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Mn-Ni-Mo钢埋弧焊增材制造管件的性能和组织研究

作者:管件 来源: 日期:2019/9/16 23:46:17 人气:2

本文采用埋弧焊增材制造方法,通过合理的工艺制定,制备了内径200mm,外径600mmMn-Ni-Mo钢管件;检测管件不同方向的力学性能,结果表明各项性能指标均满足技术要求,验证了埋弧焊增材制造方法制造Mn-Ni-Mo钢零部件是可行的,为金属零件制造开拓了新的思路。

在增材制造领域,以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化、按设定成形路径在基板上逐层熔敷直至金属零件成形。成形零件全部由焊缝金属组成,致密度高,冶金结合性能好。以电弧作为热源的电弧增材制造技术,以其成本低、效率高的优点,近年来受到了广泛关注。传统的金属加工制造方法是冶炼、锻压和铸造,但传统制造方法生产成本高、周期长,特别是对于不规则复杂零件,需要经过机械加工切削掉多余材料,极大的增加了制造难度、材料浪费及制造周期。本文探索采用埋弧焊增材制造的方法成形Mn-Ni-Mo钢接管件,对其力学性能和组织进行研究。

一、试验件制备

1. 材料。

接管件的制备是在刚性底板上采用Mn-Ni-Mo钢配套埋弧焊材,层层堆焊成形,达到预设零件规格尺寸。刚性底板为140mm厚的800mm方形Q345碳钢板。焊接材料为进口埋弧焊丝和焊剂,焊丝直径4mm

2. 焊接过程控制。

(1)焊接前准备:打磨底板,将底板放在水平旋转平台,确保同心后固定。按照待堆焊内径200mm,外径600mm确定焊接位置,为了保证后续堆焊层直径尺寸,首层焊接设计内径60mm,然后固定焊剂挡板。

(2)预热:对于强度级别较高、有淬硬倾向的钢材,焊接前需要对焊件进行预热,一方面减缓焊后的冷却速度,有利于焊缝金属扩散氢的逸出,避免产生氢致裂纹,另一方面减少焊缝的淬硬程度,提高了焊接接头的抗裂性。本堆焊件采用火焰加热,预热温度大于120℃时,开始准备施焊。

(3)埋弧堆焊:焊接过程中要避免堆焊高低点差过大,焊道搭接要求平整,焊接层间温度控制小于250℃。焊接起弧点要做好标记,作为焊接停弧的参照物。焊接内外圈层边缘时,焊接电流、电压要偏小些,焊接速度稍快,以防止焊接熔池流淌。通过水平回转平台实现圆弧轨迹运动的平焊位埋弧焊接,其回转平台的角速度参数在焊接过程中需要适时调整,使得每一焊道的焊接线速度大致相同(控制在360-380mm/min之间),保证焊出宽窄厚度均匀一致的焊道。

(4)后热:接管件焊后进行250-300℃×4h的消氢后热处理,缓冷降温至室温。主要目的是使焊缝金属中的扩散氢迅速逸出,降低焊缝的含氢量,防止产生裂纹。(5)消除应力热处理:模拟实际工况条件,接管件经UTRT探伤检测合格后进行消应力热处理,热处理温度595620℃,保温时间40h,保证焊缝具有优良的强、韧性综合性能指标。

3. 机加工。

对比堆焊后和机加后的接管尺寸,除首层外,精加工后单边去除量约为10mm,切削余料较少。与传统冶炼、锻造、性能热处理工艺相比,埋弧焊增材制造大大简化了制造工艺,而且通过合理的焊接成形控制,降低了材料浪费。

二、力学性能检测

从接管件周向(平行焊接方向)、轴向(焊接高度方向)、径向(垂直焊接方向)各方向检测拉伸、冲击韧性、金相等性能,分析堆焊接管件性能的各向同异性。

1. 拉伸性能(室温)。

平行焊接方向的焊缝金属拉伸强度相对高些,焊接高度方向和垂直焊接方向的拉伸强度相对低些,强度的高低与焊缝中不同组织形貌所占的比例有关,平行焊接方向取样的拉伸试样柱状晶形貌的组织偏多些。

2. 焊缝冲击韧性。

通过埋弧焊逐层堆焊完成的接管件,焊缝各方向的低温冲击韧性满足技术要求。焊接高度方向取样的冲击试样-30℃冲击值相对高些。

三、组织分析

制备金相样,经磨光、抛光、腐蚀后观察焊缝显微组织。图2是经4%硝酸酒精腐蚀液观察的焊缝组织形貌。

2a)是焊接高度方向的低倍形貌,可以明显看到逐层逐道的焊道及搭接,通过腐蚀的颜色深度可以判断出焊缝组织是多种多样的。箭头b所指区域为焊接熔池冷却后形成的柱状晶组织;箭头d所指区域,因为后续焊道焊接时对前续焊道产生的加热作用形成的晶粒较细小的等轴晶组织。柱状晶与等轴晶所占的区域约为1:1

2b)、(c)和(d)是焊缝中不同部位经200倍放大的显微组织图。b部位为粗大的柱状晶组织,可以明显的看出晶粒的凝固边界;c部位为前续焊道和后续焊道的交界处,由于受后续焊道的高温加热作用,形成了较为粗大的等轴晶组织,晶粒度约为7级,所占比例较小;d部位由于离前续焊道较远所受的加热温度较c部位低,形成的晶粒较细小,晶粒度约为10级,所占的比例较大。整个焊缝是由柱状晶和等轴晶的贝氏体回火组织构成的。(a)焊接高度方向低倍形貌;(b)、(c)、(d)不同部位的微观组织

四、总结

采用埋弧焊增材制造的方法成形Mn-Ni-Mo钢接管件,检测并分析平行焊接方向、焊接高度方向和垂直焊接方向的力学性能,其综合性能指标满足技术要求,相比传统制造方法,缩短了制造周期,简化了工艺流程,降低了材料浪费。

电弧增材制造部件其力学性能指标也是存在各项异性的现象,但也都在技术要求的范围内。电弧增材制造是采取逐层逐道堆焊的方法,无论部件的规格尺寸多大,壁厚多厚,都不会出现传统制造工艺出现的壁厚过厚可能出现心部淬火不足导致强韧性不达标的问题。本文采用埋弧焊增材制造方法,通过合理的工艺制定,制备了内径200mm,外径600mmMn-Ni-Mo钢管件;检测管件不同方向的力学性能,结果表明各项性能指标均满足技术要求,验证了埋弧焊增材制造方法制造Mn-Ni-Mo钢零部件是可行的,为金属零件制造开拓了新的思路。