Q235鋼表面TIG堆焊308L不銹鋼的組織和性能研究

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(1.蘭州蘭石集團(tuán)蘭駝農(nóng)業(yè)裝備有限公司，甘肅 蘭州 730314;2.蘭州市蘭石能源裝備工程研究院,甘肅 蘭州 730314)

Q235鋼表面TIG堆焊308L不銹鋼的組織和性能研究

張金彪1，潘強(qiáng)2，楊華2，彭正昶2，陸祥輝2

(1.蘭州蘭石集團(tuán)蘭駝農(nóng)業(yè)裝備有限公司，甘肅 蘭州 730314;2.蘭州市蘭石能源裝備工程研究院,甘肅 蘭州 730314)

為了提高Q235鋼表面的耐腐蝕性和硬度等性能，使用TIG(非熔化極惰性氣體保護(hù)焊)堆焊技術(shù)在Q235B鋼表面堆焊不銹鋼。進(jìn)行了30組試驗(yàn)，選取其中堆焊效果好的4個(gè)試樣，分析了堆焊層組織的宏觀和微觀形貌，比較了堆焊層的硬度。結(jié)果表明：Q235B鋼板堆焊不銹鋼進(jìn)行表面改性后，鋼板的表面硬度有明顯提高，表面堆焊層的耐腐蝕性能比Q235B鋼母材的耐腐蝕性能顯著提高。

Q235鋼堆焊不銹鋼組織性能

石油化工工業(yè)的許多設(shè)備及其關(guān)鍵零部件通常在高溫、高壓和腐蝕性介質(zhì)中服役，經(jīng)常選用不銹鋼作為制造這類(lèi)設(shè)備及零部件的材料。但不銹鋼材料價(jià)格昂貴，為了降低成本，在實(shí)際生產(chǎn)中常常采用碳素鋼作為基體，在其表面堆焊不銹鋼材料，以此來(lái)滿足設(shè)備力學(xué)性能和耐腐蝕性能要求[1-3]。然而，在以碳素鋼為基體堆焊不銹鋼過(guò)程中，其熔合線附近會(huì)發(fā)生C和Cr 等元素?cái)U(kuò)散和遷移，形成脆性相析出層，影響堆焊質(zhì)量。為了使堆焊層獲得理想的性能，就要保證其具有合適的合金含量，即控制焊縫合金元素稀釋率。

堆焊是用焊接方式來(lái)增大或恢復(fù)焊件尺寸，或把耐磨、耐腐蝕等特殊性能的填充金屬熔覆在基體金屬表面而使焊件表面獲得特殊性能的一種工藝方法。各種熔化焊工藝，如焊條電弧焊、MIG (熔化極惰性氣體保護(hù)焊)、埋弧焊及等離子弧焊等焊接方法都可以用于堆焊，但考慮到成本、效率、堆焊變形及焊縫稀釋率等綜合因素，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在堆焊時(shí)應(yīng)改進(jìn)與優(yōu)化[4-6]。

TIG(非熔化極惰性氣體保護(hù)焊)堆焊是在惰性氣體保護(hù)下，利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法[7]。采用防護(hù)效果優(yōu)良但價(jià)格較為便宜的ER308L 奧氏體不銹鋼焊絲作為堆焊材料進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)，并分析了堆焊層的組織和性能。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

該試驗(yàn)?zāi)覆牟捎?塊Q235B鋼板，鋼板厚度為3.60 mm,標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。焊接材料為308L型不銹鋼焊絲，焊絲直徑為1.00 mm，主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。試驗(yàn)用焊接設(shè)備是由TT2200型全數(shù)字直流TIG焊機(jī)、KD4010送絲機(jī)、工業(yè)控制機(jī)和XKA714B/1E 數(shù)控銑床等組裝成的堆焊成套系統(tǒng)。

表1 Q235B鋼化學(xué)成分 w，%

表2 Q235B鋼力學(xué)性能

表3 308L不銹鋼焊絲化學(xué)成分 w，%

2 單道單層堆焊試驗(yàn)

堆焊試驗(yàn)采用TIG方式，直流正接，焊縫長(zhǎng)度70 mm。保持焊接電弧長(zhǎng)約4.5 mm；送絲角度為20°～30°，焊絲末端距工件高度1 mm；鎢極直徑2.4 mm，尖端錐角約35°；保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)99.9%的普通工業(yè)純氬，氣體流量為10～15 L/min。

由相關(guān)試驗(yàn)得知，TIG堆焊不銹鋼最合適電流為110～130 A，送絲速度為90～130 cm/min,焊接速度為100～140 mm/min，因此共設(shè)計(jì)了30組試驗(yàn)，堆焊參數(shù)見(jiàn)表4。 堆焊前，用砂紙將待焊表面手工逐級(jí)磨光，去除試件表面的氧化層，然后用丙酮擦拭，用熱風(fēng)吹干后進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。試板堆焊形貌見(jiàn)圖1。

表4 不銹鋼單道單層堆焊參數(shù)

圖1 不銹鋼堆焊層形貌

從30組試樣中選擇2號(hào)、12號(hào)、15號(hào)和18號(hào)堆焊效果好的試樣分別標(biāo)記進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

3 金相分析試驗(yàn)

用2號(hào)、12號(hào)和18號(hào)堆焊試樣制作成金相試驗(yàn)樣品,用XL30 ESEM-TMP型掃描電鏡觀察焊縫斷面形貌。圖2為堆焊試樣橫截面宏觀形貌。圖3為12號(hào)試樣的金相組織。圖4為不銹鋼堆焊層與母材結(jié)合區(qū)組織。

圖2 堆焊試樣橫截面宏觀形貌

圖3 12號(hào)試樣金相組織

圖4 不銹鋼堆焊層與母材結(jié)合區(qū)組織

從圖2和圖3可以看出，母材的組織主要由鐵素體和珠光體組成。粒狀的珠光體彌散分布在比較粗大的鐵素體晶粒中間。而熱影響區(qū)組織經(jīng)歷過(guò)回復(fù)(新的無(wú)畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化階段)、再結(jié)晶(出現(xiàn)無(wú)畸變等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的階段)和晶粒長(zhǎng)大(再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大階段)過(guò)程[8-10]。經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程之后，得到尺寸較為穩(wěn)定、無(wú)畸變的細(xì)等軸晶粒組織。

從圖4可以看出，靠近母材結(jié)合部分的組織有部分等軸晶，這是因?yàn)橛蠪e滲透進(jìn)去，即堆焊過(guò)程中發(fā)生滲鐵現(xiàn)象[11]。在堆焊過(guò)程中，靠近母材的熔敷層中溶解了較多的Fe，F(xiàn)e一方面作為形核質(zhì)點(diǎn)，大大增加了液態(tài)金屬中的晶核，而另一方面，在凝固過(guò)程中Fe和其他雜質(zhì)元素又阻礙了晶粒生長(zhǎng)，從而使晶粒以等軸晶形式存在。而在遠(yuǎn)離結(jié)合面的堆焊層中，滲透的Fe很少或根本沒(méi)有，所以其組織以樹(shù)枝晶形式存在[12-13]。

4 堆焊層硬度及耐蝕性

該試驗(yàn)研究鋼板上堆焊不同材料后的硬度變化。用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試顯微硬度，載荷100 g,加載時(shí)間15 s，每個(gè)試樣測(cè)3個(gè)值，如果數(shù)值離散太大則測(cè)5個(gè)值，最后求平均值。測(cè)量的試樣是堆焊不銹鋼試驗(yàn)中15號(hào)堆焊試樣，與未堆焊的Q235B鋼板對(duì)照，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鋼板和堆焊層表面硬度值 HRC

從表5可以看出，Q235B鋼板表面硬度值較低，而不銹鋼堆焊層表面硬度值比Q235B鋼板硬度值高得多，達(dá)到了該研究的預(yù)期目標(biāo)。

用化學(xué)浸泡試驗(yàn)來(lái)研究堆焊層耐腐蝕性能。將15號(hào)堆焊試樣切割成規(guī)則尺寸的腐蝕試樣，用樹(shù)脂鑲嵌，留出堆焊熔覆層和母材結(jié)合面并磨制拋光。同時(shí),用未進(jìn)行堆焊的Q235B鋼板制作腐蝕試樣作為對(duì)照。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的FeCl3鹽酸溶液作為腐蝕液, 試驗(yàn)條件為溫度25 ℃、 時(shí)間24 h，以試樣腐蝕形貌來(lái)評(píng)價(jià)其耐腐蝕性能。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)試樣經(jīng)過(guò)腐蝕試驗(yàn)后，母材都發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，堆焊層未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，這是因?yàn)椴讳P鋼含有可以形成保護(hù)膜的Cr和Ni元素，其耐腐蝕性能更好。結(jié)果表明，Q235鋼表面堆焊不銹鋼后其表面耐蝕性顯著提高。

5 結(jié) 論

(1)焊接電流、焊接速度和送絲速度影響表面堆焊層熔寬和余高；焊接電流是決定焊縫熔深的主要參數(shù)；焊接速度決定單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入，焊絲送絲速度與焊絲直徑、焊接電流、焊接速度和接頭間隙等因素有關(guān)。

(2)在奧氏體不銹鋼焊接接頭中, 按照鐵素體形態(tài)變化定義特征區(qū)，較為合理的過(guò)渡區(qū)由未混合區(qū)、部分熔化區(qū)和固態(tài)相變區(qū)組成,與兩側(cè)的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)之間均有明顯邊界。

(3)Q235B鋼板表面用不銹鋼堆焊進(jìn)行表面改性后，鋼板的表面硬度有明顯提高。金相分析和腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明， Q235B鋼表面堆焊不銹鋼后其表面耐蝕性顯著提高。

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(編輯 王維宗)

層狀結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料的清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與示范取得重大進(jìn)展

近日，由北京化工大學(xué)等單位承擔(dān)的863計(jì)劃“層狀結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料的清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與示范(2013AA032501)” 課題通過(guò)技術(shù)驗(yàn)收。在863計(jì)劃新材料技術(shù)領(lǐng)域支持下，研制的系列新型材料在相關(guān)行業(yè)的數(shù)十家企業(yè)中得到了實(shí)際應(yīng)用，顯示出了優(yōu)異的性能，并形成了批量銷(xiāo)售。

層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一類(lèi)新型金屬氫氧化物基層狀結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)其主客體結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)調(diào)控和插層組裝，可使材料的性能得到大幅度強(qiáng)化或產(chǎn)生新的功能，市場(chǎng)前景廣闊。

2013年起北京化工大學(xué)和北京泰克來(lái)爾科技有限公司在LDHs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合插層關(guān)鍵制備技術(shù)、關(guān)鍵裝置等方面開(kāi)展研究并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。制備的系列無(wú)鹵阻燃抑煙劑、PVC熱穩(wěn)定劑和選擇性紅外吸收材料，應(yīng)用于阻燃高分子材料、各種PVC制品和農(nóng)膜中。該課題以我國(guó)優(yōu)勢(shì)無(wú)機(jī)礦產(chǎn)資源水鎂石為原料，一步反應(yīng)制備層狀雙金屬氫氧化物產(chǎn)品，無(wú)副產(chǎn)物生成，產(chǎn)品不需洗滌即可進(jìn)行干燥，節(jié)約了能源，降低了用水量，實(shí)現(xiàn)了系列產(chǎn)品的大規(guī)模清潔生產(chǎn)。

通過(guò)課題實(shí)施，建成的千噸級(jí)示范裝置解決了異相成核大規(guī)模制備金屬氫氧化物基層狀結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料的難題，同時(shí)對(duì)于其他以異相成核原理制備無(wú)機(jī)材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有較強(qiáng)的通用性，拓展了裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，為相關(guān)領(lǐng)域新材料的清潔生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)型升級(jí)做出了較大貢獻(xiàn)。

(葉春波 摘編)

StudyonMicrostructureandPerformanceofSurfacing308LStainlessSteelbyTIGMethodonQ235SteelSurface

ZhangJinbiao1,PanQiang2,YangHua2,PengZhengchang2,LuXianghui2
(1.LanzhouLSGroupLANTUOAgriculturalEquipmentCo.,Ltd.，Lanzhou730314,China；2.LanzhouLSEnergyEquipmentEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China)

In order to improve the properties of corrosion resistance and hardness of Q235 steel surface, TIG (Tungsten Inert Gas Welding) was used to surfacing stainless steel on Q235B steel surface. 30 sets of experiments were carried out, in which 4 specimens with good surfacing effect were selected for analyzing macro and micro morphology and comparing the hardness of surfacing layer. The results confirmed that surface hardness of Q235B steel was improved obviously and corrosion resistance of surfacing layer was higher than that of Q235B steel base metal.

Q235 steel, surfacing welding, stainless steel, microstructure property

2017-03-27；修改稿收到日期：2017-06-26。

張金彪(1984—)，工程師，大學(xué)本科，主要從事焊接技術(shù)、車(chē)輛工程方面的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。E-mail：1294930648@qq.com