劉 陽 劉愛國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

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Q235鋼表面CMT堆焊310不銹鋼的組織與性能

劉 陽 劉愛國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

采用自動CMT (Cold metal transfer) 焊工藝，在Q235鋼板堆焊了H12Cr26Ni21Si不銹鋼，焊接電流為108 A，焊接電壓為15.8 V，擺動寬度為12 mm，擺動速度為23 mm/s，焊接速度為2 mm/s，堆焊搭接量為7 mm，獲得了成型美觀、致密無缺陷的不銹鋼堆焊層。對堆焊層的顯微組織、化學(xué)成分進行了分析，測試了堆焊層的顯微硬度及與基體結(jié)合強度。結(jié)果表明，堆焊層組織為奧氏體樹枝晶和等軸晶；Ni,Cr,Fe是組成堆焊層的主要元素；堆焊層硬度高于基體；堆焊層與基體的結(jié)合界面的抗剪切強度大于405 MPa。

堆焊 不銹鋼 組織 性能

0 序 言

隨著石油、化工工業(yè)的迅速發(fā)展，許多設(shè)備以及其關(guān)鍵零部件通常在高溫、高壓和帶腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下服役。生產(chǎn)這類設(shè)備及零部件的首選材料就是不銹鋼，但不銹鋼材料價格昂貴，為了降低設(shè)備生產(chǎn)成本，在實際生產(chǎn)中常常采用碳素鋼作為基體，在其表面堆焊不銹鋼材料，以此來滿足強度性能和耐腐蝕性能的要求[1-2]。然而，在以碳素鋼為基體堆焊不銹鋼過程中，其熔合線附近會發(fā)生 C,Cr 等元素的擴散和遷移，這會形成脆性相析出層，影響堆焊質(zhì)量[3]。因此，為了使堆焊層獲得理想的性能，就要保證焊縫具有合適的合金含量，也就是需要對焊縫稀釋率進行控制。

堆焊是用焊接的方法來增大或恢復(fù)焊件尺寸，或把耐磨、耐腐蝕等特殊性能的填充金屬熔覆在基體金屬表面而使焊件表面獲得特殊性能的一種工藝方法。各種熔化焊工藝，如焊條電弧焊、TIG焊、MIG焊、埋弧焊、等離子弧焊等焊接方法都可以進行堆焊，但考慮到成本、效率、堆焊變形、焊縫稀釋率等綜合因素，這些方法并都不是十分完美，需要大量改進與優(yōu)化[4-6]。

CMT(Cold metal transfer)即冷金屬過渡的簡稱，該焊接方法具有熱輸入低、焊接穩(wěn)定、成型美觀等優(yōu)點，非常適合堆焊[7]。其設(shè)備簡單易于操作，且成本較低，焊接效率也較高，在低的熱輸入下不僅有利于控制工件的變形，還有利于獲得稀釋率較小的堆焊層。

文中采用與Inconel625 鎳基合金相比防護效果略低但價格較為便宜的ER-310(H12Cr26Ni21Si)奧氏體不銹鋼焊絲作為堆焊材料進行了堆焊試驗，對堆焊層的組織、化學(xué)成分，以及堆焊層與基體的硬度和結(jié)合強度作了分析。

1 試驗材料與方法

試驗選用Q235鋼板作為基板，試板尺寸為200 mm×100 mm×4 mm。堆焊前對試板表面進行處理，去除表面氧化皮和油污等。由于Q235焊接性良好，焊接前不需要進行預(yù)熱。焊絲采用ER-310(H12Cr26Ni21Si)奧氏體不銹鋼焊絲，直徑為1.2 mm?；錛235與ER-310焊絲主要合金成分見表1[8-9]。

表1 Q235和ER-310主要合金成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

堆焊方法采用自動CMT焊，焊接電流108 A，焊接電壓15.8 V，擺動寬度12 mm，擺動速度23 mm/s，左右停留時間為0.1 s，焊接速度為2 mm/s，搭接量為7 mm。用此參數(shù)進行堆焊試驗，焊接過程穩(wěn)定無飛濺，可以獲得無肉眼可見氣孔、裂紋等缺陷的多道連續(xù)的堆焊層。

用DK7740電火花數(shù)控線切割機在樣板上截取試樣。由于碳素鋼與不銹鋼的耐腐蝕性能差異較大，因此將經(jīng)過打磨拋光后的試樣先采用4%硝酸酒精腐蝕基體，用Axioverl 200光學(xué)顯微鏡觀察基體組織，再用王水腐蝕堆焊層，觀察堆焊層組織形貌。采用SSX-550掃描電鏡附帶的能譜儀分析堆焊層化學(xué)成分。采用FM-300型顯微硬度儀對堆焊層進行硬度測試，加載載荷50 N；加載時間5 s。根據(jù)國家標準GB 6396—2008復(fù)合鋼板性能試驗方法要求，其剪切強度測試加工后試樣中堆焊層凸臺厚度為基體厚度的1/3，并且堆焊后的試板會有較小的變形。因此，為了使測量結(jié)果更準確，采用相同的堆焊工藝在板厚為6 mm試板上進行堆焊，并將堆焊后的試樣按照如圖1a所示的形狀尺寸加工。保證能在基體上沿著熔合線切割下多余的堆焊層，將加工的試樣按照圖1b所示放入剪切夾具中，采用三思萬能力學(xué)試驗機對堆焊層與基體的結(jié)合強度進行測試，設(shè)置加載速率為 100 N/s。

圖1 試樣與夾具尺寸

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 堆焊層宏觀形貌

堆焊不銹鋼后的樣板和堆焊后橫截面如圖2所示?？梢钥闯龆押笇颖砻娌粌H成型美觀且堆焊層厚度較為均勻。堆焊層各道之間搭接良好，在各道之間未出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，此外堆焊層與基體的熔合線幾乎為一直線。測量堆焊后的試樣截面發(fā)現(xiàn)，堆焊層厚度基本上一致，其厚度約為2.8 mm；熔深較小，幾乎為零，進而稀釋率可以認為接近于零。

圖2 堆焊不銹鋼的樣板和截面圖

2.2 堆焊層顯微組織

圖3為ER-310堆焊層與基體的組織形貌。由圖3可見，堆焊層沒有氣孔、裂紋等缺陷；堆焊層與基體在熔合線處沒有產(chǎn)生分離現(xiàn)象，堆焊層與基體結(jié)合良好。圖4為舍夫勒組織圖，根據(jù)Q235基體與ER-310焊絲的化學(xué)成分計算出各自的Creq(鉻當量)和Nieq(鎳當量)。通過計算得到Q235的鉻當量Creq=0.39%，鎳當量Nieq=5.625%；ER-310的鉻當量Creq=26.709%，鎳當量Nieq=21.77%。在舍夫勒組織圖上找到對應(yīng)的點并連線，如圖中虛線所示。當稀釋率很小，接近于零時，可知堆焊層中的組織為奧氏體組織。結(jié)合圖3可知，由于在堆焊過程中，基體表面局部熔化形成的熔池主要通過結(jié)合面處的基體散熱，基體作為冷卻源，此處溫度梯度極大會優(yōu)先結(jié)晶，而熔覆層頂部散熱主要通過大氣散熱，固液結(jié)合界面溫度梯度較小。因此，堆焊層靠近基體一側(cè)為奧氏體柱狀樹枝晶，遠離基體的一側(cè)為奧氏體等軸晶。由圖3c可知Q235基體組織為未發(fā)生轉(zhuǎn)變的鐵素體+部分相變后細小的鐵素體+珠光體。

圖3 堆焊層與基體的顯微組織

圖4 舍夫勒組織圖

2.3 堆焊層化學(xué)成分分析

為了進一步了解堆焊層和基體中化學(xué)成分的分布特征，在熔合線附近從堆焊層向著基體的方向選取5點，如圖5a所示，采用掃描電鏡附帶的能譜儀對堆焊層的化學(xué)成分進行測量，結(jié)果如圖5b所示。通過測試不同的局部區(qū)域的成分，得知整個堆焊層中主要元素為Ni,Cr,Fe，且這三種元素的分布較為均勻，其中Ni元素含量在19%～21%、Cr元素的含量在24%～26%、Fe元素的含量在51%左右。從堆焊層向Q235基體方向?qū)i,Cr,Fe三種元素進行線掃描，如圖5c所示，各元素掃描結(jié)果如圖5d所示。由圖5d可知，堆焊層中的這些元素在堆焊層與基體熔合線上(厚度約2～5 μm)發(fā)生了突變；其中Ni,Cr兩種元素在界面處快速下降，在基體中的含量接近于0；Fe是Q235基體中主要元素，在堆焊層到基體的熔合界面處顯著增加；堆焊層中Ni,Cr,Fe三種主要元素的含量在熔合線處的突變，表明在堆焊過程中母材熔化量非常小，堆焊層稀釋率非常低。

圖5 堆焊層能譜分析結(jié)果

2.4 堆焊層顯微硬度

從熔合線分別向基體和堆焊層的方向，每隔0.2 mm取1組測試點進行顯微硬度測試，每1組測試3個點取平均值，其硬度分布如圖6所示，圖中虛線表示熔合線所在位置?？梢钥闯龆押笇拥挠捕仍?90～200 HV之間，靠近母材的堆焊層硬度值比距離母材較遠的堆焊層要高，并在熔合線處硬度出現(xiàn)峰值，為260 HV，這可能是由于在高溫情況下，母材部分的碳元素由母材擴散到堆焊層，使堆焊層產(chǎn)生強化。母材的硬度值約為160～180 HV，略小于堆焊層硬度。

2.5 剪切試驗

界面結(jié)合性能是在Q235鋼板上堆焊ER-310奧氏體不銹鋼的一個重要性能指標，為研究其結(jié)合性能，對堆焊后的試板加工出2個如圖1所示的試樣尺寸的試樣進行了剪切試驗，結(jié)果見表2。試樣的抗剪切強度都在405 MPa以上，遠高于國標GB/T 8165—2008中規(guī)定的復(fù)合板界面結(jié)合強度210 MPa，說明在該堆焊工藝下堆焊的不銹鋼層與基體具有良好的抗剪切性能。

表2 剪切試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)在Q235鋼表面上使用CMT堆焊技術(shù)，當焊接參數(shù)為：焊接電流108 A，焊接電壓15.8 V，擺動寬度12 mm，擺動速度23 mm/s，左右停留時間為0.1 s，焊接速度為2 mm/s，搭接量為7 mm時，獲得了成型美觀、無宏觀缺陷的奧氏體不銹鋼合金層。

(2)經(jīng)過金相分析表明，堆焊層與基體結(jié)合界面處無氣孔、熔合不良、夾雜、裂紋等焊接缺陷，堆焊層組織為奧氏體樹枝晶和奧氏體等軸晶。

(3)經(jīng)過EDS測試表明，Ni,Cr,Fe等主要元素在熔合線附近的含量發(fā)生突變的區(qū)域較窄，為2～5 μm，表明基體對堆焊層的稀釋率低，熔合比非常小。

(4)通過對堆焊層與基體的硬度測試表明，堆焊層的硬度略高于基體硬度；剪切試驗表明，界面抗剪切強度大于405 MPa，遠高于國標GB/T 8165—2008中規(guī)定的復(fù)合板界面結(jié)合強度，說明在該堆焊工藝下堆焊的不銹鋼層與基體具有良好的抗剪切性能。

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2016-06-21

TG455

劉 陽，1990年出生，碩士研究生。主要從事大型焊接結(jié)構(gòu)及工藝方面的學(xué)習(xí)與研究。

劉愛國，博士，教授。