火焰噴熔涂層與焊接接頭性能研究

趙小輝，王東坡，鄧彩艷，王 穎，徐 艷

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

焊接接頭工作在海水環(huán)境中極容易被腐蝕，同時在波浪低頻率的沖擊作用下極容易致使其疲勞強(qiáng)度大幅度降低[1-4]．據(jù)檢測分析，處在海水中的焊接接頭因環(huán)境的腐蝕存在一定程度的減薄，這不僅嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，同時可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡事故．因此，提高焊接接頭在惡劣環(huán)境下的低周疲勞強(qiáng)度已成為焊接結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行中一個亟待解決的難題．在已有的改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度的方法中，氬弧熔修、錘擊等因勞動強(qiáng)度大、有副作用、效果不穩(wěn)定而應(yīng)用較少；相變應(yīng)力法因焊縫金屬韌性問題，應(yīng)用的報道更為罕見；超聲沖擊法雖由于在高周/恒幅載荷下的有益效果及其無可比擬的操作性而最為引人注目，卻還無法解決低周載荷下的焊接結(jié)構(gòu)疲勞延壽問題[5-7]．

為了解決高載荷下焊接接頭的疲勞延壽這一世界性難題[8-10]，筆者采用牌號為 Ni60A 鎳基自熔性合金粉末噴熔于 Q235B 鋼十字焊接接頭上，既解決了焊接接頭的修形問題，也保護(hù)了焊接接頭受到惡劣環(huán)境的腐蝕，同時由于基體和涂層的冶金結(jié)合保證了接頭能承受較大載荷．為此，筆者對焊接接頭和涂層的冶金結(jié)合、焊接接頭的低周疲勞等方面進(jìn)行了細(xì)致研究，得到了較為可靠的研究結(jié)果．

1 試驗方法和條件

1.1 試驗材料及接頭形式

焊接接頭母材為工程結(jié)構(gòu)中常用的低碳鋼Q235B板材，具有良好的機(jī)械性能和良好的焊接性，其力學(xué)性能如表 1所示．采用非承載角焊縫橫向十字接頭進(jìn)行疲勞試驗，具體幾何形狀和尺寸如圖1所示．使用 CO2氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行焊接，焊絲牌號為H08Mn2Si，焊接參數(shù)如表2所示．噴熔涂層為Ni60A鎳基自熔性合金粉末，其具有優(yōu)良的綜合性能，耐腐蝕、抗氧化、耐熱、耐低應(yīng)力磨擦磨損，韌性和耐沖擊性較好．它具有優(yōu)異的熱噴涂、噴焊工藝性能，可用于海洋采油平臺、工業(yè)鍋爐等要求比較苛刻的使用條件中．掃描電鏡下該粉末的形狀和成分如圖 2所示．由圖 2可以看出，鎳基合金粉末顆粒均勻且圓滑，具有較好的流動性，易于控制涂層的形狀．能譜圖表明，合金粉末顆粒的成分主要包含 Ni、Si、Cr等元素．

表1 Q235B鋼的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of Q235B steel

表2 焊接參數(shù)Tab.2 Welding parameters

圖1 十字接頭試樣幾何形狀與尺寸(單位：mm)Fig.1 Geometric shape and size of cross-joint specimen(unite：mm)

圖2 Ni60A粉末的形狀及成分Fig.2 Shape and composition of Ni60A powder

1.2 噴熔修形加工原理及噴熔試件制備

噴熔是對熱噴涂技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展．噴熔包括噴涂和重熔2個過程，這2個過程可以先后進(jìn)行也可以同時進(jìn)行．在噴涂過程中，粉末通過熱源的加熱，一般以半熔化狀態(tài)沉積到工件表面上．重熔是粉末或噴涂層在工件上的熔融過程．涂層重熔消除了噴涂層中的氣孔和氧化物夾渣，并與金屬基體產(chǎn)生焊合的冶金結(jié)合面，從而大幅度提高了致密性和結(jié)合強(qiáng)度，使涂層具有更優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損和抗沖擊性能．

噴熔修形法[10]是利用噴熔的優(yōu)點(diǎn)，在焊縫表面覆蓋一層冶金結(jié)合的高曲率外形且表面光滑的噴熔金屬．這樣可大大降低接頭焊趾區(qū)應(yīng)力集中程度，而且其效果不存在因載荷條件的變化而有嚴(yán)重改變的問題，從而使焊接接頭的疲勞強(qiáng)度得到較大幅度的提高．

噴熔前對基體表面進(jìn)行打磨，要求有一定的粗糙度，以提高噴熔金屬與基材的結(jié)合能力，通過噴砂清除表面的氧化層以提高噴熔的工藝性能．表面處理后進(jìn)行噴熔試驗，噴熔過程中始終保持噴槍火焰不離開試樣，噴熔粉末以液態(tài)的形式噴射到焊接試件上，這樣保證了涂層和基體能夠達(dá)到完美的冶金結(jié)合．

Q235B鋼是低碳鋼，通常的空氣冷卻方式不會產(chǎn)生馬氏體相轉(zhuǎn)變．因此，噴焊后不需要進(jìn)行專門的后熱處理，只在空氣中緩冷即可．

2 涂層與基體的冶金結(jié)合

用線切割的方法切取包括噴熔層在內(nèi)的十字焊接接頭試樣，用砂輪打磨表面較深的刻痕后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)磨、拋光和腐蝕，其宏觀照片和各位置的金相照片如圖 3所示．采用 4%硝酸酒精腐蝕焊縫、王水腐蝕鎳基涂層．由于二者腐蝕液不同，因此不能同時獲得焊縫、過渡區(qū)、涂層的金相照片．圖 3分別給出了3個位置的金相圖片．從焊縫的金相照片可知：經(jīng)過氧-乙炔火焰噴熔后，靠近結(jié)合帶的粗大柱狀晶消失，獲得細(xì)小的鐵素體和少量珠光體．分析原因發(fā)現(xiàn)，一般使鋼中柱狀晶消失的臨界溫度約在 A3點(diǎn)以上20～30,℃，對于低碳鋼Q235B，900,℃以上短時間加熱，即可使柱狀組織消失．實質(zhì)上，噴熔的過程對焊縫表層來說相當(dāng)于一個正火的過程．通過這個過程消除了粗大晶粒，獲得了均勻的組織，同時也消除了部分內(nèi)應(yīng)力．過渡區(qū)出現(xiàn)了明顯的白色亮帶，這一白色亮帶具有明顯的生長方向，晶粒由焊縫向涂層方向生長，實現(xiàn)了較好的冶金結(jié)合．能譜分析顯示：涂層中的白色塊狀物是含Cr化合物，同時Cr的存在能夠使涂層的組織更加均勻．

圖3 焊縫、過渡區(qū)、涂層的形狀及金相照片F(xiàn)ig.3 Shape and metallographic photos of weld，transition zone and coating

圖4 為涂層與焊縫的結(jié)合狀況及結(jié)合帶兩側(cè)主要元素的分布．由圖4(a)可知，涂層與焊縫結(jié)合良好，沒有未融合和大孔洞出現(xiàn)，僅存在少量的氣孔．圖4(b)從主要元素的角度顯示了涂層與焊縫的結(jié)合情況，發(fā)現(xiàn)界面處的 Ni含量較高，即使與界面較遠(yuǎn)的地方也仍然存在Ni元素的分布，說明了Ni元素穿過了涂層與基體焊縫的界面實現(xiàn)了較好的擴(kuò)散．冶金結(jié)合的實現(xiàn)使得焊縫金屬 Ni含量發(fā)生了變化，但是這種變化僅存在于焊縫表層 50,μm 的范圍以內(nèi)．同時，從結(jié)合面到焊縫內(nèi)部 Ni的含量均勻降低，不存在 Ni的集中分布．這將不會對整體的焊接接頭性能產(chǎn)生大的影響．

圖4 涂層與焊縫的結(jié)合狀況及結(jié)合帶兩側(cè)Ni元素含量分布Fig.4 Adhesive state between weld and coating and distri-bution of Ni on both sides of interface

3 低周疲勞實驗

3.1 涂層抗開裂值的測定

涂層的抗開裂能力在一定程度上反映了涂層的韌性和強(qiáng)度，為此，采用拉伸試驗測定涂層的抗開裂應(yīng)力值的大小．噴熔修形雖然使得焊接接頭圓滑過渡程度增加，但十字接頭試樣仍然存在著結(jié)構(gòu)性的應(yīng)力集中．對應(yīng)于涂層開裂的拉力值并不是涂層的真實開裂值，還要通過乘以應(yīng)力集中系數(shù)來修正．應(yīng)力集中系數(shù) Kt由最大應(yīng)力或峰值應(yīng)力 σm與基準(zhǔn)應(yīng)力(根據(jù)具體情況適當(dāng)選定)σ0之比表示，即

圖5 應(yīng)力集中系數(shù)的有限元模擬Fig.5 Finite element simulation of stress concentration factor

針對十字焊接接頭試樣進(jìn)行有限元模擬計算，如圖 5所示，當(dāng)基準(zhǔn)應(yīng)力為 1,MPa時，峰值應(yīng)力為 1.394,MPa．因此，十字焊接接頭噴熔修形后應(yīng)力集中系數(shù)最大值為 1.394,MPa．靜載拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力值為 251,MPa時涂層出現(xiàn)了裂縫，由于接頭處存在應(yīng)力集中，所以通過應(yīng)力集中系數(shù)修正后可獲得涂層的抗開裂應(yīng)力值為350,MPa．

3.2 低周疲勞試驗及結(jié)果分析

試驗是在MTS-810型電液伺服動靜萬能疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行的，通過力的控制來實現(xiàn)應(yīng)變的控制．使用長春試驗機(jī)廠提供的MTS公司FlexTest控制軟件系統(tǒng)記載循環(huán)周次以及拉壓峰值載荷．試驗在室溫18～25,℃下于空氣介質(zhì)中進(jìn)行．考慮到保證試樣溫升不超過規(guī)定限度和縮短試驗周期的要求，應(yīng)變速率設(shè)定為 5,Hz．為保證應(yīng)變速率在整個循環(huán)拉伸和壓縮過程中不變，以及遲滯回線具有明顯的尖角，采用三角波，應(yīng)力比為0.1．

在涂層抗開裂力值的指導(dǎo)下，十字焊接接頭低周疲勞試驗的平均應(yīng)力設(shè)置為 186,MPa，這個力值的大小既保證了疲勞試驗過程中最大應(yīng)力超過了焊縫及母材的屈服強(qiáng)度，又保證了最大應(yīng)力不會使涂層開裂．試驗結(jié)果見表3．

由表 3可知：在同一應(yīng)力水平下，噴熔修形后的低周疲勞壽命基本在1.3×104次以上，而原始焊態(tài)試件的低周疲勞壽命僅 5×103次左右．噴熔修形后疲勞壽命是焊態(tài)試樣的2倍以上．同時發(fā)現(xiàn)噴熔修形試件的疲勞斷裂位置均在母材，焊接接頭已經(jīng)不再是薄弱環(huán)節(jié)．

表3 低周疲勞試驗結(jié)果Tab.3 Test results of low-cycle fatigue

4 結(jié) 語

焊縫的幾何形狀直接決定著焊接接頭的疲勞壽命，噴熔修形新方法在改變焊縫形狀上實現(xiàn)了新的突破，使得焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)顯著降低，并且獲得了涂層與接頭的冶金結(jié)合層，使得焊縫金屬的晶粒均勻細(xì)化，提高了焊縫自身的強(qiáng)度．冶金結(jié)合的形成不僅提高了焊接接頭的高周疲勞強(qiáng)度，低周疲勞強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)．低周疲勞強(qiáng)度的提高對于焊接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用和推廣具有重要的意義．另外，噴熔修形涂層在提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的基礎(chǔ)上能夠防止焊接接頭與惡劣環(huán)境接觸，降低了腐蝕速度，極大地保護(hù)了焊接接頭的原始性能．有鑒于此，研究噴熔修形具有非常重要的意義．

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