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        不同焊接方法下20Mn23Al無磁鋼焊接接頭的顯微組織與性能

        2018-11-28 08:40:22,,
        機械工程材料 2018年11期
        關鍵詞:焊縫方法

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        (西安理工大學材料科學與工程學院,西安 710048)

        0 引 言

        20Mn23Al無磁鋼具有極低的磁導率,廣泛應用于制造變壓器的油箱及其他附件[1-2]。由于無磁鋼是根據(jù)變壓器制造廠的特殊要求而生產(chǎn)的電工材料,在普通的機械領域中很少用到,因此國內(nèi)外并沒有針對無磁鋼的成熟的焊接工藝及專用的焊接材料。對20Mn23Al無磁鋼進行焊接時通常采用不銹鋼焊接材料,常用的焊接方法主要有氣體保護焊、手工電弧焊和埋弧焊。對于厚度小于14 mm的20Mn23Al無磁鋼薄板,李立新[3]采用A302和A132焊條對其進行焊接,而李創(chuàng)基[4]采用研制的專用焊條KTD-286A對其進行焊接。對于厚度大于14 mm的20Mn23Al無磁鋼厚板,翟衛(wèi)東[5]采用埋弧焊對其進行焊接。20Mn23Al無磁鋼的顯微組織為單相奧氏體,在焊接過程中隨熱輸入的增加,奧氏體晶粒變粗,熱影響區(qū)的敏化溫度區(qū)間變寬,從而導致焊接接頭的耐腐蝕性能下降,使焊接接頭容易出現(xiàn)熱裂紋[6]。為了研究不同焊接方法對20Mn23Al無磁鋼組織和性能的影響,作者選用變壓器常用的3種焊接方法,即非熔化極惰性氣體鎢極保護焊-熔化極氣體保護焊(TIG-GMAW)、非熔化極惰性氣體鎢極保護焊-手工電弧焊(TIG-SMAW)和非熔化極惰性氣體鎢極保護焊-埋弧焊(TIG-SAW)對厚度12 mm的20Mn23Al無磁鋼板進行焊接,對比不同焊接方法下20Mn23Al無磁鋼焊接接頭的顯微組織、力學性能和耐腐蝕性能,為10~14 mm厚20Mn23Al無磁鋼板的焊接提供試驗參考。

        1 試樣制備與試驗方法

        試驗材料為20Mn23Al奧氏體無磁鋼板,供貨態(tài)為軋制態(tài),化學成分如表1所示,顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出,試驗鋼的組織為單相奧氏體,沿軋制方向呈帶狀分布。焊接材料為E316LT0-1不銹鋼焊絲、E309-16(A302)焊條、H08Cr21Ni10Si埋弧焊焊絲搭配HJ260焊劑,3種焊材的化學成分如表2所示。

        表1 20Mn23Al鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 20Mn23Alsteel (mass) %

        圖1 20Mn23Al鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of 20Mn23Al steel

        Table 2 Chemical composition of welding materials (mass) %

        分別采用TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW焊接方法對尺寸為300 mm×150 mm×12 mm的試驗鋼板進行對接焊,這3種焊接方法均采用TIG進行打底焊,用GMAW、SMAW、SAW進行填充、蓋面焊接[7-9]。采用TIG-GMAW、TIG-SMAW焊接時,鋼板兩邊均開Y形坡口,鈍邊2 mm,采用TIG-SAW焊接時,鋼板兩邊均開X形坡口。焊接前,對坡口兩側(cè)20 mm范圍區(qū)域進行清理。用TIG進行焊接時采用純氬氣作為保護氣體,用GMAW進行焊接時采用80%(體積分數(shù),下同)Ar+20%CO2作為保護氣體。3種焊接方法的焊接工藝參數(shù)如表3所示。用SMAW進行焊接時采用直流反接。焊接前對鋼板進行120 ℃預熱,焊后隨爐冷卻,以降低焊接接頭的殘余應力。

        在焊縫區(qū)域截取金相試樣,經(jīng)打磨、拋光,用王水溶液腐蝕后,在OLYMPUSGX71型光學顯微鏡上觀察母材和焊縫的顯微組織。采用HV-120型維氏硬度計從母材到焊縫每隔1 mm測硬度,載荷為200 N,保載時間為15 s。按照GB/T 2652-2008,以焊縫為中心,在焊接接頭處截取如圖2(a)所示的拉伸試樣,采用SHT5106型拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為0.5 mm·min-1。按照GB/T 2650-2008,以焊縫為中心,在焊接接頭上截取如圖2(b)所示的沖擊試樣,采用JB-300B型沖擊試驗機進行沖擊試驗,試驗溫度分別為20,-20 ℃,在JSM-6700F型冷場發(fā)射掃描電鏡(SEM)上觀察沖擊斷口形貌。在焊接接頭焊縫處截取尺寸為30 mm×20 mm×4 mm的試樣,逐級打磨至1000#,按照JB/T 7901-2001進行腐蝕試驗,腐蝕介質(zhì)為由體積分數(shù)2.5%H2SO4和體積分數(shù)2.5%HCl組成的水溶液,采用水浴加熱,試驗溫度35 ℃,試驗時間72 h,腐蝕試驗結(jié)束后,在流水中用軟毛刷對試樣表面進行輕微機械清洗,去除附著不牢固的或疏松的腐蝕產(chǎn)物,清理完成后迅速干燥并貯存于干燥器內(nèi),冷卻至室溫后用FA2004N型電子天平測試樣腐蝕前后的質(zhì)量,腐蝕速率的計算公式[10]為

        表3 不同焊接方法的工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of different welding methods

        圖2 拉伸和沖擊試樣的尺寸Fig.2 Dimensions of tensile (a) and impact (b) samples

        (1)

        式中:R為腐蝕速率,mm·a-1;m為試驗前試樣的質(zhì)量,g;m1為試驗后試樣的質(zhì)量,g;S為試樣的表面積,cm2;t為試驗時間,h;ρ為材料的密度,kg·m-3。

        每種焊接方法下測5個數(shù)據(jù),選取中間3個數(shù)據(jù)取平均值,得到不同焊接方法下試樣的平均腐蝕速率。采用JSM-6700F型冷場發(fā)射掃描電鏡觀察腐蝕形貌。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        由圖3(a)~圖3(c)可以看出:TIG-GMAW接頭焊縫的顯微組織由奧氏體、網(wǎng)狀δ鐵素體和碳化物組成,δ鐵素體的存在可以有效地消除單相奧氏體的方向性,使其晶粒細化,從而提高焊縫的強度[11],同時還可起到抗裂、耐晶間腐蝕的作用[12];打底焊焊縫的晶粒尺寸最小,填充焊焊縫的次之,蓋面焊焊縫的最大。由圖3(d)~圖3(f)可以看出,TIG-SMAW接頭焊縫的顯微組織由奧氏體、骨骼狀或蠕蟲狀δ鐵素體和碳化物組成,δ鐵素體分布于奧氏體基體中;打底焊焊縫的晶粒尺寸最小,填充焊焊縫的次之、蓋面焊焊縫的晶粒尺寸最大。由圖3(g)~圖3(i)可以看出:TIG-SAW接頭焊縫的顯微組織由奧氏體、骨骼狀δ鐵素體和碳化物組成,δ鐵素體分布于奧氏體基體中,導致焊縫的塑性較差;TIG-SAW接頭焊縫的晶粒尺寸比其余2種焊接方法下的大,且蓋面焊的組織為粗大的樹枝晶,這是由于SAW焊接電流較大,熱效率高,奧氏體易于長大而導致的。20Mn23Al鋼為無磁鋼,這就要求焊縫組織也應具有抗磁性。δ鐵素體屬于體心立方體結(jié)構(gòu),為鐵磁體組織,其含量越多,磁導率則越大,抗磁性能越好;但其含量過多會造成20Mn23Al鋼變脆。焊縫組織中δ鐵素體的面積分數(shù)以5%最為適宜[3]。

        2.2 維氏硬度

        由圖4可知:3種焊接方法下,焊接接頭焊縫的硬度最高,焊接熱影響區(qū)(HAZ)的次之,母材的最低;TIG-SMAW接頭焊縫的硬度最高、TIG-GMAW接頭焊縫的次之。在焊接過程中,部分母材和焊材中的合金元素在高溫電弧作用下固溶于焊縫而產(chǎn)生固溶強化作用,因此焊縫的硬度高于母材和HAZ的;在焊接過程中,HAZ處于半熔融狀態(tài),在凝固時會有相析出,從而產(chǎn)生沉淀強化,因此HAZ的硬度高于母材的。

        圖3 3種焊接方法下焊接接頭中不同焊道焊縫的顯微組織Fig.3 Microstructures of different bead welds of welded joints by three welding processes: (a) backing weld of TIG-GMAW; (b) filling weld of TIG-GMAW; (c) cosmetic weld of TIG-GMAW; (d) backing weld of TIG-SMAW; (e) filling weld of TIG-SMAW; (f) cosmetic weld of TIG-SMAW; (g) backing weld of TIG-SAW; (h) filling weld of TIG-SAW and (i) cosmetic weld of TIG-SAW

        圖4 3種焊接方法下焊接接頭的硬度分布Fig.4 Hardness distribution of welded joint by three welding processes

        TIG-SAW過程中的熱效率比較高,為0.85,焊縫區(qū)域溫度升高得較快,因此鉻的擴散速率增大,使得晶界處不易形成貧鉻區(qū),導致碳化物的形成受到抑制;同時焊接過程中的熱循環(huán)峰值溫度很高[13-14],焊縫在高溫處停留的時間也隨之增加,從而促進了奧氏體的長大,并使得析出相含量較低。因此,TIG-SAW接頭焊縫的硬度最低。在TIG-SMAW過程中,焊縫中的析出相最多,強化效果最明顯,因此硬度最高。

        2.3 拉伸性能

        拉伸時TIG-GMAW接頭在焊縫處斷裂,TIG-SMAW和TIG-SAW接頭均在母材處斷裂。由表4可以看出:3種焊接方法下焊接接頭的拉伸性能均滿足變壓器的使用要求,且TIG-SMAW焊接方法下接頭的拉伸性能優(yōu)于其他2種焊接方法下的。

        表4 3種焊接方法下焊接接頭的拉伸性能Table 4 Tensile properties of welded joints by threewelding processes

        2.4 沖擊性能

        TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW接頭在20 ℃時的沖擊功分別為79.5,71.0,31.5 J,在-20 ℃時的沖擊功分別為71,63,18 J,均滿足變壓器的使用要求。

        由圖5(a)~圖5(c)可以看出:在20 ℃時,TIG-GMAW、TIG-SMAW接頭的沖擊斷口均呈韌窩狀,韌窩分布均勻,焊接接頭均為韌性斷裂,且TIG-GMAW接頭斷口的韌窩大而深,因此該接頭的韌性更好;TIG-SAW接頭的沖擊斷口呈現(xiàn)韌窩、解理臺階和解理條紋等形貌,呈韌性和準解理混合斷裂特征,該焊接接頭的韌性較差,這與TIG-SAW的熱輸入較大,導致所形成的柱狀晶較粗大有關。TIG-GMAW接頭的晶粒細小,一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)量較多,在塑性變形時位向有利的晶粒較多,變形可均勻地分散到各個晶粒上;且晶粒越細小,晶界越多,越有利于裂紋的擴展,使得接頭在斷裂前可獲得更大的塑性變形。因此,TIG-SMAW接頭的塑性最好。

        由圖5(d)~圖5(f)可以看出:在-20 ℃時,TIG-GMAW、TIG-SMAW接頭沖擊斷口中的韌窩均較小,且分布均勻,焊接接頭為韌性斷裂,與20 ℃時的相比,韌性稍差;TIG-SAW接頭呈韌性和準解理混合斷裂特征,但與20 ℃時的相比,其解理臺階和解理條紋的數(shù)量較多,韌性較差。

        圖5 3種焊接方法下焊接接頭在不同溫度沖擊后的斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of impact fracture at different temperatures of welded joints by three welding processes

        2.5 耐腐蝕性能

        由表5可以看出,TIG-SAW接頭的腐蝕速率最大,TIG-SMAW接頭的最小。

        由圖6可以看出:TIG-GMAW接頭的腐蝕嚴重,表面出現(xiàn)大量的腐蝕坑,并且部分區(qū)域已經(jīng)脫落;TIG-SMAW接頭表面腐蝕坑的數(shù)量較少,且腐蝕坑比TIG-GMAW接頭的淺很多,說明TIG-SMAW接頭的腐蝕較輕微;TIG-SAW接頭表面腐蝕坑尺寸最大,說明其腐蝕最嚴重。綜上可知,TIG-SMAW接頭的耐腐蝕性能最優(yōu),TIG-GMAW接頭的次之,TIG-SAW接頭的最差,這與焊接時的熱輸入有關。焊接熱輸入越大,焊接接頭的腐蝕越嚴重[15]。在焊接過程中,熱影響區(qū)的溫度高達400 ℃及以上,導致接頭的晶粒粗大;溫度升高還導致碳原子更易擴散到晶界處,碳原子與鉻原子反應生成Cr23C6,使晶界處形成貧鉻區(qū),Cr23C6與貧鉻區(qū)構(gòu)成腐蝕電池,導致其耐腐蝕性能降低。隨著焊接熱輸入的增大,焊接熔池在高溫階段停留的時間延長,貧鉻區(qū)擴大,從而導致焊接接頭的耐腐蝕性能進一步降低。

        表5 3種焊接方法下焊接接頭的腐蝕速率Table 5 Corrosion rates of welded joints by threewelding processes mm·a-1

        圖6 3種焊接方法下焊接接頭的腐蝕形貌Fig.6 Corrosion morphology of welded joint by three welding processes

        3 結(jié) 論

        (1) 在TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW焊接方法下,焊接接頭焊縫的顯微組織均由奧氏體、δ鐵素體和碳化物組成,TIG-SAW焊接接頭焊縫的晶粒尺寸比其余2種焊接方法下的大。

        (2) 3種焊接方法下,焊接接頭焊縫的硬度最高,焊接熱影響區(qū)(HAZ)的次之,母材的最低;TIG-SMAW接頭焊縫的硬度最高,TIG-GMAW接頭焊縫的次之,TIG-SAW接頭焊縫的最低;TIG-SMAW焊接方法下接頭的拉伸性能優(yōu)于其他2種焊接方法下的。

        (3) TIG-GMAW接頭的沖擊韌性最好,TIG-SMAW接頭的次之,TIG-SAW接頭的最差;TIG-GMAW、TIG-SMAW接頭的沖擊斷口均存在大量韌窩,為韌性斷裂;TIG-SAW接頭沖擊斷口存在韌窩、解理臺階和解理條紋,呈韌性和準解理混合斷裂特征。

        (4) TIG-GMAW、TIG-SMAW、TIG-SAW接頭的平均腐蝕速率分別為80.15,79.50,83.54 mm·a-1;TIG-GMAW接頭腐蝕嚴重,表面出現(xiàn)大量的腐蝕坑,并且部分區(qū)域已經(jīng)脫落;TIG-SMAW接頭表面腐蝕坑的數(shù)量較少,且腐蝕坑比TIG-GMAW接頭的淺很多,腐蝕較輕微;TIG-SAW接頭表面腐蝕坑尺寸最大,腐蝕最嚴重;TIG-SMAW接頭的耐腐蝕性能最好,TIG-GMAW接頭的次之,TIG-SAW接頭的最差。

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