不同焊條對鋼材冷焊修復(fù)的影響

賈永真，王家偉，靳學(xué)利，路長遠(yuǎn)，呂常勝，朱維東

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 前言

在精密部件的修復(fù)中，傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的熱變形較大、缺陷多、熔合性能差等缺點(diǎn)，冷焊技術(shù)作為一門焊接新技術(shù)逐漸得到發(fā)展，它主要通過表面粘涂[1]和相變擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)材料焊接，有效控制變形[2]、咬邊及殘余應(yīng)力[3]，不產(chǎn)生局部退火，焊接強(qiáng)度高，冶金結(jié)合不脫落，方便快捷，是修復(fù)工件時較為理想的焊接技術(shù)，已使用于鑄件及工模具鋼件等的修復(fù)[4-5]。由于焊材的力學(xué)性能一般比母材低，所以為減小焊接后性能差異，本試驗(yàn)利用全智能精密補(bǔ)焊機(jī)（HWS-1000）使用4種焊條對3種鋼材缺陷進(jìn)行同種或異種鋼冷焊修復(fù)，并分析試樣晶體金相顯微組織和顯微硬度，討論焊條對冷焊修復(fù)的影響，為選擇冷焊焊條提供參考。

1 試驗(yàn)原理與內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

冷焊時焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)[6]三部分組成。焊接時部分金屬被熔化，通過擴(kuò)散方式使液態(tài)金屬與母材金屬結(jié)合在一起，不僅焊縫金屬在熱源的作用下發(fā)生從熔化到結(jié)晶等一系列的變化，而且焊縫兩側(cè)未熔化的母材經(jīng)歷一定熱循環(huán)后，組織形態(tài)也發(fā)生了固態(tài)相變過程[7]。因?yàn)?，在焊接時因焊弧熱而熔化成池狀的母材部分形成熔池[8]，熔池金屬在經(jīng)歷了一系列化學(xué)冶金反應(yīng)時，隨著熱源的遠(yuǎn)離，溫度迅速下降，凝固后成為牢固的焊縫，并且在繼續(xù)冷卻中發(fā)生固態(tài)相變。熔合區(qū)和熱影響區(qū)在焊接熱源的作用下，也將發(fā)生不同的組織變化。熔池的凝固與焊縫的固態(tài)相變決定了焊縫金屬的結(jié)晶過程、組織和性能[9]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和主要過程

試驗(yàn)中所用三類鋼材試樣分別為：高速鋼M2(W6Mo5Cr4V2)、軸承鋼(GCr15)、不銹鋼(11Cr17)，冷焊的焊條種類[10]較多，根據(jù)要求可提供以下4種焊條：CMC-M2高速鋼焊條、CMC-M3-2高速鋼焊條、CMC-SKD61模具焊條、ER308不銹鋼焊條。

實(shí)驗(yàn)過程主要分6個步驟：

①焊前準(zhǔn)備：工件表面清潔處理、焊絲選擇及參數(shù)設(shè)置；②冷焊修復(fù)：全智能精密補(bǔ)焊機(jī)(HWS-1000)，焊接電流120A；③線切割：電火花線切割；④磨樣拋光及腐蝕：拋光后王水腐蝕；⑤顯微組織：金相掃描電子顯微鏡觀測；⑥硬度檢測：HVS-1000型數(shù)字顯微硬度計(jì)檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同焊條對鋼材冷焊后各區(qū)域顯微組織的影響

透過掃描電鏡對焊接接頭組織進(jìn)行觀察，具體試驗(yàn)方法可參照文獻(xiàn)[11]透射電子顯微學(xué)，獲取金相顯微組織如圖1～圖6所示。

由圖1～圖6可知，試樣的焊接接頭組織均發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

圖1 高速鋼M2與CMC-M3-2焊后熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫金相顯微組織

圖2 高速鋼M2與CMC-M2焊后熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫金相顯微組織

圖3 軸承鋼(GCr15)與CMC-M2焊后熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫金相顯微組織

圖4 軸承鋼(GCr15)與CMC-SKD61焊后熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫金相顯微組織

圖5 不銹鋼(11Cr17)與ER308焊后熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫金相顯微組織

圖6 不銹鋼(11Cr17)與CMC-M3-2焊后熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫金相顯微組織

（1）熱影響區(qū)。組織結(jié)構(gòu)基本與母材相同，只是由于熱擴(kuò)散作用析出大量黑色第二相粒子碳化物[12]，最終晶界析出大量滲碳體顆粒，彌散分布于晶界上；圖2還產(chǎn)生一定程度的枝晶偏析，圖4晶間可見少量白色顆粒β固溶體并產(chǎn)生微裂紋，圖5母材的片狀珠光體束不斷長大，圖6與圖5類似，但生成有微量樹枝晶?？梢姾笚l對熱影響區(qū)的影響較弱。

（2）熔合區(qū)。由于母材經(jīng)過半融化后正火使組織發(fā)生部分相變，經(jīng)過固態(tài)相變過程，滲碳體量減少，經(jīng)過區(qū)域偏析、層狀偏析，產(chǎn)生一定量珠光體類組織，且由于非平衡結(jié)晶出現(xiàn)不同程度的枝晶偏析，產(chǎn)生樹枝晶和柱狀晶；圖2、圖3和圖5生成不等量的板條狀馬氏體；圖5中板條馬氏體聚集群并且由于殘余應(yīng)力作用形成少量孿晶馬氏體；圖4有所不同，析出的滲碳體經(jīng)熱擴(kuò)散聚集于晶間成薄片狀?？梢姾笚l對熔合區(qū)的影響較大。

（3）焊縫。經(jīng)過液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，由于過冷度較熔合區(qū)大，根據(jù)金屬結(jié)晶的基本規(guī)律，滲碳體及珠光體量不斷減少，并獲得大量的樹枝晶和板條馬氏體；圖3中有少量珠光體分布于滲碳體上形成低溫萊氏體；圖4中滲碳體片聚集成束形成片層網(wǎng)狀二次滲碳體，由于碳含量降低使基體組織幾乎全部轉(zhuǎn)化為珠光體；圖5中板條馬氏體群量增多且孿晶馬氏體長大產(chǎn)生孿晶界?？梢姾笚l對焊縫的影響最大。

對于高速鋼M2的冷焊，相關(guān)文獻(xiàn)[13]認(rèn)為冷焊時最好選擇相同鋼材的焊條，試驗(yàn)將圖1和圖2比較，圖2獲得的板條狀馬氏體及樹枝晶均比圖1多，而馬氏體強(qiáng)度很高，樹枝晶強(qiáng)韌性較好[14]，所以高速鋼M2與CMC-M2焊接的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能比其與CMC-M3-2焊接更高，可得出類似結(jié)論：同為高速鋼，相同材料的焊接性能效果更好。對于軸承鋼(GCr15)的冷焊，文獻(xiàn)[15-16]指出異種鋼冷焊需分析焊條綜合力學(xué)性能，比較圖3和圖4，因?yàn)轳R氏體、萊氏體組織的力學(xué)性能均比珠光體組織好，所以軸承鋼(GCr15)與CMC-M2冷焊后的連接性及力學(xué)性能明顯比其與CMC-SKD61焊接后的好?？梢姰惙N焊材的焊接，用力學(xué)性能更好的高速鋼CMC-M2比模具鋼CMC-SKD61焊接效果更好[17]。對于不銹鋼(11Cr17)的冷焊，比較圖5和圖6，因?yàn)榘鍡l馬氏體群力學(xué)性能較好，所以不銹鋼(11Cr17)與ER308焊接后力學(xué)性能比其與CMC-M3-2焊接后更好，與文獻(xiàn)[18-19]類似，可得出相似結(jié)論：用同類材料焊接不銹鋼ER308得到的力學(xué)性能比用高速鋼CMC-M3-2焊接的更好。

2.2 不同焊條對鋼材冷焊后硬度的影響

試驗(yàn)中試驗(yàn)力2.942 N，保壓時間20 ms，從熱影響區(qū)到焊縫順序打點(diǎn)，進(jìn)行硬度檢測，如表1所示，并繪制不同焊條的焊接接頭顯微硬度對比曲線，如圖7所示。

表1 各試樣冷焊后焊接接頭顯微硬度分布HV

圖7 各試樣冷焊后焊接接頭顯微硬度對比曲線

由表1和圖7可知，試樣經(jīng)冷焊后，焊接接頭的顯微硬度值從熱影響區(qū)到焊縫順序減小，在熱影響區(qū)顯微硬度值緩慢下降，在熔合區(qū)硬度出現(xiàn)突變，迅速下降，最后在焊縫趨于平穩(wěn)，焊接熔池經(jīng)固態(tài)相變、再結(jié)晶，組織發(fā)生轉(zhuǎn)變導(dǎo)致力學(xué)性能低于母材；從圖7a可知，高速鋼M2與CMC-M2冷焊后三個區(qū)域顯微硬度約為940HV、780HV和680HV，比其與CMC-M3-2冷焊后的920 HV、760 HV和640 HV略高，所以同種材料冷焊硬度最高；從圖7b可知，在熔合區(qū)及焊縫，軸承鋼(GCr15)與CMC-M2冷焊后硬度約為660 HV和600 HV，比其與CMCSKD61冷焊后的590 HV和480 HV高，因此異種焊材的焊接，用力學(xué)性能更好的鋼材焊接更好[23]；由圖7c可知，不銹鋼(11Cr17)與ER308冷焊后硬度約為935HV、830HV和765HV，比其與CMC-M3-2冷焊后的900 HV、640 HV和460 HV明顯偏高，因此不管焊條力學(xué)性能如何，同類材料冷焊后的硬度均比異種材料冷焊高。

3 結(jié)論

(1)材料在冷焊修復(fù)過程中，焊接熔池的結(jié)晶符合金屬結(jié)晶的規(guī)律，焊接接頭發(fā)生了組織的固態(tài)相變，晶體發(fā)生轉(zhuǎn)變，力學(xué)性能也將改變，其中熔合區(qū)和焊縫還獲得大量樹枝晶和板條馬氏體等新組織，晶界還彌散分布著碳化物顆粒滲碳體，保證了焊接接頭良好的力學(xué)性能。

(2)對于同類型材料，M2與CMC-M2冷焊后焊縫硬度可達(dá)680 HV，比其與CMC-M3-2冷焊后的640 HV略高，因此同種材料的焊材冷焊后力學(xué)性能相對較好；異種鋼冷焊，GCr15與CMC-M2冷焊后焊縫硬度達(dá)600 HV，比其與CMC-SKD61冷焊后的480 HV高；11Cr17與ER308冷焊后焊縫硬度高達(dá)765 HV，明顯高于與CMC-M3-2冷焊后的460 HV，進(jìn)一步證明了不管焊條力學(xué)性能如何，同類材料冷焊后力學(xué)性能總比異種材料好。

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