不同焊接工藝下等離子弧焊堆焊層組織演變研究

石端虎,張文波,沙 靜，楊 峰

(徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

徐州是國內(nèi)制造工程機(jī)械的重要基地，其中水泥行業(yè)中的破碎機(jī)錘頭和防護(hù)板、挖掘機(jī)行業(yè)中的鏟斗等對耐磨材料的需求量非常大，該部件磨損后需要進(jìn)行堆焊修復(fù)，從而改善其表面性能，提高使用壽命.粉末等離子弧堆焊以等離子弧為熱源，采用合金粉末作為填充材料，是一種改善材料表面性能的方法，根據(jù)堆焊粉末的不同，堆焊層可具有耐磨、耐腐蝕等性能.

目前國內(nèi)外在電弧堆焊方面開展了相關(guān)的研究：劉長清等[1]采用正交設(shè)計(jì)法研究了堆焊工藝對FeAl金屬間化合物堆焊層成形質(zhì)量的影響，并通過分析優(yōu)化了堆焊工藝參數(shù)；胡建軍等[2]采用等離子弧堆焊技術(shù)在不銹鋼表面堆焊了不同成分的鎳基合金粉末，并測試了不同堆焊層的顯微組織、硬度和耐磨性；董麗虹等[3]采用正交設(shè)計(jì)和多項(xiàng)式回歸分析對鎳基復(fù)合粉末進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得耐磨堆焊粉末配方，極大地提高了堆焊層的耐磨性；劉躍等[4]在低碳鋼基體表面采用焊絲粉末堆焊和焊絲粉塊堆焊工藝制備了高鉻合金粉末堆焊層，并測試了堆焊層的硬度、微觀組織和耐磨性；劉政軍、邵金發(fā)等[5-6]研究了在無磁場和外加磁場下堆焊層的組織和性能，并分別得到了在無磁場和外加磁場下的較佳堆焊工藝參數(shù)；宋自力等[7]在同步送粉和后送粉情況下制備了WC增強(qiáng)鎳基合金復(fù)合涂層，并對比了兩種涂層的顯微組織和成分特征，得出了后送粉方式對制備WC顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合材料具有一定優(yōu)勢的結(jié)論；朱凱等[8]采用正交設(shè)計(jì)方法分析了影響等離子弧堆焊層稀釋率的因素，并以此為基礎(chǔ)獲得稀釋率低、堆焊速度較高的堆焊工藝參數(shù)；李勇等[9]利用等離子弧堆焊法在低碳鋼表面制備了添加TiC顆粒的NiTi合金耐磨堆焊層，并測試了堆焊層的微觀組織和耐磨性，同時分析了堆焊層的磨損機(jī)制.

上述研究中大多著重對堆焊層制備及耐磨性能進(jìn)行分析與討論，而對不同堆焊工藝條件下微觀組織演變規(guī)律的研究較少.分析粉末堆焊過程中堆焊層組織的演變機(jī)制，對于研究堆焊層的耐磨及其它性能極為重要.因此，開展不同焊接工藝下等離子弧焊堆焊層組織演變的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用前景.

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料采用Q235鋼板(200 mm×100 mm×10 mm)，為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%～0.22%，屈服點(diǎn)在235 MPa左右.

堆焊粉末采用 Fe90鐵基合金材料，其化學(xué)成分見表1.

表1 Fe90粉末化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

等離子弧堆焊機(jī)采用上海多木實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的DML-V02A型堆焊機(jī)，該堆焊機(jī)主要由送粉系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成.

2 試驗(yàn)過程

2.1 堆焊參數(shù)

等離子弧堆焊的主要工藝參數(shù)選擇焊接電流、送粉速度、離子氣流量、送粉氣流量、保護(hù)氣流量、焊槍的擺動頻率和幅度、焊槍噴嘴離工件表面距離等.

本文主要研究堆焊電流和送粉速度對堆焊層組織的影響，因此，試驗(yàn)中保持其它工藝參數(shù)不變：離子氣流量為0.6 L/min，保護(hù)氣流量為9 L/min，送粉氣流量為1.8 L/min，噴嘴的擺動幅度為10 mm，擺動頻率為40次/min，焊槍噴嘴離工件表面距離為15 mm左右，焊接速度為30 mm/min.試驗(yàn)共分為2組，第1組試樣編號為1、2、3，主要研究電流對堆焊層組織的影響；第2組試驗(yàn)編號為4、5、6，主要研究送粉速度對堆焊層組織的影響.表2為兩組試驗(yàn)分別采用的焊接電流和送粉速度.圖1為堆焊試樣2的外觀圖.

表2 堆焊工藝參數(shù)

圖1 堆焊焊件外觀圖

2.2 試樣制作

首先采用線切割設(shè)備將試樣切成尺寸為30 mm×20 mm×10 mm的條塊，而后把堆焊試樣橫截面磨平，接著依次用400、600、800、1 000目的砂紙分別進(jìn)行打磨.打磨時注意只能朝一個方向進(jìn)行，打磨一段時間之后再旋轉(zhuǎn)90°打磨.最后在金相拋光機(jī)上進(jìn)行拋光處理.

腐蝕液為體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸乙醇溶液，用其腐蝕試樣表面45 s后，再用無水乙醇清理表面，最后用熱吹風(fēng)機(jī)吹干.觀察其表面，可看到基體材料表面光澤變暗，呈霧狀.而堆焊層變化不明顯，這是由于堆焊層含有較多的鉻，耐腐蝕性較強(qiáng)，因此需要再次腐蝕一段時間.為了防止基體材料腐蝕過度，此次僅對堆焊層進(jìn)行腐蝕.用膠頭滴管滴數(shù)滴硝酸乙醇溶液至堆焊層上，保持40 s，可看到堆焊層表面變暗，立即用清水沖洗，再用無水乙醇清理，接著用熱吹風(fēng)機(jī)迅速吹干.

3 等離子弧焊堆焊層組織分析

在低碳鋼基體上堆焊Fe90合金粉末，不同工藝下得到的組織有相似之處.但即使是同一塊試樣，從焊縫區(qū)到堆焊層表面之間的組織演變也是比較復(fù)雜的.圖2為近縫區(qū)母材微觀組織圖，可明顯看到，在靠近焊縫的基體熱影響區(qū)，主要形成的是板條馬氏體.而且可從圖中明顯觀察到原奧氏體晶界.圖3為焊縫區(qū)顯微組織圖，可明顯看到近乎水平的焊縫分界線，上部為堆焊層，下部為基體.堆焊層靠近焊縫的部分由一層細(xì)小晶粒組成.這是由于該部分靠近基體材料，散熱較快，過冷度增加，晶核的形核功和臨界半徑都減小，因此，晶核易于形成，形核率增加.晶粒的長大速度和大小就相應(yīng)受到限制，從而形成了較薄的細(xì)晶區(qū).

圖2 母材微觀組織

圖3 焊縫區(qū)顯微組織

采用掃描電鏡對焊縫區(qū)進(jìn)行了微觀組織觀察，見圖4.從圖4可知近焊縫區(qū)堆焊層組織由馬氏體、殘余奧氏體和少量的共晶碳化物組成[10].

在細(xì)晶區(qū)形成的同時，持續(xù)的熱輸入使熔池散熱減慢，另外，細(xì)晶區(qū)的形成還釋放大量的結(jié)晶潛熱，固液界面的過冷度大大減小，溫度梯度變得平緩，這樣的條件下不能形成新的晶核，只有那些細(xì)晶區(qū)靠近液相的小細(xì)晶才能繼續(xù)長大，而遠(yuǎn)離焊縫的熔池金屬尚處于過熱狀態(tài)中，自然不能形核.因此結(jié)晶只能靠這些細(xì)小晶粒的繼續(xù)長大來進(jìn)行.晶體的長大具有各向異性，但是受到散熱條件的影響，只有那些平行于散熱方向的晶粒生長最快，其他方向的就受到了限制，因此，便形成了柱狀晶[11].

隨著柱狀晶的長大，冷卻速度逐漸減慢，溫度梯度越來越平緩，柱狀晶的長大也受到了限制.在柱狀晶的晶枝生長區(qū)，也就是固液共存區(qū)，由于晶枝之間的相互封鎖和干擾，結(jié)晶潛熱散逸困難，使晶枝變得細(xì)長，而且根部逐漸萎縮，并將脫落的殘枝碎片帶到熔池金屬中，這些殘枝碎片是形成中心等軸區(qū)的重要原因[12].圖5為堆焊層中部的等軸區(qū).

圖5 等軸區(qū)

在柱狀晶長到一定的程度之后，在液相中的殘枝碎片也開始形核長大，由于中部的溫度梯度很小，各部位的溫度基本是均勻的，所以每個晶粒在生長的各個方向也接近一致，因此，就形成了等軸晶.

4 不同工藝參數(shù)對等離子弧焊堆焊層組織演變的影響

4.1 堆焊電流對堆焊層組織演變的影響

圖6為第1組試驗(yàn)中試樣1、2、3的焊縫區(qū)顯微組織圖.

圖6 堆焊電流對組織的影響

其中變化的工藝參數(shù)是焊接電流，試樣1的焊接電流為65 A，試樣2的焊接電流為75 A，試樣3的焊接電流為85 A.其他工藝參數(shù)均相同，送粉速度取25 g/mim.

從圖6中可以看出，隨著電流的增大，堆焊層晶粒的尺寸也隨之增大.這是由于電流增大就意味著對堆焊工件有更多的熱輸入，熔池持續(xù)處于高溫狀態(tài)，出現(xiàn)過熱，因此晶粒粗大.焊接電流為65 A時，堆焊層靠近焊縫的是一層細(xì)晶區(qū)，由于熔池散熱受到限制，溫度較高，形核相對較困難，出現(xiàn)少量柱狀晶；當(dāng)電流增大到75 A時，電弧對熔池的熱輸入增大，熔池溫度較高，形核困難，熔池的凝固只能依靠細(xì)晶區(qū)的晶粒進(jìn)一步生長，因此，出現(xiàn)大量柱狀晶；當(dāng)電流達(dá)到85 A時，一方面持續(xù)的熱輸入使熔池的散熱更為困難，晶粒尺寸變大，另一方面，由于溫度梯度很小，并且隨著焊接電流的增加，電弧對熔池的攪拌作用增強(qiáng)，熔池的成分也更加均勻，因此，堆焊層組織相對均勻.

4.2 送粉速度對堆焊層組織演變的影響

圖7為第2組試驗(yàn)中試樣4、5、6的堆焊層顯微組織圖.焊接工藝參數(shù)僅送粉速度不同.試樣4的送粉速度為20 g/min，試樣5的為25 g/min，試樣6的為30 g/min.其它工藝參數(shù)按前述參數(shù)執(zhí)行，焊接電流均取75 A.

圖7 送粉速度對組織的影響

從圖7可看出，隨著送粉速度的增加，堆焊層顯微組織晶粒越來越細(xì)，組織越來越均勻.當(dāng)送粉速度為20 g/min時，從圖7(a)中可看出，晶粒大小不一，柱狀晶、枝狀晶、長條狀晶枝相互交錯，無明顯排列規(guī)律；隨著送粉速度增加到25 g/min時，從圖7(b)中可看出，堆焊層主要由大量魚骨狀晶枝和共晶碳化物組成，組織相對均勻；當(dāng)送粉速度增加到30 g/min時，從圖7(c)可看出，堆焊層中細(xì)小的胞狀晶組織均勻分布.

由上可知，在其它工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下，堆焊層組織隨著送粉速度的增加變得越來越均勻.堆焊層組織發(fā)生這樣的演變主要是由于焊接電流等其它工藝參數(shù)穩(wěn)定，即單位時間內(nèi)焊接熱輸入相同，當(dāng)送粉速度較小的時候，可能會造成部分有益合金元素的燒損[11]，對熔池的凝固成型造成不利影響；當(dāng)送粉速度增加時，合金元素得到補(bǔ)充，因此，堆焊層的組織細(xì)小且均勻，堆焊層的質(zhì)量和性能都有所提高.

5 結(jié)論

1) 堆焊層組織主要由馬氏體、殘余奧氏體和少量的共晶碳化物組成，其形態(tài)在不同的區(qū)域、不同的工藝下均不同.堆焊層從焊縫到堆焊層之間的組織依次為：細(xì)晶區(qū)、柱狀晶和等軸晶.部分堆焊層由于散熱不均勻或者合金元素?zé)龘p等原因，局部組織出現(xiàn)異常.

2) 隨著焊接電流的增大，堆焊層晶粒尺寸也隨之長大.當(dāng)焊接電流增大到一定值之后，熔池散熱較困難，溫度梯度較小，且焊接電流增大的同時，電弧對熔池的攪拌作用增強(qiáng)，因此組織相對均勻.

3) 在其它條件不變的情況下，當(dāng)送粉速度較小時，可能會造成部分有益合金元素的燒損，隨著送粉速度的增加，合金元素?zé)龘p相對減少，堆焊層組織細(xì)小而均勻.

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