粉煤灰／二氧化硅活性劑在Q235鋼A－TIG焊中的應(yīng)用

馬 壯，陶 瑩，周 鵬，董世知，李智超

（1.遼寧科技學(xué)院冶金工程學(xué)院，遼寧本溪117004；2.法國(guó)國(guó)立高等化學(xué)學(xué)校界面電化學(xué)及能源材料實(shí)驗(yàn)室，巴黎75005；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

粉煤灰／二氧化硅活性劑在Q235鋼A－TIG焊中的應(yīng)用

馬 壯1，陶 瑩1，周 鵬2，董世知3，李智超3

（1.遼寧科技學(xué)院冶金工程學(xué)院，遼寧本溪117004；2.法國(guó)國(guó)立高等化學(xué)學(xué)校界面電化學(xué)及能源材料實(shí)驗(yàn)室，巴黎75005；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

為了探究粉煤灰作為A－TIG焊活性劑的可行性，以粉煤灰和不同含量的二氧化硅制備復(fù)合活性劑在Q235鋼基體表面進(jìn)行A－TIG焊，研究了復(fù)合活性劑成分含量對(duì)焊縫截面形貌、顯微組織和元素分布的影響.結(jié)果表明：采用粉煤灰－40%SiO2作為復(fù)合活性劑進(jìn)行A－TIG焊時(shí)，可將6 mm厚Q235鋼板一次性焊透，焊縫深寬比可達(dá)到0.85；焊縫出現(xiàn)明顯的中間收縮傾向，呈“深口杯”狀，可實(shí)現(xiàn)單道焊雙面成型的效果；其焊縫柱狀晶數(shù)目較多、組織排列規(guī)則且具有方向性，熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織均勻細(xì)小，可降低焊接母材的過(guò)熱傾向；相對(duì)于100%SiO2活性劑，Si元素的溶入量和溶入深度顯著增加，這說(shuō)明粉煤灰中其他成分的存在對(duì)Si元素溶入焊縫、進(jìn)而增加焊縫熔深起到促進(jìn)作用.采用粉煤灰－40%SiO2為活性劑進(jìn)行A－TIG焊時(shí)焊縫熔深的增加機(jī)理可能是以電弧收縮理論為主，但考慮到Al元素溶入較深且溶入量較多，粉煤灰中其他物相又十分復(fù)雜，在高溫電弧作用下各物相之間相互反應(yīng)放熱致使電弧熱輸入增加、其他組分在熔池中改變了熔池表面張力溫度梯度等均可能致使焊縫熔深增加.

粉煤灰；活性劑；A－TIG焊；熔深；顯微組織

Q235鋼由于熱導(dǎo)率小、線(xiàn)膨脹系數(shù)大而在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生熱變形［1］，這極大地限制了其在工程結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用.鎢極氬弧焊是目前常見(jiàn)的Q235鋼焊接方法，但該種方法單道焊熔深淺、生產(chǎn)率低，而雙面焊的焊接成本很高［2－3］.而活性鎢極氬弧焊（簡(jiǎn)稱(chēng)A－TIG焊）可以有效解決上述問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)鎢極氬弧焊前將一層很薄的表面活性劑涂敷在焊接板材表面，使得焊縫熔深顯著增加的焊接工藝［4］.由于活性劑可以使電弧收縮和改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)方式，電弧能量更為集中［5］，A－TIG焊可實(shí)現(xiàn)中厚板的快速、小熱輸入焊接和單道焊雙面成形效果，從而解決鋼板在焊接過(guò)程中存在的熱變形問(wèn)題［6］.然而，A－TIG焊活性劑的關(guān)鍵在于的選擇.目前，大部分活性劑的成分和配方都受到專(zhuān)利保護(hù)的限制，同時(shí)活性劑原料多采用分析純市售化學(xué)試劑，在很大程度上提高了活性劑的成本［7－8］.因此，尋找一種綠色、高效和環(huán)保型活性焊劑原料成為今后活性焊接領(lǐng)域的重要研究方向.

粉煤灰是發(fā)電廠的煤粉高溫燃燒產(chǎn)生的主要工業(yè)固體廢棄物，粉煤灰的大量堆積不僅侵占了很多土地資源，而且也造成了嚴(yán)重的大氣和水體污染［9－10］.但是，與其他煤炭伴生資源一樣，粉煤灰亦具有十分重要的回收利用價(jià)值.粉煤灰的化學(xué)成分主要以SiO2、Al2O3和堿性金屬氧化物為主，而SiO2和金屬氧化物可作為活性劑在A－TIG焊過(guò)程中起到增加焊縫熔深的作用［11－13］，這為粉煤灰作原料制備A－TIG焊活性劑提供了可能.研究采用阜新發(fā)電廠提供的粉煤灰，并輔以一定量的SiO2作為活性劑在Q235鋼表面進(jìn)行A－TIG焊接試驗(yàn)，旨在探究粉煤灰應(yīng)用于A－TIG焊活性劑的可行性.這對(duì)于拓寬A－TIG焊活性劑材料的新來(lái)源、推動(dòng)A－TIG焊成本低廉化和實(shí)現(xiàn)煤炭固體廢棄物高附加值利用具有重要意義.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用母材是 Q235熱軋鋼，試樣尺寸為100 mm×30 mm×6 mm.首先用角磨機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行打磨去除表面氧化膜，其次砂紙磨平除銹，最后用丙酮擦拭清洗以保證鋼板被焊表面露出金屬光澤且具有一定的粗糙度.試驗(yàn)用復(fù)合活性劑由阜新發(fā)電廠提供的粉煤灰和一定量SiO2組成，粉煤灰的化學(xué)成分如表1所示.粉煤灰中多含有未燃盡的C、S等，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行中溫煅燒熱活化和脫碳、脫硫處理：在 SX2－8－10中溫箱式電阻爐中800℃保溫2 h后隨爐冷卻.由于P元素等含量較少，暫不考慮其對(duì)焊縫質(zhì)量帶來(lái)的惡化問(wèn)題，而去除粉煤灰中其他雜質(zhì)的相關(guān)研究是技術(shù)成果向工業(yè)化轉(zhuǎn)化過(guò)程中的重點(diǎn)內(nèi)容.

表1 阜新發(fā)電廠粉煤灰的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of fly ash from Fux in Thermal Power Plant （wt.%）

將按比例稱(chēng)量后的活性劑粉末與丙酮溶劑按1 g∶4 mL溶解，并調(diào)制成粘度適中的懸濁液，采用長(zhǎng)柄毛刷把活性劑涂敷在試件待焊區(qū)域，活性劑的涂敷方式如圖1所示，涂敷厚度以完全覆蓋基體表面金屬光澤為宜.然后將試樣置于DHG－9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干2小時(shí)后備用.

圖1 活性劑的涂覆方式Fig.1 Coating process of activating flux

試驗(yàn)采用WS－500型直流鎢極氬弧焊機(jī)與CG1－30型焊接小車(chē)配合完成半自動(dòng)A－TIG焊，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接速度和電弧長(zhǎng)度的精確控制.為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和可比性，必須保證所有焊接工藝參數(shù)的精確設(shè)定，同時(shí)同一試樣無(wú)活性劑區(qū)和有活性劑區(qū)焊接要一次完成.焊接工藝參數(shù)為焊接電流160 A，焊接速度115 mm／min，氬氣流量7.5 L／min，電弧長(zhǎng)度3.5 mm，鎢極直徑2.0 mm，噴嘴直徑12 mm.采用DSM200型數(shù)碼顯微鏡對(duì)焊縫截面尺寸及形貌進(jìn)行觀測(cè).采用LEICA DM4000M型激光金相顯微鏡對(duì)焊縫顯微組織進(jìn)行觀察.利用FEI QUANTA 200F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)焊縫剖面進(jìn)行線(xiàn)掃描元素分析，掃描方向由焊縫頂端中部垂直向下至熔合線(xiàn)最底端（由圖2所示），其參數(shù)為電壓30 kV、采點(diǎn)數(shù)300、加載時(shí)間1 500 ms.

圖2 線(xiàn)掃描示意圖Fig.2 Schematic diagram of elements analysis scanning

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫熔深及截面形貌

表2為SiO2含量對(duì)粉煤灰活性焊接接頭焊縫尺寸影響.由表可以看出，在相同焊接工藝參數(shù)條件下，不同SiO2含量的活性劑對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響不同.隨著SiO2含量的增加，焊縫熔深在總體上呈先增加后降低趨勢(shì)，并且在 SiO2含量為40%時(shí)達(dá)到峰值，可將6 mm厚Q235鋼板一次性焊透.焊縫熔寬隨SiO2含量增加則呈不斷“升高－降低－升高－降低”的波動(dòng)性變化，在SiO2含量為40%、70%和80%時(shí)熔寬值相對(duì)較小.通過(guò)計(jì)算可知，采用粉煤灰－40%SiO2活性劑進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫深寬比最大，可達(dá)到0.85以上.

結(jié)合 Q235鋼 A－TIG焊的焊縫截面形貌（圖3）可知，當(dāng)采用粉煤灰－40%SiO2活性劑進(jìn)行A－TIG焊時(shí)，焊縫出現(xiàn)明顯的中間收縮傾向，呈“深口杯”狀，類(lèi)似于雙面焊的焊縫熔池形狀，焊縫無(wú)裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，說(shuō)明A－TIG焊可實(shí)現(xiàn)“單道焊雙面成型”的效果.這是由于表面活性劑中除SiO2之外還存在較多的Al2O3、MgO和CaO等金屬氧化物，氧化物共同作用導(dǎo)致電弧電離電壓增大，進(jìn)而使電弧電壓增大，焊縫熔深、熔寬有所增加［14］.而其他SiO2含量活性劑焊接時(shí)，焊接效果相對(duì)較差，焊縫熔深較淺、熔寬較大，呈“寬口碗”狀.對(duì)比分析可知，粉煤灰－40%SiO2復(fù)合活性劑焊接焊接效果最好.

表2 不同SiO2含量對(duì)焊縫截面尺寸的影響Tab.2 Effect of SiO2proportion on dimensions of welded joint

圖3 Q235鋼A－TIG焊的焊縫截面形貌Fig.3 Weld cross?section of Q235 steel by A－TIG：（a）fly ash and 20%SiO2；（b）fly ash and 40%SiO2；（c）fly ash and 60%SiO2；（d）fly ash and 80%SiO2

2.2 截面顯微組織

圖4為不同活性劑的焊縫顯微組織，由左至右依次為焊縫柱狀晶、熔合區(qū)和熱影響區(qū).采用100%SiO2活性劑進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫的柱狀晶組織尺寸大小不一且排列不規(guī)則，柱狀晶內(nèi)部組織是以細(xì)小的針狀鐵素體為主，其沿晶界向內(nèi)均勻生長(zhǎng)；而采用粉煤灰－40%SiO2活性劑焊接時(shí)，焊縫內(nèi)柱狀晶數(shù)目較多、排列規(guī)則且方向性較強(qiáng)，柱狀晶內(nèi)部的針狀鐵素體數(shù)目略多、形態(tài)規(guī)則.在ATIG焊過(guò)程中，采用粉煤灰－40%SiO2作為活性劑進(jìn)行焊接時(shí)電弧收縮作用和熱輸入增強(qiáng)作用更加顯著，焊縫熔深有所增加，熔合區(qū)邊界更長(zhǎng)，散熱速度更快，因而界面處晶粒反向擇優(yōu)生長(zhǎng)的能力更強(qiáng)強(qiáng)，形成的柱狀晶也排列規(guī)則且有方向性.

對(duì)比熱影響區(qū)組織可以發(fā)現(xiàn)，采用粉煤灰－40%SiO2作為活性劑時(shí)熱影響區(qū)組織更為均勻細(xì)小，這是由于焊縫熔深較深、界面更大，導(dǎo)致界面處散熱面積大、散熱速度快，奧氏體在快速冷卻條件下形核較多且晶粒長(zhǎng)大的時(shí)間短，因而形成的晶粒更為均勻細(xì)小、減小了母材的過(guò)熱傾向［15］.而在柱狀晶和熱影響區(qū)之間存在明顯的等軸晶和網(wǎng)狀共晶組織的熔合區(qū)，該區(qū)域是發(fā)生裂紋和脆性破壞的根源［16］.相比之下，粉煤灰－40%SiO2活性劑焊接時(shí)等軸晶和網(wǎng)狀共晶組織更加細(xì)小均勻，焊接接頭具有更好的強(qiáng)度和韌性［17］.

圖4 不同活性劑的焊縫顯微組織Fig.4 Microstructure of welded joint with different active flux：（a）active flux with 100%SiO2；（b）active flux with fly ash and 40%SiO2

2.3 焊縫元素分布及粉煤灰活性焊劑作用機(jī)理討論

圖5為Q235鋼焊接接頭的焊縫元素分布測(cè)試結(jié)果.可以看出，采用100%SiO2作為活性劑時(shí)，與無(wú)活性劑時(shí)Si元素的分布（圖5（a））對(duì)比可知，焊縫中Si元素在深度2 000 μm以下的溶入量略有增加，但增幅并不明顯.而當(dāng)采用粉煤灰－40%SiO2作為活性劑時(shí)，Si元素的溶入量明顯增加，溶入深度可達(dá)到距焊縫表面2 000 μm以上，這說(shuō)明粉煤灰中其他成分的存在可能有助于Si元素溶入焊縫、進(jìn)而增加焊縫熔深.Al元素的溶入效果十分明顯，當(dāng)溶入深度處于2 000 μm以?xún)?nèi)時(shí)，Al元素的溶入量較多，而超出這一范圍時(shí)溶入量減少.相對(duì)Si元素的分布狀態(tài)，Al元素在熔池表面及中部的富集相對(duì)更為顯著.

圖5 Q235鋼焊接接頭的焊縫元素分布Fig.5 Elemental distribution of welding joint of Q235 steel：（a） Distribution of element Si in the weld seam without active flux；（b）Distribution of element Si in the weld seam with 100% SiO2active flux；（c）Distribution ofelementSiin the weld；（d）Distribution of element Al in the weld seam with 40% SiO2active flux seam with 40%SiO2active flux

根據(jù)電弧收縮理論［18］，活性劑可以通過(guò)強(qiáng)迫冷卻使電弧收縮，進(jìn)而提高電弧的能量密度、溫度和電弧力，從而使焊縫熔深增加、熔寬收縮.由于試驗(yàn)中粉煤灰－40%SiO2作為活性劑時(shí)焊縫熔寬值較小，因此電弧收縮也是影響焊縫熔深、熔寬的主要原因之一.但考慮到Al元素溶入較深且溶入量較多，試驗(yàn)結(jié)果并非是單純的電弧收縮引起的.粉煤灰中物相十分復(fù)雜，在高溫電弧作用下各物相之間相互反應(yīng)放熱使電弧熱輸入增加、其他組分在熔池中改變了熔池表面張力溫度梯度等均可能使焊縫熔深增加［19－20］，而粉煤灰中各組分在焊縫熔深增加中的具體作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.

結(jié)合焊縫截面形貌考慮，采用粉煤灰－40%SiO2作為活性劑進(jìn)行焊接時(shí)可將6 mm厚的Q235鋼板一次性焊透，這表明粉煤灰－40%SiO2作為活性劑對(duì)焊縫熔深增加、熔寬收縮起到積極的作用.因此，粉煤灰－40%SiO2活性劑增加焊縫熔深、熔寬的作用機(jī)理極可能是以電弧收縮理論為主，熱輸入增加理論和表面張力溫度梯度改變理論共同作用產(chǎn)生的.

3 結(jié) 論

1）采用粉煤灰－40%SiO2作為活性劑進(jìn)行Q235鋼直流A－TIG焊時(shí)，可將6 mm厚鋼板一次性焊透.焊縫截面出現(xiàn)了明顯的中間收縮傾向，呈“深口杯”狀，實(shí)現(xiàn)了“單道焊雙面成型”的效果.

2）采用粉煤灰－40%SiO2作為活性劑時(shí)，焊縫柱狀晶組織排列規(guī)則且具有方向性，熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織均勻細(xì)小.

3）添加表面活性劑后，Si元素的溶入量和溶入深度顯著增加，說(shuō)明粉煤灰中其他成分對(duì)Si元素溶入焊縫、進(jìn)而增加焊縫熔深起到促進(jìn)作用.粉煤灰增加焊縫熔深的作用機(jī)理可能是由電弧收縮理論、熱輸入增加理論和表面張力溫度梯度改變理論等共同作用產(chǎn)生的.

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（編輯 張積賓）

Application of fly ash／silica active flux on A－TIG welding of Q235 steel

MA Zhuang1，TAO Ying1，ZHOU Peng2，DONG Shizhi3，LI Zhichao3
（1.College of Metallurgy Engineering，Liaoning Institute of Science and Technology，Benxi 117004，China；2.Laboratory forInterface，Electrochemical and Energy Materials，Ecole Nationale Superieure de Chimie de Paris，Paris 75005，F(xiàn)rance；3.College of Material Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

In order to analyse the feasibility of fly ash as active flux in A－TIG welding，fly ash and SiO2with varying contents were used as composite active fluxes to weld the substrate of Q235 steel，and the effects of active fluxes on weld penetration，microstructure and element distribution were studied.Experimental results show that Q235 steel plate with thickness of 6 mm could be fully welded with fly ash and 40%SiO2as composite active fluxes，and the depth?to?width ratio of weld reaches up to 0.85.The middle of the weld shaped with deep glass presents remarkable shrinkage tendency，which could realize the effect of one?side welding with back formation.The columnar crystals show a preferred orientation，while the microstructure in fusion zone and heat affected zone exhibit a fine and uniform distribution which could reduce the overheat in the welding.Compared with 100%SiO2as active fluxes，the dissolved quantity and depth of element Si increasing markedly indicates that other components in fly ash could play a positive role in melting into the weld seam and increasing the weld penetration.The most probable mechanism of A－TIG welding with fly ash and 40%SiO2as active fluxes is arc contraction theory.Whereas element Al has high content and dissolves deeply in the welding and other phases in fly ash are very complicated，many other theories could also cause the increasing of the weld penetration，such as various phases interact and release heat with the effect of high temperature arc leading to the increase of arc’s heat input，other phases in fly ash change the temperature gradient of surface tension in the weld pool.

fly ash；active flux；A－TIG welding；weld penetration；microstructure

TG444

A

1005－0299（2017）03－0085－06

2016－05－24.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017－06－10.

國(guó)家自然科學(xué)基金－煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1261123／E0422）.

馬 壯（1963—），男，博士，教授.

馬 壯，E?mail：mazh123＠263.net.

10.11951／j.issn.1005－0299.20160164