性好等特點(diǎn)，在石油與化工行業(yè)得到廣泛運(yùn)用[2-5]。

筆者在對(duì)不同焊接工藝Inconel 625鎳基合金管接頭焊縫進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)力與壓頭直徑平方的比值和盡可能選取大直徑壓頭兩個(gè)原則，選用HBW 10/3 000(10表示鋼球壓頭的直徑10 mm，3 000表示試驗(yàn)力3 000 kg)的測(cè)量標(biāo)尺進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓痕形貌呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形，壓痕邊界凹凸不平，未受壓區(qū)域金屬表面呈現(xiàn)擠壓隆起現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者通過(guò)不同測(cè)量標(biāo)尺條件下的硬度試驗(yàn)，對(duì)比分析了測(cè)量標(biāo)尺對(duì)鎳基合金管接頭焊縫布氏硬度測(cè)量值的影響，確定了適用于不同焊接工藝Inconel 625鎳基合金管接頭焊縫的布氏硬度測(cè)量標(biāo)尺。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)材料為Inconel 625鎳基合金，對(duì)采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充接焊制得的鎳基合金管焊接接頭(手把焊)記為1號(hào)試樣，對(duì)采用氬弧焊制得的鎳基合金管焊接接頭(氬弧焊)記為2號(hào)試樣，對(duì)采用氬弧焊堆焊工藝制得的大管徑碳鋼+鎳基合金復(fù)合管焊接接頭(堆焊)記為3號(hào)試樣。由表1可見(jiàn)，不同試樣焊縫金屬的化學(xué)成分符合AWS A5.14/A5.14M-2018SpecificationforNickelandNickel-alloyBareWeldingElectrodesandRods標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Inconel 625鎳基合金的技術(shù)要求。試驗(yàn)設(shè)備為JWH-3000DH型數(shù)顯布氏硬度計(jì)，具備電子自動(dòng)加載和自動(dòng)測(cè)量等功能。由于自動(dòng)測(cè)量方式存在不規(guī)則壓痕形貌無(wú)法識(shí)別的情況，硬度測(cè)量方式采用人工測(cè)量。

表1 3種試樣焊縫金屬的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 231.1-2018，選用標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)力與壓頭直徑平方的比值30，對(duì)應(yīng)的布氏硬度測(cè)量標(biāo)尺有HBW 10/3 000、HBW 5/750和HBW 2.5/187.5。在1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣上分別進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，每個(gè)試樣進(jìn)行十次布氏硬度試驗(yàn)，從四個(gè)不同方位測(cè)量壓痕直徑，保載時(shí)間為15 s，試驗(yàn)溫度為22 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 布氏硬度壓痕形貌

由圖1可見(jiàn)：在HBW 10/3 000測(cè)量標(biāo)尺條件下，1號(hào)試樣和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的表面壓痕形貌均呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓形；隨著鋼球壓頭直徑的減小，1號(hào)試樣和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的表面壓痕形狀逐漸趨于圓形；在不同測(cè)量標(biāo)尺條件下,3號(hào)試樣焊縫區(qū)域表面壓痕均呈現(xiàn)規(guī)則的圓形，壓痕邊緣較為光滑、平順。

鎳基合金硬度高，其局部抵抗變形的能力強(qiáng)。硬度反映的是材料內(nèi)部晶粒和晶界等組織在壓入載荷時(shí)表現(xiàn)出的抵抗破斷和變形的能力[6]，由于焊縫區(qū)域的顯微組織存在不均勻性，壓痕邊緣的組織抵抗變形的能力各不相同。

圖1 不同測(cè)量標(biāo)尺條件下3種試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度壓痕形貌

2.2 布氏硬度測(cè)試結(jié)果

3種試樣焊縫區(qū)域的硬度極差如圖2所示。由圖2a)可見(jiàn)，在HBW 5/750測(cè)量標(biāo)尺條件下，測(cè)得試樣焊縫區(qū)域的硬度極差均小于其他測(cè)量標(biāo)尺條件下的，表明在該測(cè)量標(biāo)尺條件下，測(cè)得1號(hào)和2號(hào)試樣焊縫區(qū)域的硬度較為均勻。由圖2c)可見(jiàn)，在HBW 10/3 000測(cè)量標(biāo)尺條件下，測(cè)得試樣焊縫區(qū)域的硬度極差略小于其他測(cè)量標(biāo)尺條件下的，表明在該測(cè)量標(biāo)尺條件下，測(cè)得3號(hào)試樣焊縫區(qū)域的硬度較為均勻。

圖2 不同測(cè)量標(biāo)尺寸條件下3種試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度極差

由圖3可見(jiàn)：1號(hào)試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度最大，2號(hào)試樣的次之，3號(hào)試樣的最小；不同測(cè)量標(biāo)尺條件下，測(cè)得同一試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度差值基本在10以內(nèi)，表明相同載荷與壓頭直徑平方的比值k對(duì)應(yīng)不同測(cè)量標(biāo)尺條件下測(cè)得的布氏硬度基本相同。根據(jù)布氏硬度的相似定律，在保證壓入角不變(即k值保持不變)的情況下，不同測(cè)量標(biāo)尺條件下測(cè)得的布氏硬度相同，且具有可比性[7]。結(jié)合圖1可見(jiàn)，在相同測(cè)量標(biāo)尺條件下，試樣焊縫區(qū)域的硬度越大，壓痕形狀的不規(guī)則性越明顯。

圖3 不同測(cè)量標(biāo)尺條件下3種試樣焊縫區(qū)域的布氏硬度

鎳基合金的硬度與析出相種類(lèi)、形態(tài)及分布有關(guān)[8]，3種試樣焊縫區(qū)域的顯微組織主要為奧氏體，均呈現(xiàn)枝晶形態(tài)，且枝晶生長(zhǎng)方向一致，在晶界上析出大量的γ″沉淀強(qiáng)化相，如圖4所示。鎳基合金的金屬流動(dòng)性差，過(guò)高的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熔池的冷卻速率減慢，高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使晶粒粗化[9-10]。1號(hào)試樣焊接工藝的熱輸入為0.9～1.0 kJ/mm，2號(hào)和3號(hào)試樣焊接工藝的熱輸入均為1.4～1.6 kJ/mm。2號(hào)和3號(hào)試樣焊接工藝相同，由于2號(hào)試樣母材金屬的熱導(dǎo)率大，焊接過(guò)程中能有效傳遞熱量，其高溫停留時(shí)間比3號(hào)試樣的短。根據(jù)熱輸入和高溫停留時(shí)間不同，3種試樣焊縫區(qū)域的晶粒尺寸從大到小依次為3號(hào)試樣、2號(hào)試樣、1號(hào)試樣，奧氏體組織晶粒尺寸越大，布氏硬度越小。

圖4 試樣焊縫區(qū)域的顯微組織

3 結(jié)論

(1)在不同測(cè)量標(biāo)尺條件下，堆焊工藝鎳基合金管焊縫區(qū)域的布氏硬度壓痕邊緣較為光滑平順。在HBW 5/750和HBW 2.5/187.5測(cè)量標(biāo)尺條件下，采用手把焊和氬弧焊工藝鎳基合金管焊縫區(qū)域的布氏硬度壓痕形狀趨向于圓形。同一載荷與壓頭直徑平方的比值k條件下，采用不同測(cè)量標(biāo)尺測(cè)得的布氏硬度基本相同。

(2)對(duì)于堆焊工藝鎳基合金管接頭，建議采用HBW 10/300測(cè)量標(biāo)尺。對(duì)于手把焊和氬弧焊工藝鎳基合金管接頭，建議采用HBW 5/750測(cè)量標(biāo)尺。