劉愛軍，王國平，鐘志宏,2，程繼貴,2，劉寧,2

(1.合肥工業(yè)大學，合肥 230009；2.安徽省粉末冶金工程技術研究中心，合肥 230009；3.先進功能材料與器件安徽省重點實驗室，合肥 230009)

0 前言

堆焊是采用焊接方法(如焊條電弧焊、埋弧焊和等離子弧焊等)將具有優(yōu)異性能的材料熔敷在工件表面的工藝過程[1-3]。堆焊不是連接工件，而是改性工件表面，以獲得具有耐磨性、耐熱性、耐蝕性等性能的熔敷層，或修補工件因磨損或加工失誤造成的尺寸不足，從而大幅度延長零件使用壽命。堆焊技術不僅要求堆焊層與基體的實現(xiàn)冶金結合，而且要求很低的稀釋率[4]，因此堆焊工藝對焊接技術提出越來越高的要求。冷金屬過渡焊接技術(CMT)是一種無焊渣飛濺的新型焊接工藝技術，其獨特的數(shù)字控制方式下的短電弧和焊絲的換向送絲機構保證焊接熱輸入最小[5-8]。CMT技術還可以實現(xiàn)異種牌號鋁合金的對接，且焊縫成形良好[9-11]。

Q345是一種廣泛應用于橋梁、車輛、船舶、壓力容器等領域的低合金鋼，該材料在壓力容器等領域對力學性能和耐蝕性等方面要求很高。通過冷金屬過渡堆焊技術在Q345表面堆焊高Cr合金鋼，能夠降低熱量輸入，改善Q345綜合性能。文中選用Q345為基體，采用低熱輸入弧焊堆焊高Cr合金鋼，研究CMT電弧堆焊高Cr合金鋼復合層組織及性能，探索雙層復合板的斷裂行為，以期為高Cr合金鋼在低熱輸入弧焊工藝下增強普通鋼材提供工程依據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗所使用的原材料主要是市售Q345鋼板(基體厚度12 mm)和焊絲為高Cr合金鋼(直徑為1.0 mm)。采用能譜儀測試焊絲的成分, 圖1a所示整個區(qū)域的主要成分如圖1b所示(電壓15 kV)，值得注意的是在能譜儀中C元素測定數(shù)據(jù)偏差較大。試驗過程：采用冷金屬過渡焊機(CMT)在Q345鋼板表面堆積一層厚8 mm的高Cr合金鋼的堆焊層，一共堆積3層，每層5道，每層具體的工藝參數(shù)為：焊接電流132～138 A，電弧電壓22～24 V，送絲速度5.5～6.5 m/min。焊機型號為TPS3200(TransPuls Synergic 3200)，焊機的機器人型號為ABB的IRB1410，機器人行走速度為3 mm/min。保護氣體為Ar(99.999%)。每道焊縫完成，都需要用鋼絲球清潔表面，然后酒精清洗，待焊縫溫度降到50 ℃以下，再進行下一道焊縫。堆焊層用線切割切成沖擊試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，基體層厚度4 mm，堆焊層厚度6 mm，在堆焊層一端開V形缺口(尺寸參照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗》)。

圖1 焊絲的主要成分

在堆焊之前，采用SDC1500潤濕角測定儀器測試了Q345和高Cr合金鋼之間的熔合情況。利用MR5000倒置顯微鏡觀察復合板的基體、堆焊層等部位的組織；通過D8Advance多晶X射線衍射儀對堆焊層和基體進行物相分析。采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡(JSM-6490LV, SU8020)對堆焊層和基體界面進行組織觀察，并利用附帶能譜儀(Oxford-7573)對感興趣的區(qū)域進行成分分析。采用MH-3的維氏硬度計對復合板的顯微硬度進行測試(載荷200 g，保壓時間15 s)，每兩個點之間的間隔為0.1 mm。采用JB-300B擺錘式沖擊試驗機測試復合板的沖擊韌性，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，擺錘速度(5 m/s)。

2 試驗結果與分析

2.1 焊絲與基體的熔合情況

采用測溫儀測量了焊接過程中熔池邊緣溫度結果在1 310～1 350 ℃范圍，為了進一步了解兩者的熔合情況，采用潤濕角測定儀測量了Q345對高Cr合金鋼熔合情況，結果如圖2a～2b所示。在1 330 ℃時，Q345對高Cr合金鋼潤濕角為59.2°，溫度到達1 380 ℃，Q345對高Cr合金鋼潤濕角為63.1°，潤濕角在0°～ 90°之間，說明Q345和高Cr合金鋼熔合性能良好。圖2c所示為冷過渡焊機(CMT)在Q345鋼板上宏觀熔合形貌，說明兩者的界面熔合程度良好。

圖2 不同溫度下基體和焊絲熔合情況

2.2 雙層復合板的物相和組織

堆焊層和基體X射線衍射結果如圖3所示，結果表明：堆焊層主要物相是馬氏體和殘余奧氏體，基體主要物相主要是α-Fe和Fe3C。圖4所示為復合板不同部位的組織。圖4a為靠近焊縫處基體組織，由圖可知，珠光體較多，鐵素體明顯減少，這是由于部分焊絲中的Cr進入基體導致的組織改變。圖4b和圖4c基體的組織主要為鐵素體和珠光體；圖4d為熔合區(qū)的位置(基體和焊絲的結合位置)，二者結合良好；界面結合處堆焊層組織主要是柱狀晶，柱狀晶數(shù)量較少，這是由于CMT熱輸入小引起的；圖4e 為堆焊層組織，主要是馬氏體和殘余奧氏體。圖5是夾雜物能譜儀結果，由圖可知，其主要是氧化物，含有硅元素，該夾雜存在容易造成沖擊載荷下的裂紋源。已有的研究表明，夾雜物主要來自外界(如焊劑)和冶金反應[12]。圖6是掃描電鏡觀察堆焊層和基體結合處組織，并對該區(qū)域做Fe,Cr,O和C元素面掃描(15 kV, 80 mm2)。結果表明Cr，O元素主要分布在堆焊層，F(xiàn)e,C元素基體、堆焊層分布較為均勻，然而有少量Cr元素進入基體，從而導致了結合處基體珠光體多鐵素體少，這個結果與圖4a組織結果相符合?；w和堆焊層的成分無明顯變化，這是由于CMT的熱輸入小，焊絲的元素擴散程度較小，焊絲的稀釋率低。

圖3 堆焊層和基體的X射線衍射圖

圖4 復合板不同部位的組織

圖5 熔合區(qū)孔隙能譜結果

圖6 熔合區(qū)面掃描結果

2.3 雙層復合板的性能和沖擊斷裂行為

基體和堆焊層顯微硬度如圖7所示，可以看出，堆焊層的硬度值大于基體的硬度值，堆焊層的硬度平均值為490 HV0.2。由圖7可知，在熔合區(qū)左邊少量區(qū)域硬度有所上升，這是由于少量合金元素擴散進入基體導致的組織的改變(圖4a)從而導致硬度上升。在熔合區(qū)右邊硬度基本變化不大，這是有CMT熱輸入小，因而基體的稀釋效低導致的單層硬度基本不變?；w的復合板的沖擊吸收能量為35 J，復合板的沖擊韌度主要受到三個方面影響：一是彈性功主要與堆焊層相關；二是塑性功主要因素是基體；三是撕裂功主要因素是堆焊層和基體結合程度及堆焊層。圖8所示為復合板的沖擊韌性斷口形貌，由圖8a可知在堆焊層斷口主要呈放射狀，圖8c基體斷口主要呈纖維狀，圖8b堆焊層和基體層結合處存在裂紋分叉，可以造成能量耗散，延遲裂紋擴展。復合板的斷裂主要分為3個部分，堆焊層、基體及兩者的界面。堆焊層合金元素含量高，強度較高，裂紋萌生功較大；基體塑性高可以有效增加裂紋的擴展阻力增加裂紋的擴展功；在兩者的界面存在裂紋分叉現(xiàn)場，也延遲了裂紋的擴展。

圖7 復合板的硬度分布

圖8 復合板的沖擊韌性斷口形貌

3 結論

(1)CMT堆焊高Cr合金鋼可獲得到了成形良好的堆焊層。堆焊層主要物相是馬氏體和奧氏體，基體相主要是α-Fe和Fe3C。界面處堆焊層組織柱狀晶較少，基體組織中珠光體含量明顯增加。

(2)堆焊層平均硬度值為490 HV0.2，基體組織平均硬度值為182 HV0.2，復合板的沖擊吸收能量為35 J。CMT焊接熱輸入小，材料稀釋率低，單層硬度變化較小。復合板的主要斷口形貌是撕裂棱和解理，在基體和堆焊層界面沖擊斷裂過程中存在裂紋分叉，可以有效延遲斷裂。采用CMT進行堆焊可以獲得綜合性能優(yōu)異的堆焊層，可用于Q345表面堆焊高Cr合金鋼。