添加活性劑的T2純銅MIG堆焊304L不銹鋼工藝

王爍， 梁建明， 高曉剛， 趙芳， 李雙慶

（河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

在高爐冷卻設(shè)備中，T2純銅是國內(nèi)外最新發(fā)展并廣泛使用的材料，其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，較傳統(tǒng)的鑄鐵冷卻設(shè)備可提升導(dǎo)熱率6～8倍，傳熱面最高工作溫度可降低500～600 ℃，相鄰壁的間距可縮短至10 mm，極大降低了溫度梯度和溫差應(yīng)力[1-3]。但純銅價(jià)高、強(qiáng)度低、易變形、不耐磨、易被化學(xué)侵蝕，這些都嚴(yán)重限制純銅冷卻設(shè)備的發(fā)展，成為應(yīng)用過程中急需解決的問題[4]。

針對銅基高爐冷卻設(shè)備的應(yīng)用需求，研究在T2純銅基體上堆焊304L 不銹鋼，不銹鋼堆焊層可置于熱面也可置于冷面[5-6]。冷面堆焊層主要用于降低原料成本，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善應(yīng)力狀態(tài)，抵抗基體變形；熱面堆焊層主要用于提高受熱面的強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性和耐化學(xué)侵蝕性[7]。但銅與不銹鋼的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、收縮率等熱物理性能差異較大，在銅基表面堆焊不銹鋼時(shí)，銅基體的熱導(dǎo)率大，難以形成熔池，同時(shí)凝固收縮時(shí)易產(chǎn)生凝固裂紋，層間溫度不合理容易導(dǎo)致高溫液化裂紋以及界面滲透裂紋[8]。

為解決銅-不銹鋼異種金屬結(jié)合困難的問題，實(shí)現(xiàn)在T2 純銅基體上堆焊304L 不銹鋼，采用MIG 焊的方法進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，重點(diǎn)研究焊接電流、預(yù)熱溫度、活性劑對焊縫成形、焊縫缺陷、結(jié)合界面的影響。通過添加活性劑提高電弧能量密度、改善熔池流動(dòng)狀態(tài)，改變銅-不銹鋼異種金屬難以熔合的狀況，降低預(yù)熱溫度，避免產(chǎn)生裂紋缺陷，形成優(yōu)良的銅-不銹鋼異種金屬結(jié)合界面。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料為T2純銅，厚度為10 mm，其化學(xué)成分如表1 所列。堆焊實(shí)驗(yàn)加工成尺寸規(guī)格為300 mm×100 mm×10 mm 的試板。堆焊層材料選擇大西洋CHT304L 不銹鋼實(shí)心焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，不銹鋼焊絲的化學(xué)成分如表2 所列?；钚詣┻^渡層最初選擇有無水CaF2、Cr2O3、NaF、CaCl2，但在焊前預(yù)熱過程中CaF2、CaCl2會發(fā)生高溫氧化變質(zhì)現(xiàn)象，涂覆后再預(yù)熱，在銅基體表面的覆蓋效果不均勻。而Cr2O3、NaF 預(yù)熱后不發(fā)生變質(zhì)，可以滿足焊前預(yù)熱的要求，因此最終選擇Cr2O3、NaF為活性劑過渡層?；钚詣┻^渡層根據(jù)其性能特點(diǎn)，通過丙酮或無水乙醇溶解后，利用軟毛刷涂抹到未預(yù)熱的試板上，涂覆厚度約為0.5 mm，待丙酮或無水乙醇揮發(fā)后即可實(shí)現(xiàn)涂覆。

表1 T2純銅主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of T2 pure copper單位：%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 304L不銹鋼主要化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of 304L stainless steel單位：%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 堆焊實(shí)驗(yàn)方法

堆焊實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用麥格米特公司的Artsen Plus系列全數(shù)字IGBT逆變CO2/MAG/MIG多功能工業(yè)重載焊機(jī)，焊接方法采用MIG 焊。焊前依次用百潔布和W28（01）型號的砂紙對待焊表面進(jìn)行機(jī)械清理，清理完成后用無水乙醇擦拭表面后放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行丙酮超聲波清洗。焊前預(yù)熱通過箱式電阻爐加熱到預(yù)熱溫度并保溫20 min，利用手持紅外測溫儀測得試板整體達(dá)到預(yù)熱溫度后取出并立即進(jìn)行焊接。

工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，主要分析不銹鋼堆焊層的成形及銅與不銹鋼結(jié)合界面的情況，因此實(shí)驗(yàn)采用304L 焊絲在T2 純銅上進(jìn)行單道堆焊，分析單道焊縫的熔合情況、焊縫成形、焊接缺陷、結(jié)合界面。由于Artsen Plus系列焊機(jī)主要采用一元自匹配模式焊接，其焊接電壓、送絲速度可以根據(jù)焊接電流自行調(diào)節(jié)，因此主要需要優(yōu)化的工藝參數(shù)為預(yù)熱溫度與焊接電流。對于二因素不同水平特征的參數(shù)分析優(yōu)化，選擇單因素輪換法可以有效分析各因素的影響規(guī)律和交叉作用。首先確定基礎(chǔ)工藝參數(shù)為預(yù)熱400 ℃，焊接電流290 A，氣體流量15 L/min，依次調(diào)整研究焊接電流與預(yù)熱溫度，并基于前期優(yōu)化結(jié)果加入Cr2O3、NaF 活性劑過渡層，11 組實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)如表3所列。

表3 堆焊實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)Table 3 Parameters of overlaying welding experiment

1.3 焊后分析方法

焊后根據(jù)GB/T 3246-2012 標(biāo)準(zhǔn)，利用線切割機(jī)對焊后試樣進(jìn)行切割，依次用w28（01）、w10（04）、w5（06）、w2（10）型號的金相砂紙進(jìn)行試樣打磨，再用顆粒直徑為1 μm 的金剛石拋光液和真絲絨拋光布在拋光機(jī)上拋光，腐蝕試劑采用自行配制的FeCl3-HCl 水溶液（比例5 g FeCl3+20 mL HCl+100 mL H2O），分別腐蝕銅基板和不銹鋼堆焊層，對腐蝕后的試樣，采用BMM-420V 型光學(xué)顯微鏡觀察銅-不銹鋼結(jié)合界面的組織形貌。利用舜宇光學(xué)SZN 型連續(xù)變倍數(shù)碼體視顯微觀察堆焊層宏觀形貌并測量熔深，利用DPT-8 型高靈敏度著色滲透探傷劑對焊后堆焊層表面進(jìn)行滲透檢測。利用ZEISS-Sigma300 場發(fā)射掃描電鏡對銅-不銹鋼界面進(jìn)行組織分析，結(jié)合OXFORD-EDS 進(jìn)行元素分析及線掃描分析。利用SCV-1000B/T 型維氏硬度計(jì)測量銅基體、堆焊層的顯微硬度，實(shí)驗(yàn)力為9.808 N，加載時(shí)間為20 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝優(yōu)化

首先優(yōu)化焊接電流，分析焊接電流對焊縫成形的影響，其中1#組為基礎(chǔ)工藝參數(shù)預(yù)熱400 ℃，焊接電流290 A，氣體流量15 L/min，在此基礎(chǔ)上分別采用不同電流進(jìn)行焊接，堆焊均采用單道短弧焊，手工控制焊接速度，堆焊層宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)測量1#組焊接電流為290 A 時(shí)，熔深為1.4 mm（圖1（a）），2#組焊接電流為320 A 時(shí)，熔深為2.7 mm（圖1（b）），3#組焊接電流為350 A 時(shí)，熔深為4.0 mm（圖1（c））。在預(yù)熱溫度為400 ℃的狀態(tài)下，隨著電流增大熔深增加，焊接電流增大30 A熔深變化量約在1.3 mm，說明電流強(qiáng)度對堆焊層的熔深影響明顯。與此同時(shí)，焊接電流改變時(shí)堆焊層整體熔合情況與余高形貌也會發(fā)生改變，由圖1（a）可看出，當(dāng)焊接電流為290 A時(shí)，焊接熔深較淺，銅鋼結(jié)合界面邊緣（圖1（a）中虛線圓圈區(qū)域，下同）存在未熔合區(qū)域，堆焊層余高較大，這說明此電流強(qiáng)度下堆焊層熔合不充分，大部分堆焊金屬虛堆在銅基體上；由圖1（b）可看出，當(dāng)焊接電流為320 A 時(shí)，熔深與堆焊層余高比例相對合適，銅鋼結(jié)合界面邊緣形成良好的熔合界面，在后續(xù)焊道堆焊時(shí)可以通過調(diào)整搭界率實(shí)現(xiàn)多道堆焊的熔合；由圖1（c）可看出，當(dāng)焊接電流為350 A時(shí)，在堆焊層的上表面出現(xiàn)明顯凹陷，與此同時(shí)在焊接過程中觀察到大量的金屬飛濺，堆焊層成形不良。因此，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)選擇適中的焊接電流，即320 A。

圖1 不同電流堆焊層宏觀形貌：（a） 400 ℃，290 A；（b） 400 ℃，320 A；（c） 400 ℃，350 AFig.1 Macroscopic morphology of surfacing layer at different currents：（a） 400 ℃，290 A；（b） 400 ℃，320 A；（c） 400 ℃，350 A

圖2所示為不同預(yù)熱溫度下堆焊層的宏觀形貌，其中圖2（a）沒有進(jìn)行焊前預(yù)熱，即采用4#組工藝參數(shù)進(jìn)行施焊，堆焊層經(jīng)測量熔深為2.4 mm；圖2（b）為預(yù)熱400 ℃，即在2#組工藝參數(shù)下的熔深為2.7 mm；圖2（c）為預(yù)熱500 ℃，熔深為3.9 mm；圖2（d）為預(yù)熱600 ℃，熔深為4.5 mm；圖2（e）為預(yù)熱700 ℃，熔深為3.6 mm。結(jié)合堆焊層的形貌可以看出，隨著預(yù)熱溫度升高，熔深具有升高的趨勢，其中預(yù)熱溫度400 ℃與不預(yù)熱相比，熔深變化不大，這說明在預(yù)熱溫度低于400 ℃時(shí)，預(yù)熱的作用不明顯。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到500 ℃的時(shí)候，熔深顯著增加，熔深較預(yù)熱400 ℃增加1.2 mm，到預(yù)熱600 ℃時(shí)熔深最大。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，熔深反而出現(xiàn)下降，結(jié)合堆焊層形貌可以看出，此時(shí)堆焊層熔寬顯著增加。此時(shí)預(yù)熱會使得熔池變寬，熱影響區(qū)增大，熔化的不銹鋼與銅基體的結(jié)合面增大，熔深降低，堆焊層形貌呈現(xiàn)“淺平狀”。綜合考慮焊縫成形情況，當(dāng)預(yù)熱溫度為600 ℃時(shí)，熔深最大，深寬比合理，堆焊層與銅基體呈現(xiàn)較好的結(jié)合形貌，堆焊層高度適中。因此，在未添加活性劑的情況下，預(yù)熱溫度為600 ℃較為理想。

2.2 活性劑對焊縫成形的影響

為改善銅-不銹鋼結(jié)合界面的成形情況，考慮在銅基體表面涂覆活性劑作為過渡層。由于添加活性劑可以提高電弧能量密度降低預(yù)熱溫度，因此考慮添加活性劑時(shí)在不預(yù)熱和預(yù)熱400 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析。圖3所示為添加活性劑的堆焊層宏觀形貌，圖3（a）堆焊層的熔深為5.1 mm，圖3（b）堆焊層的熔深為8.1 mm，可以看出添加Cr2O3活性劑過渡層可以有效提高熔深（相比工藝4#的2.4 mm，工藝2#的2.7 mm）。圖3（c）堆焊層的熔深為1.26 mm，圖3（d）堆焊層的熔深為5.0 mm，其中未預(yù)熱時(shí)添加NaF 非但沒有增加熔深，反而較未添加過渡層時(shí)的熔深有所下降，但預(yù)熱400 ℃時(shí)添加NaF 可以顯著提高熔深?；钚詣┛梢蕴岣唠娀∧芰棵芏戎饕怯捎诨钚詣┦闺娀‘a(chǎn)生收縮[9]。NaF 產(chǎn)生電弧收縮主要是因?yàn)樵陔娀∽饔孟?，保護(hù)氣體和活性劑發(fā)生電離產(chǎn)生電子和正離子，在溫度較低的弧柱區(qū)邊緣，蒸發(fā)的活性劑原子捕捉電子形成負(fù)電性粒子，使電弧中的電子減少，最終導(dǎo)致電弧產(chǎn)生重新平衡造成陽極區(qū)和等離子區(qū)的電流密度增加并使電弧收縮[10]；Cr2O3產(chǎn)生電弧收縮主要是因?yàn)槠淙埸c(diǎn)很高，只有涂覆在電弧中心的活性劑才會分解形成電弧通道，因此電弧導(dǎo)電通道變窄，陽極斑點(diǎn)面積變小，導(dǎo)致電弧收縮[11]。因此，活性劑的蒸發(fā)、電離與熱解離是引發(fā)電弧收縮的基礎(chǔ)，預(yù)熱在提高基板溫度時(shí)不僅增加了焊接熱輸入，也促使活性劑蒸發(fā)與解離，這使得在預(yù)熱400 ℃時(shí)，添加活性劑的堆焊層熔深均可以有效增加。而未預(yù)熱時(shí)添加NaF 的堆焊層熔深下降，這與氟化物分解情況以及電子結(jié)合能力有關(guān)，氟化物的添加也會使電弧產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象[12]。

活性劑增加熔深的機(jī)理另一方面主要是因?yàn)榛钚詣┦沟萌鄢亓鲃?dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，活性劑的添加可以改變?nèi)鄢乇砻鎻埩μ荻?，使熔池產(chǎn)生由邊緣向中心流動(dòng)的表面張力流，這可以形成一個(gè)相對深而窄的焊縫，有效提高堆焊層熔深[13-15]。在圖3（b）和圖3（d）的a區(qū)域，可以觀察到存在泛銅現(xiàn)象，即在不銹鋼堆焊層中夾雜著部分銅基體，這說明在熔池流動(dòng)過程中，部分銅被卷入到熔池中心并最終與不銹鋼一起凝固熔合形成焊縫，這可以證明活性劑的添加改變了堆焊過程中熔池的流動(dòng)形態(tài)，使熔池由未添加活性劑時(shí)的中心向邊緣流動(dòng)改變?yōu)檫吘壪蛑行牧鲃?dòng)。因此，熔池流動(dòng)狀態(tài)的改變是實(shí)驗(yàn)中添加活性劑導(dǎo)致焊縫熔深提高、成形質(zhì)量改善的主要因素。對比圖3（b）與圖3（d），添加Cr2O3的a區(qū)域更加明顯，分層更加清晰，說明Cr2O3對熔池流動(dòng)形態(tài)的影響相比于NaF 更加顯著，因此Cr2O3的熔深增加較大。同時(shí)，添加Cr2O3的堆焊層深寬比合理，堆焊層與銅基體呈現(xiàn)較好的結(jié)合形貌。

2.3 宏觀缺陷分析

通過堆焊工藝試驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)熱溫度為400 ℃時(shí)，焊接電流為320 A 獲得的堆焊層形貌較好，當(dāng)選定焊接電流為320 A 進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度為600 ℃時(shí)熔深進(jìn)一步增加，深寬比合理。在添加活性劑過渡層后，結(jié)果表明添加Cr2O3，預(yù)熱400 ℃，焊接電流320 A，是比較理想的工藝組合。因此采用這3種工藝參數(shù)進(jìn)行堆焊，對焊后的堆焊層進(jìn)行表面滲透檢測，見圖4?？梢钥闯?，當(dāng)參數(shù)為400 ℃、320 A 時(shí)，堆焊層出現(xiàn)明顯的裂紋缺陷（圖4中a 標(biāo)注區(qū)域），其余2 組參數(shù)焊后均無此類缺陷，焊縫成形好。因此，當(dāng)不添加活性劑過渡層時(shí)，優(yōu)化的工藝參數(shù)為預(yù)熱600 ℃，電流320 A；如果添加活性劑過渡層，采用Cr2O3，預(yù)熱400 ℃，電流320 A 可得到理想的結(jié)果。

圖4 堆焊層滲透檢測Fig.4 Penetration detection of surfacing layer

2.4 結(jié)合界面分析

對優(yōu)化工藝參數(shù)后獲得的銅-不銹鋼結(jié)合界面進(jìn)行分析，如圖5 所示。可以看出，銅側(cè)為單相固溶體組織。當(dāng)預(yù)熱溫度為400 ℃，不添加活性劑時(shí)，銅-不銹鋼過渡界面明顯，過渡線條（即熔合區(qū)）清晰可見，共晶組織不明顯，說明此時(shí)熔合區(qū)成分過渡突變大，結(jié)合界面相對較差。同時(shí)在結(jié)合界面可觀察到多條裂紋（后文具體分析為滲銅裂紋），堆焊層由滲銅裂紋導(dǎo)致分塊現(xiàn)象，說明滲透檢測中觀察到的裂紋主要是由于工藝不良導(dǎo)致的滲銅裂紋[16]。當(dāng)預(yù)熱溫度為600 ℃，不添加活性劑時(shí)，熔合線細(xì)小，與預(yù)熱溫度為400 ℃時(shí)不同，此時(shí)界面可觀察到明顯的銅-不銹鋼互熔現(xiàn)象，并可觀察到Cu-Fe有限互溶形成的共晶組織區(qū)域，結(jié)合界面呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。當(dāng)添加Cr2O3活性劑后，過渡界面發(fā)生顯著改變，界面不再是清晰平直的熔合線，熔合區(qū)呈現(xiàn)明顯的Cu-Fe互溶現(xiàn)象，并形成共晶組織。銅與不銹鋼發(fā)生互熔，可以觀察到在銅側(cè)形成的富Fe相和不銹鋼側(cè)形成的富Cu 相[17]。說明添加Cr2O3活性劑后結(jié)合界面不再分出明顯的過渡層，結(jié)合界面形成原子結(jié)合的共晶組織，Cu-Fe 發(fā)生過渡互溶并形成一些新相，結(jié)合界面較未添加活性劑顯著改善。因此添加Cr2O3活性劑可改善銅-不銹鋼界面的結(jié)合過渡情況。

圖5 銅-不銹鋼結(jié)合界面Fig.5 Bonding interface between copper and stainless steel

圖6 （a）所示為預(yù)熱400 ℃、320 A 時(shí)觀察到的裂紋，其EDS 元素分析結(jié)果如表4 所列。圖6（b）所示為400 ℃，320A，添加Cr2O3活性劑的銅-不銹鋼結(jié)合界面掃描電鏡背散射圖像，在銅側(cè)分布著球狀富Fe 相，不銹鋼側(cè)分布著顆粒狀富Cu 相，其EDS 元素分析結(jié)果見表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不銹鋼堆焊層形成的裂紋，Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)60.53%，說明裂紋為滲銅裂紋。形成的主要原因是由于銅-不銹鋼結(jié)合界面，熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)相差較大，因此結(jié)合界面會存在較大的拉應(yīng)力。不銹鋼熔點(diǎn)高于純銅，同時(shí)含有Fe、Cr、Ni、B 等元素，在焊接熱循環(huán)作用下，不銹鋼側(cè)會先于銅側(cè)凝固并繼續(xù)產(chǎn)生凝固收縮，F(xiàn)e、Cr、Ni、B 等合金元素與雜質(zhì)元素反應(yīng)在晶界處形成低熔點(diǎn)共晶，在拉應(yīng)力作用下結(jié)合界面的晶界會產(chǎn)生微觀裂紋，此時(shí)結(jié)合界面處，液態(tài)Cu 浸潤固態(tài)晶界，并在毛細(xì)管作用下沿微裂紋和奧氏體晶界滲入不銹鋼中。工藝不良導(dǎo)致Cu-Fe 無法形成互溶的共晶組織，Cu 沿奧氏體晶界向堆焊層內(nèi)部擴(kuò)散，熔化的Cu 向不銹鋼堆焊層擴(kuò)散，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生宏觀裂紋并擴(kuò)展至表面[18]。當(dāng)預(yù)熱溫度升高至600 ℃時(shí)，熔池溫度升高，銅-不銹鋼界面在熔池湍流的驅(qū)動(dòng)下形成邊緣不規(guī)則的過渡界面，并在界面區(qū)域形成Cu-Fe 共晶組織區(qū)域。而當(dāng)添加Cr2O3活性劑后，這一現(xiàn)象發(fā)生顯著改變，結(jié)合界面可觀察到Cu-Fe 混溶區(qū)，在銅側(cè)分布著球狀第二相，其成分以Cu 為主，但含有Fe、Cr、Ni，為Fe 溶于ε-Cu 中形成的富銅相；在不銹鋼側(cè)分布著顆粒狀第二相，其成分以304 不銹鋼原始成分為主，但含有9.35%的Cu，為Cu 溶于γ-Fe 中形成的富Fe 相[19]。界面間發(fā)生的區(qū)域互溶及彌散分布的富銅、富鐵相說明，添加Cr2O3活性劑過渡層后，銅-不銹鋼結(jié)合界面不僅發(fā)生了冶金結(jié)合，Cr2O3還使原子擴(kuò)散更加充分。原子充分?jǐn)U散可實(shí)現(xiàn)成分間的轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)變形成新相。Cu-Fe 混溶區(qū)的形成有效避免Cu 以裂紋形式向堆焊層擴(kuò)散，防止?jié)B銅裂紋形成，改善銅-不銹鋼界面的結(jié)合狀態(tài)。

圖6 裂紋與Cu/Fe相：（a）滲銅裂紋； （b）Cu/Fe相Fig.6 Cracks and Cu / Fe phase：（a）Copper infiltration crack； （b）Cu/Fe phase

表4 EDS分析結(jié)果Table 4 Results of EDS analysis單位：%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.5 元素過渡分析

對結(jié)合界面Cu、Fe 元素的過渡情況進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果如圖7 所示。可以看出，當(dāng)工藝為預(yù)熱400 ℃，電流320 A 時(shí)，紅綠兩條線明顯交叉分界，說明此時(shí)熔合區(qū)成分過渡突變大，Cu、Fe元素過渡區(qū)約為100 μm。當(dāng)工藝為600 ℃、320 A時(shí)，Cu、Fe 元素過渡區(qū)增大為300μm，此時(shí)Cu、Fe元素在過渡區(qū)出現(xiàn)互溶現(xiàn)象，說明Cu-Fe 在此區(qū)域內(nèi)有限互溶并形成共晶組織。當(dāng)工藝為400 ℃、320 A，添加Cr2O3活性劑時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)合界面基本無法觀察到成分突變的元素分界區(qū)，Cu-Fe 在線掃描分布圖上呈現(xiàn)顯著的交叉混溶，即在結(jié)合界面形成的Cu-Fe 混溶區(qū)，這進(jìn)一步說明添加活性劑后結(jié)合界面不再分出明顯的過渡層，Cu、Fe 可以在熔合區(qū)穩(wěn)定存在，并充分進(jìn)行成分的擴(kuò)散遷移，在混溶區(qū)有Cu、Fe 基體的相互混合現(xiàn)象，F(xiàn)e 溶于ε-Cu 中形成富銅相、Cu 溶于γ-Fe中形成富鐵相[20-21]。同時(shí)可以看到，當(dāng)工藝為400 ℃，電流為320 A 時(shí)，Cu 向堆焊層內(nèi)部的過渡高于預(yù)熱600 ℃，而這種Cu 的過渡與添加Cr2O3活性劑又明顯不同，這主要是因?yàn)闈B銅裂紋的出現(xiàn)使得Cu 沿奧氏體晶界向堆焊層及表面擴(kuò)散。因此，添加Cr2O3活性劑不僅可以使電弧產(chǎn)生收縮，還能夠改變?nèi)鄢氐牧鲃?dòng)形態(tài)，這一方面可以增加焊縫熔深，在較小的熱輸入下形成良好的焊縫，另一方面還可以改善結(jié)合界面的過渡狀態(tài)，形成Cu-Fe 元素穩(wěn)定的混溶區(qū)，避免滲銅裂紋的產(chǎn)生。

圖7 結(jié)合界面Cu/Fe元素分布Fig.7 Distribution of Cu / Fe in bonding interface

3 應(yīng)用與展望

在冷卻壁、風(fēng)口中套等銅/鋼復(fù)合高爐冷卻設(shè)備中，不銹鋼作為冷面層，銅作為熱面層，可以在銅基良好導(dǎo)熱的基礎(chǔ)上發(fā)揮不銹鋼復(fù)合層良好的機(jī)械性能，銅/鋼結(jié)合界面發(fā)揮著傳遞載荷、抵抗變形的作用，銅層僅僅是滿足導(dǎo)熱需要，不需考慮純銅設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和剛度問題。在冷卻壁進(jìn)出水管與壁體焊接過程中，銅-不銹鋼結(jié)合界面產(chǎn)生滲銅裂紋會導(dǎo)致冷卻壁因漏水失效。同時(shí)結(jié)合界面的結(jié)合狀態(tài)和結(jié)合強(qiáng)度是應(yīng)用過程中影響使用壽命的重要指標(biāo)。銅/鋼復(fù)合冷卻壁使用過程中壁體溫度較純銅冷卻壁升高約220 ℃，但由于鋼層增加了強(qiáng)度，采用銅/鋼復(fù)合冷卻壁較純銅冷卻壁等效應(yīng)力由370 MPa降為266 MPa，應(yīng)變量降至1%～2%，此時(shí)結(jié)合界面的最大等效應(yīng)力可達(dá)140～150 MPa，若此時(shí)結(jié)合界面未產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，則容易在結(jié)合處開裂[1-2]。

在風(fēng)口小套中使用不銹鋼作為熱面層，可以提高表面耐高溫熔蝕和抗磨刷能力，從而提升使用壽命。對實(shí)驗(yàn)中不銹鋼堆焊層進(jìn)行顯微硬度測試，T2純銅基體平均HV 硬度為45.48，不銹鋼堆焊層平均HV 硬度為176.75，硬度約為純銅的4 倍。因此在純銅風(fēng)口小套內(nèi)壁堆焊304L 不銹鋼，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁表面的強(qiáng)化。

4 結(jié) 論

1）T2 純銅基體堆焊304L 不銹鋼，不添加活性劑時(shí)，理想的工藝參數(shù)為預(yù)熱600 ℃，焊接電流320 A。添加Cr2O3、NaF 活性劑過渡層可以有效提高堆焊層熔深。但添加Cr2O3活性劑的作用更好。添加活性劑理想的工藝為添加Cr2O3、預(yù)熱400 ℃，焊接電流320 A。

2）NaF 活性劑增加熔深機(jī)理主要是促使電弧收縮，但當(dāng)未預(yù)熱時(shí)添加NaF 活性劑會使電弧發(fā)生膨脹的反作用。添加Cr2O3既可以促使電弧收縮，又可以改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)狀態(tài)，使熔池產(chǎn)生由邊緣向中心流動(dòng)的表面張力流。

3）添加Cr2O3活性劑，銅-不銹鋼結(jié)合界面形成Cu-Fe 元素的混溶區(qū)，F(xiàn)e 溶于ε-Cu 中形成的富銅相、Cu 溶于γ-Fe 中形成的富鐵相，可以避免堆焊層和過渡界面產(chǎn)生滲銅裂紋，銅與不銹鋼結(jié)合相較未添加活性劑得到有效改善。