手工自蔓延立焊Q235 鋼接頭的抗拉強度與斷口微觀形貌

吳永勝 ,王建江 ,辛文彤,曲立峰

(1.軍械工程學院 先進材料研究所,石家莊 050003；2.重慶軍事代表局駐167 廠軍事代表室,成都 610110)

手工自蔓延焊接是1種新的自蔓延熔焊方法,該方法以燃燒型焊條為焊接材料,通過焊條自身燃燒合成反應產(chǎn)生的熱量將焊接母材局部加熱熔化,用反應的產(chǎn)物填充焊縫,采用焊條電弧焊的操作方法,實現(xiàn)母材的永久牢固連接,該方法無需外界能源,在野外應急搶修領域有廣闊的應用前景[1?3]。燃燒型焊條,分為普通燃燒型焊條和脈沖燃燒型焊條,前者主要用于平焊,后者主要用于立焊。普通燃燒型焊條平焊接頭拉伸試驗中存在塑性變形,接口斷裂為明顯的韌性斷裂,但當接頭中有少量第二相或者夾渣時,在第二相或者夾渣周圍出現(xiàn)準解理斷口的特征[3]。鋼軌鋁熱焊接頭的斷裂常常是因為鑄造缺陷引發(fā)脆性斷裂,但在焊后冷卻過程中受到外來拉應力會造成韌性斷裂[4]。另有研究發(fā)現(xiàn)焊接材料、焊接環(huán)境、焊接工藝等因素的變化均會影響焊接接頭的斷裂行為和斷口形貌[5?8]。使用普通燃燒型焊條實施平焊時,焊縫一次成形,焊縫合金組織相對均質(zhì)[3],但在使用脈沖燃燒型焊條立焊時,由于焊條的脈沖式結構設計,焊接過程中溫度場的變化和熔池行為都與使用普通燃燒型焊條平焊時有很大的差別,最終獲得的焊接接頭組織性能也會不相同。所以對脈沖燃燒型焊條立焊接頭力學性能和組織結構的研究具有重要意義。

本研究利用脈沖燃燒型焊條立焊Q235 鋼,并通過測試接頭抗拉強度以及利用掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀觀察/分析接頭的組織、斷口形貌及物相,研究脈沖燃燒型焊條立焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

1 實驗

圖1所示為脈沖燃燒型焊條裝配示意圖及其剖面示意圖。脈沖燃燒型焊條外徑10 mm,長度140 mm。高熱焊藥段由高熱劑、造渣劑、合金劑和脫氧劑組成,低熱造渣段由高熱劑、造渣劑和稀釋劑組成。把焊藥混合均勻后按圖1所示裝入焊條即可得脈沖燃燒型焊條。

試驗所用焊接母材Q235 鋼板的尺寸為70 mm×40 mm×3 mm,不開坡口,不需要清理母材上的銹蝕。焊接試驗中母材不留間隙對接且與水平面成70°夾角進行立焊。焊接時用火柴點燃脈沖燃燒型焊條的引火線,引火線段燃燒引燃焊藥,焊藥發(fā)生燃燒合成反應形成燃燒弧,采用焊條電弧焊的焊條運動方法方法焊接,具體工藝參數(shù)如表1所列。依據(jù)GB/T2649—1989、GB/T2653—1989和GB/T3965—1995中《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的相關規(guī)定,將立焊后所得接頭用線切割加工成拉伸試樣,拉伸試樣尺寸如圖2所示,并比較立焊與母材為40Cr的平焊焊縫的抗拉強度,中間陰影區(qū)域表示焊縫。利用Quanta-FEG 250型掃描電鏡、INCA型能譜儀和D8 Advance型X 射線衍射儀觀察和分析焊接接頭的組織、斷口形貌以及物相。

表1 手工自蔓延立焊工藝參數(shù)Table 1 The process parameters of vertical welding

2 結果與分析

2.1 焊接接頭形貌與焊縫組織

焊接結束待焊件完全冷卻后,輕輕敲打即可除去焊縫表面熔渣,圖3所示為焊縫宏觀形貌,由圖可見,焊道寬度均勻,焊縫呈金屬光澤,且焊接接頭完整,焊縫表面成波浪型,質(zhì)量良好無表面裂紋,母材沿焊縫焊透,基本達到了單面焊雙面成形的效果。

按圖3中P 處所示橫線截取試樣進行組織分析。圖4所示為焊縫合金區(qū)SEM 照片及不同組織的EDS分析,結果顯示焊接獲得的焊縫合金為銅鐵鎳合金,主要合金元素有Fe、Cu、Ni,及少量C、Si。圖中1點成分是以Fe為主的富鐵相,2點成分是以Cu為主的富銅相,富銅相與富鐵相分布均勻。

圖1 脈沖燃燒型焊條裝配及焊條剖面圖Fig.1 Schematic of assemblage (a)and profile (b)of pulse combustion welding rod

圖2 拉伸試樣示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of tensile sample (Unit:mm)

圖3 焊縫宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphologies of welding line

對試樣進行XRD 物相分析,結果如圖5所示。由圖可知,焊縫中的金屬元素Cu、Fe、Ni 主要以α-Fe、ε-Cu、FeNi和Cu0.81Ni0.19存在。結合EDS 分析可以確定富鐵相以α-Fe為主,含有少量的FeNi、ε-Cu和Cu0.81Ni0.19；富銅相以ε-Cu為主,含有少量Cu0.81Ni0.19、α-Fe和FeNi。利用能譜儀對試樣進行沿垂直于焊縫方向的線掃描,如圖6所示,由圖可以看出焊縫近母材處為富鐵相,與母材結構相似有利于界面結合。焊縫中Cu、Fe 不互溶,凝固后以α-Fe、ε-Cu 存在,在焊條中加入Ni后,Ni可進入熔池,與Cu、Fe 無限互溶[9?10],形成FeNi和Cu0.81Ni0.19,由線掃描圖可以看出富銅相和富鐵相中Ni含量基本相同,改善了富銅相與富鐵相之間的界面結合。但焊縫合金中整體Ni含量偏低,且由線掃描圖可以看出富銅相中Ni含量比富鐵相中低?？蓪⒘⒑负缚p與母材結合橫截面分為4個區(qū)域,分別為：1)焊縫合金區(qū)；2)熔合區(qū)；3)熔合區(qū)與熱影響區(qū)界面；4)熱影響區(qū)。

2.2 接頭抗拉強度測試與分析

脈沖燃燒型焊條立焊所得焊接接頭在進行拉伸測等軸韌窩。圖中B 區(qū)域高倍放大發(fā)現(xiàn)在韌窩的底部有夾雜物,如箭頭所示處,這與相關研究[11]結果不符,其認為在應力作用下,于材料內(nèi)部的第二相粒子、晶界或有缺陷的地方產(chǎn)生顯微空洞并長大,使斷口呈粗糙的纖維狀,形成纖維區(qū)。同時與圖10中母材為40Cr的平焊接頭拉伸斷口比較發(fā)現(xiàn),平焊接頭斷口夾雜周圍有明顯的解理花紋。另外在圖9中還可以觀察到有撕裂棱存在,表明焊接接頭在常溫或低于常溫的條件下,可在高溫冷卻時形成的裂紋處引起應力集中,當接頭受到拉應力作用時,裂紋迅速擴展,直至焊接接頭斷裂。同時由于圖中的韌窩較淺、較小,因此該斷裂雖有一定的延性特征,但延性較小,因而拉伸斷裂曲線主要表現(xiàn)為脆性斷裂。綜合以上分析認為該拉伸試樣的斷裂是由韌性斷裂與準解理斷裂共存的混合斷裂方式。

圖4 立焊焊縫合金區(qū)SEM 照片及EDS 分析Fig.4 SEM image and EDS spectrums of welding seam

圖5 立焊焊縫XRD 物相分析Fig.5 XRD pattern of welding seam

圖6 立焊焊縫與母材線掃描結果Fig.6 Energy spectrum between weld seam and base metal

圖7 拉伸應力應變曲線Fig.7 Tensile curves of stress—strain

圖8 拉伸斷口宏觀形貌Fig.8 Macrograph-morphology of tensile fracture

圖9 立焊拉伸斷口掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM images of tensile fracture of vertical welding

圖10 平焊接頭拉伸斷口掃描電鏡照片[3]Fig.10 SEM image of tensile fracture of horizontal weld[3]

綜合上述試驗結果,焊縫近母材處的富鐵相與母材結構相似有利于界面結合,故拉伸試驗中未在此處斷開,表現(xiàn)出較好的抗拉強度。焊縫合金中含有少量Ni,對富銅相與富鐵相之間的界面結合有一定的改善作用。所以在進行拉伸試驗時,焊接接頭有一定的韌性,在斷口可觀察到等軸韌窩,但韌窩較淺,總體表現(xiàn)為焊縫合金力學性能比熔合區(qū)和熱影響區(qū)差。由于立焊接頭抗拉強度比平焊接頭低,拉伸過程中無明顯塑性形變即斷裂,另一方面本試驗中立焊接頭中的夾雜比平焊接頭小,在拉伸過程中應力集中效應相對較小,所以夾雜周圍沒有出現(xiàn)明顯的解理花紋。

有研究表明[12?13],在Cu、Fe、Ni 三元合金中存在一定的混溶隙,且混溶隙的存在可引起相分離。脈沖燃燒型焊條中3 段長度不同的高熱焊藥可形成3個有效熔池；2個低熱造渣段可降低焊條燃燒溫度,保護焊縫,阻隔上一熔池對下一熔池的熱影響。在高熱焊藥段和低熱造渣段的共同作用下使得本試驗中獲得的焊縫中富鐵相和富銅相分布均勻。而母材為40 Cr的平焊接頭所獲得的焊縫所利用的原理是Cu-Fe 焊縫金屬快速凝固時的液相分離,以及高熔點的富Fe 相與焊接母材有更好的潤濕性和更大的過冷度,在手工自蔓延焊接燃弧吹力攪拌作用下富Fe 相填滿焊縫間隙,故其所獲得的Fe 基焊縫[3]的力學性能優(yōu)于富銅相與富鐵相均勻分布的焊縫。雖然立焊接頭與40 Cr 平焊接頭拉伸試驗中斷裂均在焊縫合金區(qū),但平焊接頭抗拉強度高于立焊接頭。

3 結論

1)脈沖燃燒型焊條立焊所得焊接接頭在進行拉伸測試時,塑性變形不明顯,其斷裂部位出現(xiàn)在焊縫合金區(qū),抗拉強度達367 MPa。

2)斷口上有大量均勻細小的等軸韌窩,且在夾雜周圍均為韌窩,另外還有一定量的撕裂棱存在,這使拉伸試樣的斷裂是由韌性斷裂與準解理斷裂混合的斷裂方式。

3)焊縫合金為銅鐵鎳合金,富銅相與富鐵相分布均勻,焊縫中的金屬元素Cu、Fe、Ni 主要以α-Fe、ε-Cu、FeNi和Cu0.81Ni0.19存在,熔合區(qū)主要為富鐵相,富銅相和富鐵相的界面結合比熔合區(qū)與熱影響區(qū)界面結合差,立焊接頭進行拉伸試驗時在焊縫的合金化區(qū)斷裂。

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