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        430 鐵素體不銹鋼A-TIG 焊接

        2013-12-06 12:11:16胡繩蓀王勇慧申俊琦陳昌亮許海剛
        關(guān)鍵詞:不銹鋼焊縫實(shí)驗(yàn)

        胡繩蓀,王勇慧,申俊琦,陳昌亮,許海剛

        (1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072;2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;3. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院,上海 200431)

        奧氏體不銹鋼以其出色的耐腐蝕、高溫、氧化性能,在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用.但隨著國際鎳價飆升,以鎳作為主要合金元素的奧氏體不銹鋼價格居高不下,人們開始轉(zhuǎn)向其他替代鋼種的研發(fā)推廣,其中鐵素體不銹鋼具有很大發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

        430(1Cr17)是鐵素體不銹鋼的代表鋼種,基體不含鎳,價格相對較低,并具有導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)較小、耐氯化物應(yīng)力腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[1].這類鋼通常采用手工焊或TIG 焊工藝進(jìn)行焊接.

        傳統(tǒng)的 TIG 焊能獲得優(yōu)良的焊縫,但存在焊縫熔深小的問題,中厚板需要開坡口進(jìn)行多道焊或者加大焊接熱輸入,這樣焊接效率低,而且焊后組織粗化嚴(yán)重,使用性能急劇下降.

        A-TIG 是在待焊工件表面涂覆活性劑后進(jìn)行TIG 焊的一種高效的焊接方法,活性劑的使用可以明顯增加熔深.目前國內(nèi)外碳鋼、鋁合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼等相關(guān)的 A-TIG 研究較多[2-6],針對鐵素體不銹鋼的研究鮮見報道.

        筆者針對 430 鐵素體不銹鋼進(jìn)行了單組份和多組分的 A-TIG 焊實(shí)驗(yàn),分別研究了活性劑對焊縫熔深、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律.

        1 實(shí)驗(yàn)條件

        實(shí)驗(yàn)用 430 鐵素體不銹鋼板規(guī)格為:300,mm×150,mm×3.2,mm,其化學(xué)成分如表 1 所示.所使用的焊接設(shè)備包括 Fronius 公司生產(chǎn)的 Magic Wave 4000 型數(shù)字化TIG 焊機(jī)、自動焊接工作臺、按壓式夾具等.實(shí)驗(yàn)時工件固定在夾具上,焊槍隨著小車作勻速直線運(yùn)動,這樣可使焊接過程中弧長和焊接速度保持穩(wěn)定.

        為了減少焊接缺陷,提高焊縫質(zhì)量,焊前應(yīng)對焊板進(jìn)行表面處理,具體方法為用 240#砂紙對鋼板表面進(jìn)行打磨,然后用無水乙醇進(jìn)行清洗,以去除表面雜質(zhì)和氧化膜,待其干燥后可以進(jìn)行活性劑的涂覆.

        表1 430鐵素體不銹鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 430 ferritic stainless steel %

        2 單組分活性劑對焊縫熔深的影響

        研究單一組分活性劑對焊縫熔深的影響規(guī)律,是進(jìn)行多組分活性劑實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ).在查閱文獻(xiàn)[2,4-5,7]的基礎(chǔ)上,選用了氧化物和鹵化物2 種類型的活性劑,包括 B2,O3、Cr2O3、SiO2、TiO2、MnO2、MgO、CaO、KCl、CaF2、NaF,經(jīng)電子天平精確稱量后,加入適量無水乙醇調(diào)和成糊狀,用扁平毛刷均勻涂覆到待焊工件表面,涂覆寬度為20~30,mm,厚度為0.5,mm左右.

        首先測量每種活性劑對應(yīng)的臨界熔透電流值,以初步了解每種組分對于焊接熔深影響的大小及對應(yīng)的成形狀況,焊接規(guī)范見表 2.焊接電流從 90,A 開始,每次增加 5,A,直至找到臨界熔透電流值.每焊完一道后,均要重磨鎢極并重新調(diào)整鎢極高度,以保證焊接條件的一致性.

        表2 A-TIG焊接規(guī)范Tab.2 Welding parameters of A-TIG

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示,可見所用活性劑均能使焊接臨界熔透電流值減小,即涂覆活性劑后可以在較小的熱輸入條件下使 3.2,mm 鋼板熔透.氧化物類活性劑對減小焊接臨界電流的作用比較明顯,B2O3、Cr2O3、SiO2、TiO2、MnO2、CaO 都能使臨界熔透電流降低80,A 以上,效果最好的B2O3甚至能將臨界熔透電流降為空板焊接時的 42.3%;鹵化物 KCl、CaF2、NaF 效果均不明顯.

        對于活性劑增加焊縫熔深的作用機(jī)理,國內(nèi)外存在多種理論解釋,其中最有代表性的是 “電弧收縮理論” 及“表面張力溫度梯度改變理論”[7-9].活性劑中的F、Cl、O 都具有較強(qiáng)的電子親和能力,能夠引起電弧收縮效應(yīng),但同時 O 還能有效改變?nèi)鄢乇砻鎻埩μ荻?,增大焊縫熔深,因而氧化物的綜合效果要普遍優(yōu)于鹵化物.

        選用氧化物類活性劑用表2 的規(guī)范在90,A 電流下進(jìn)行焊接,焊后橫向切割焊縫制備金相試樣,腐蝕后在低倍光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫熔深,得到各組分活性劑對焊縫熔深的影響如圖2 所示(D 為不同活性劑對應(yīng)的熔深,D0為無活性劑區(qū)的熔深).從結(jié)果來看,所選活性劑均能不同程度增加焊縫熔深.其中增加效果較為明顯的有 B2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2.

        圖1 單組分活性劑臨界熔透電流Fig.1 Penetration currents of single component activating flux

        圖2 單組分活性劑對焊接熔深的影響Fig.2 Effect of single component activating flux on weld penetration

        3 多組分活性劑對焊縫熔深的影響

        在單組分活性劑實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選定 B2O3、Cr2O3、SiO2、TiO2進(jìn)行混合組分活性劑實(shí)驗(yàn).

        (1) 進(jìn)行任意2 個單組分活性劑等量混合實(shí)驗(yàn),用表2 所示焊接規(guī)范,分別在110,A、120,A 的電流下進(jìn)行焊接,觀察焊縫熔透情況.

        (2) 進(jìn)行多組分活性劑定量配比實(shí)驗(yàn),用表2 所示焊接規(guī)范,分別在 105,A、110,A 的電流下進(jìn)行焊接,觀察焊縫熔透情況.

        等量混合單組分活性劑實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表3 所示,從表 3 中 2~5 組結(jié)果可以看出,Cr2,O3和 TiO2含量較大時,活性劑作用效果變差,因而在混合組分中含量不應(yīng)太多.

        從表 3 中 2、3 和 4、5 兩組對比可以看出,Cr2,O3的作用優(yōu)于 TiO2.根據(jù)胡禮木等[10-11]的研究結(jié)果,多組元活性劑中的Cr2,O3或有改善焊接接頭“貧鉻”,提高腐蝕性能的作用.結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)最終確定活性劑配方的主要成分為:B2,O3(40%~80%),SiO2(10%~20%),Cr2,O3(10%~20%),其配比如表 4所示.

        表3 等量混合單組分活性劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of the expriment with 1∶1 single component activating flux

        其中A 組在105,A,下全部熔透;B 組僅在110,A下有小段熔透;D 組在 110,A 下大半段熔透,在105,A 下只有局部點(diǎn)狀熔透;G 組在 110,A 下大半段熔透,在 105,A 下只有局部點(diǎn)狀熔透;H 組在 110,A下全部熔透,在 105,A 下只有部分熔透;剩下的 C、E、F 3 組在110,A 電流下均未熔透.

        通常認(rèn)為:SiO2、Cr2O3、CaF2等活性劑會在陽極表面形成導(dǎo)電性較差的熔融層,使得電弧導(dǎo)電通道變長而導(dǎo)致電弧等離子體發(fā)生收縮;B2O3、TiO2等活性劑則能強(qiáng)烈改變?nèi)鄢乇砻鎻埩?,使表面張力溫度梯度由?fù)變正,熔池金屬流動方向從周邊流向中心,從而使焊縫熔深增加.多組分活性劑綜合了電弧收縮作用和表面張力溫度梯度改變作用,因而比單組分活性劑的效果更為明顯[12-13].

        表4 多組分活性劑配比Tab.4 Proportioning of multi-component activating flux

        4 活性劑對焊縫組織性能的影響

        利用表2 所示焊接規(guī)范,在105,A 電流下對涂覆A 組活性劑和不適用活性劑的 430 鐵素體鋼板進(jìn)行焊接,焊后對焊縫區(qū)取樣進(jìn)行觀察.

        如圖 3 所示,在相同焊接條件下,不使用活性劑焊接鋼板時,得到的熔深只有 1.3,mm,是寬而淺的碗狀熔深;使用活性劑后熔深可達(dá) 3.2,mm,是前者的 2.46 倍,同時熔寬明顯減少,呈現(xiàn)深而窄的杯狀熔深.

        不使用活性劑的焊縫組織如圖 4(a)和 4(c)所示,可見在焊接熱循環(huán)的作用下鐵素體組織較為粗大,并出現(xiàn)少量馬氏體和析出相;使用活性劑的焊縫組織如圖 4(b)和 4(d)所示,從圖 4 中可以看出,使用活性劑后焊縫區(qū)鐵素體的晶粒尺寸有所減小,這與活性劑中 Cr、B、Si 等合金元素引起的晶粒細(xì)化作用有關(guān)[14].

        圖3 焊縫宏觀形貌(25×)Fig.3 Macroscopic morphology of the welds(25×)

        圖4 焊縫微觀組織Fig.4 Microstructure of welds

        利用表2 所示焊接規(guī)范,在105,A 電流下對使用A 組活性劑和不使用活性劑的 430 鐵素體鋼板進(jìn)行焊接,焊后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)并測量焊縫中心處顯微硬度值,拉伸試樣尺寸為150,mm×30,mm×3.2,mm,顯微硬度測試中施加載荷為 1.96,N,載荷保持時間為10,s,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 5.鐵素體不銹鋼由于焊后出現(xiàn)馬氏體和析出相,因而顯微硬度值與母材相比有明顯提高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng) TIG 焊相比,使用活性劑后焊縫抗拉強(qiáng)度和硬度變化不大.

        表5 室溫下焊縫力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.5 Results of the mechanical performances of the welds at room tempreture

        5 結(jié) 論

        (1) 在鐵素體不銹鋼 TIG 焊中,所用活性劑均能降低其臨界熔透電流并增加焊縫熔深.氧化物類活性劑的效果優(yōu)于鹵化物類活性劑,其中效果最好的B2O3在焊接電流為 90,A 時能使臨界熔透電流降低57.7%,焊縫熔深增加1.46 倍.

        (2) 多組分活性劑的作用比單組分活性劑更佳.使用 B2O3單組分活性劑需要 110,A 以上的電流才能使 3.2,mm 鐵素體不銹鋼板完全焊透,而同樣條件下使用最佳配比的多組分活性劑時只需要 105,A的電流就可完全焊透.

        (3) 在本實(shí)驗(yàn)條件下,活性劑的使用可以大幅增加焊縫熔深,同時焊縫區(qū)鐵素體的晶粒尺寸略有減小,焊縫力學(xué)性能則基本保持不變.

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