潘 強(qiáng)，劉爾璽，馮淳元，楊耀華，王 波，潘會(huì)平

（蘭州市蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州730050）

Q235鋼板表面堆焊不銹鋼改性處理

潘 強(qiáng)，劉爾璽，馮淳元，楊耀華，王 波，潘會(huì)平

（蘭州市蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州730050）

為了提高Q235鋼表面的耐蝕性和硬度等性能，采用TIG堆焊技術(shù)對(duì)Q235鋼進(jìn)行表面堆焊不銹鋼試驗(yàn)，在30個(gè)試樣中選取堆焊效果較好的4個(gè)試樣，分析了其組織的宏觀和微觀形貌，選擇15#試樣堆焊層進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)，并與Q235鋼板的硬度進(jìn)行了比較分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在Q235鋼板表面堆焊不銹鋼進(jìn)行表面處理，其表面硬度有明顯的提高，堆焊后Q235鋼板表面堆焊層的耐蝕性比Q235鋼母材的耐蝕性強(qiáng)。

Q235鋼；堆焊；不銹鋼；表面性能

Abstract:In order to improve the surface performance of Q235 steel，such as corrosion resistance，hardness and so on，in this article，it adopted TIG technology to conduct surface overlaying welding on stainless steel，carried out 30 groups of tests，selected four samples which possessing good overlaying welding effect，analyzed the macroscopic and microscopic morphology，and selected 15#specimen to conduct corrosion test.Finally，it is concluded that surface overlaying welding on stainless steel for Q235 steel，the surface hardness of steel plate obviously be increased，the corrosion resistance of Q235 steel after surfacing welding is better than that of Q235 steel base metal.

Key words:Q235 steel；overlaying welding；stainless steel；surface performance

Q235鋼由于其擁有良好的綜合力學(xué)性能，能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件的要求，然而由于Q235鋼表面硬度低、耐腐蝕性差等缺點(diǎn)限制了其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，Q235鋼不但會(huì)在酸性以及中性介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在高溫濃堿中耐腐蝕性更差[2]。隨著表面堆焊與表面鍍覆等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以通過(guò)對(duì)Q235鋼進(jìn)行表面堆焊不銹鋼，來(lái)提高Q235鋼表面耐腐蝕性和硬度等性能。

1 試驗(yàn)材料

1.1 材料準(zhǔn)備

堆焊是用焊接方法在工件表面堆覆一層具有一定性能的材料的工藝過(guò)程。本試驗(yàn)采用TIG堆焊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用4塊Q235鋼板，鋼板厚度3.60 mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2[3]。本次試驗(yàn)焊接材料為309L不銹鋼焊絲，焊絲直徑為1.00 mm，主要化學(xué)成分見(jiàn)表3[4]。

表1 Q235鋼板化學(xué)成分

表2 Q235鋼板力學(xué)性能

表3 309L不銹鋼焊絲化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的設(shè)備主要有：F-P400型球磨機(jī)、JH-16型壓力機(jī)、Q-2型金相試樣切割機(jī)、MP-2型拋光機(jī)、XQ-2B型金相鑲嵌機(jī)、XL30 ESEM-TMP型環(huán)境掃描電鏡、TT2200型全數(shù)字直流TIG焊機(jī)、KD4010送絲機(jī)、工業(yè)控制機(jī)和XKA714B/1E數(shù)控銑床等組裝成的堆焊成型系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

2.1 焊前準(zhǔn)備

堆焊試驗(yàn)采用TIG焊，直流正接，焊縫長(zhǎng)度70 mm。保持焊接電弧長(zhǎng)約4.5 mm不變；送絲角度為20°～30°，焊絲末端距工件高度為l mm；鈰鎢極直徑2.4 mm，尖端錐角約35°；保護(hù)氣體為99.9%的普通工業(yè)純氬，氣體流量為10～15 L/min。

氬氣是惰性氣體，在焊接過(guò)程中既不與金屬發(fā)生化學(xué)作用，也不溶于金屬中，這為獲得高質(zhì)量焊縫提供了良好條件。但是氬氣不像還原性氣體或氧化性氣體那樣具有脫氧或去氫能力，因此TIG焊接過(guò)程對(duì)焊件上的污染極為敏感[5]。為保證焊接質(zhì)量，焊前必須將焊件和焊絲等清理干凈，不殘留污染物。必須清除的污染物有油脂、油漆、涂層加工時(shí)用的潤(rùn)滑劑、塵土和氧化膜等。因此堆焊前將待焊表面用砂紙手工逐級(jí)磨光，以去除試樣表面的氧化膜和吸附層，然后用丙酮擦拭待焊試樣表面，用熱風(fēng)吹干后即可進(jìn)行堆焊試驗(yàn)[6]。

2.2 堆焊焊接參數(shù)設(shè)計(jì)及影響

由相關(guān)試驗(yàn)得知，TIG堆焊不銹鋼適合電流110～130 A，送絲速度 90～130 cm/min，焊接速度100～140 mm/min[7]，因此根據(jù)焊接速度、送絲速度和焊接電流的單一變化，設(shè)計(jì)了30組試驗(yàn)，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表4 30個(gè)不銹鋼單道單層堆焊試樣設(shè)計(jì)參數(shù)

從對(duì)焊接過(guò)程的觀察和試樣焊接結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，焊接電流、送絲速度以及焊接速度對(duì)堆焊層有一定影響。

（1）焊接電流對(duì)堆焊層的影響。從堆焊層的表面可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接速度和送絲速度不變，焊接電流為90 A和100 A時(shí)，焊絲都會(huì)出現(xiàn)不能完全熔化的現(xiàn)象。這表示不銹鋼焊絲的熔點(diǎn)較高，小的電流不能滿足堆焊要求。而當(dāng)焊接電流為110 A時(shí)，在焊接速度不變的情況下，調(diào)整焊接速度也很難使堆焊表面平整。雖然焊接電流基本達(dá)到要求，可還是會(huì)影響堆焊層表面成型。而焊接電流為120 A和130 A時(shí)，堆焊層表面基本上可以保持較好美觀程度。但130 A的電流有可能會(huì)造成鋼板厚度不夠，而被焊穿的現(xiàn)象。

（2）送絲速度對(duì)堆焊層的影響。根據(jù)堆焊過(guò)程中的觀察和堆焊表面成型的情況，由于本試驗(yàn)所采用的鋼板厚度較小，使焊接電流受到限制，從而送絲速度同樣不能太大。從堆焊結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)送絲速度大于80 mm/min時(shí)，基本都會(huì)出現(xiàn)焊絲不能完全熔化的情況，這樣就對(duì)堆焊層表面成型有很大的影響；而當(dāng)送絲速度≤60 mm/min時(shí)，堆焊層不能保持很好的連續(xù)性。

（3）焊接速度對(duì)堆焊層的影響。在不銹鋼堆焊試驗(yàn)中，大部分采用的焊接速度為100 mm/min，在少數(shù)堆焊層表面有重疊現(xiàn)象的情況下，將焊接速度調(diào)至120 mm/min時(shí)，發(fā)現(xiàn)會(huì)影響堆焊層的連續(xù)性。在焊接電流和送絲速度的限制下，焊接速度不能太高。

圖1 30個(gè)不銹鋼堆焊層試樣試驗(yàn)結(jié)果

在上面30組試樣中根據(jù)焊接電流、焊接速度和送絲速度的不同，選擇焊接效果較好的4個(gè)試樣，分別標(biāo)記并進(jìn)行后序試驗(yàn)。選擇2#、12#、18#試樣做金相試驗(yàn)，選擇15#試樣做腐蝕試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 金相分析

金相顯微分析法是用來(lái)測(cè)定金屬合金相圖的主要方法之一。它借助于光學(xué)顯微鏡或者電子顯微鏡觀察合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，研究試樣所包含的相數(shù)、性質(zhì)以及各個(gè)相的大小、含量、形狀等，借以探討試樣的相關(guān)關(guān)系[8]。

用2#、12#、18#焊接試樣制做金相試樣，把做成的試樣截取一小段，在砂輪上進(jìn)行打磨，然后在粗砂紙上粗磨，光滑后在細(xì)砂紙上細(xì)磨，在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，然后用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的XL30 ESEM-TMP型環(huán)境掃描電鏡觀察支架的斷面微觀形貌。圖2為2#、12#和18#試樣宏觀形貌，圖3為12#試樣的顯微組織，圖4為不銹鋼堆焊層與母材結(jié)合區(qū)組織，圖5為不銹鋼堆焊層金相組織。

圖3 12#試樣微觀照片

圖4 不銹鋼堆焊層與母材結(jié)合區(qū)組織

圖5 不銹鋼堆焊層金相組織

從圖2和圖3可以看出，作為亞共析鋼，母材的組織主要由鐵素體和珠光體組成。粒狀的珠光體彌散分布在比較粗大的鐵素體晶粒中間。而熱影響區(qū)的組織經(jīng)歷過(guò)回復(fù)（指新的無(wú)畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段）、再結(jié)晶（指出現(xiàn)無(wú)畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過(guò)程）、晶粒長(zhǎng)大（指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長(zhǎng)大）過(guò)程。經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程之后，得到的就是尺寸較為穩(wěn)定的、無(wú)畸變的細(xì)等軸晶粒[9]。

從圖4可以看出，在靠近與母材結(jié)合部分的組織有部分等軸晶，這是因?yàn)橛需F元素滲透進(jìn)去，這就是堆焊過(guò)程中的滲鐵現(xiàn)象。在堆焊過(guò)程中，靠近母材的熔敷層中溶解了較多的Fe，F(xiàn)e一方面作為形核質(zhì)點(diǎn)，大大增加了液態(tài)金屬中的晶核；而另一方面，在凝固過(guò)程中Fe和其他雜質(zhì)元素又阻礙了晶粒的生長(zhǎng)，從而使晶粒以等軸晶存在[10]。而在遠(yuǎn)離結(jié)合面的堆焊層中，滲透的Fe很少或根本沒(méi)有Fe的滲透，所以其組織以樹(shù)枝晶存在。

從圖5可以看出，其組織主要為等軸晶，還存在部分的樹(shù)枝晶。從腐蝕的過(guò)程中看，不銹鋼需要用腐蝕性更強(qiáng)的硝酸氫氟酸溶液腐蝕后才能看清其金相組織[11]。而且在腐蝕的過(guò)程中，母材很容易出現(xiàn)腐蝕過(guò)度的情況。

3.2 堆焊層硬度性能比較

在對(duì)Q235鋼板進(jìn)行不銹鋼堆焊后，對(duì)堆焊后的表面性能進(jìn)行比較。選擇15#堆焊層做腐蝕試驗(yàn)，并且與未進(jìn)行堆焊的Q235鋼板進(jìn)行比較。用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合材料的顯微硬度，100g載荷加載15s[12]，每個(gè)試樣取3個(gè)值，如果離散太大則取5個(gè)值，最后求平均值[13]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 Q235鋼板和堆焊層表面硬度值

從表5的數(shù)據(jù)可以看出，不銹鋼堆焊層的表面硬度值都高于Q235鋼板。所以，通過(guò)對(duì)Q235鋼板表面進(jìn)行不銹鋼堆焊可以提高其表面硬度。

4 結(jié) 論

（1）焊接電流、焊接速度和送絲速度影響表面堆焊層的焊接效果，要根據(jù)焊件材料、厚度、接頭形式、焊接位置、焊絲的直徑等因素選擇合適的焊接參數(shù)。

（2）在奧氏體不銹鋼焊接接頭中, 按照鐵素體形態(tài)的變化定義特征區(qū)，較為合理的過(guò)渡區(qū)由未混合區(qū)、部分熔化區(qū)和固態(tài)相變區(qū)組成,其與兩側(cè)的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)之間均有明顯的邊界。

（3）焊接接頭的未混合區(qū)與焊縫區(qū)雖均為凝固組織, 但由于化學(xué)成分、過(guò)熱度和冷卻速度等的差異而形成形態(tài)不同的組織。部分熔化區(qū)與固態(tài)相變區(qū)無(wú)明顯的組織差異，它們形成的鐵素體細(xì)小、不連續(xù)、無(wú)方向性，奧氏體基體上無(wú)柱狀晶形態(tài)。

（4）通過(guò)在Q235鋼板表面堆焊不銹鋼進(jìn)行表面處理，可以提高其表面的硬度和耐蝕性能。

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Q235 Steel Plate Surface Overlaying Stainless Steel Modified Process

PAN Qiang，LIU Erxi，F(xiàn)ENG Chunyuan，YANG Yaohua，WANG Bo，PAN Huiping
（Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

TG455

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.005

2017－01－12

編輯：汪翰云

潘 強(qiáng)（1987—），男，2013年畢業(yè)于南昌大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)，大學(xué)本科，現(xiàn)主要從事材料研發(fā)、車輛工程方面的工作。