鍍Cr前處理及焊接電流對焊縫合金過渡和力學(xué)性能的影響

蔣成燕，張 瀟，賈金龍，馮 毅，薛 誠

(蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

不銹鋼焊接作為一種常用的不銹鋼件的成型工藝已大量應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域及智能化創(chuàng)新領(lǐng)域的各行各業(yè)[1]。但由于焊接過程是一個熔池高溫熔化后快速凝固的相變過程，不可避免的會產(chǎn)生各種缺陷，從而影響不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)件的強度、硬度和抗腐蝕性等。多年來許多材料工作者通過各種手段來減少焊縫中的缺陷，以滿足其工程使用性能。合金過渡就是把所需要的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬(或堆焊層金屬)中去的過程[2]。有益元素的合金過渡可以消除焊縫中的缺陷，改善焊縫服役性能。實際焊接過程中，焊材設(shè)計為滿足其通用性，多采用商業(yè)標準成分配制，并非包含焊縫改善性能需要的所有元素以及含量，這往往造成特殊焊接環(huán)境下，焊縫熔敷金屬中所需合金元素的不足。而在焊接前對焊縫區(qū)進行有效元素的表面涂層處理后再進行焊接，可提高焊縫熔敷金屬中的有效元素含量，避免焊接缺陷的產(chǎn)生。

0Cr18Ni9是應(yīng)用最廣泛的的一類奧氏體不銹鋼，具有良好的焊接性能和使用性能，但是由于焊接過程中貧鉻區(qū)(鉻含量遠低于鈍化所需要的臨界濃度12.5%)的存在使焊接接頭具有明顯的晶間腐蝕現(xiàn)象[3]。進而影響其使用壽命。而焊縫中過渡相對高的Cr含量可有效避免0Cr18Ni9不銹鋼焊縫的晶間腐蝕缺陷。采用普通商用焊條對0Cr18Ni9不銹鋼板和焊縫區(qū)鍍鉻處理的0Cr18Ni9不銹鋼板進行表面堆焊處理，通過調(diào)整焊接電流考察二者熔敷金屬中的Cr含量及硬度變化，以判斷焊縫區(qū)先沉積有益元素涂層后進行焊接的工藝方法對焊縫使用性能的影響。

1 試驗材料及方法

采用焊條電弧焊方法，通過調(diào)整焊接電流參數(shù)對0Cr18Ni9不銹鋼板及表面鍍Cr的0Cr18Ni9不銹鋼板進行表面堆焊處理[4]。實驗所用0Cr18Ni9不銹鋼(板材規(guī)格200×100×4 mm)的名義合金成分見表1所列。利用JS450磁控濺射沉積系統(tǒng)對0Cr18Ni9不銹鋼板焊縫區(qū)進行表面鍍Cr處理[5]。工藝如下：將0Cr18Ni9不銹鋼板用無水乙醇超聲清洗2次，每次20 min，然后用熱風(fēng)吹干，置于真空室內(nèi)，當背底氣壓抽至3.0×10-3Pa時，通入Ar氣至0.75 Pa，采用直流電源進行Cr元素沉積。沉積功率600 W，時間2 h。選用商用A102不銹鋼焊條作為焊接材料。焊接試驗過程中焊接電流分別以80 A、100 A、120 A和140 A，電壓平均值保持在21～23 V，平均焊接速度為6.67 mm/s。焊縫熔敷金屬中Cr含量選用JSM-5600LV能譜分析儀測量。焊縫硬度測試采用MH-5-VM硬度硬度儀，為保證實驗結(jié)果的真實性，每個樣品測試5次，取有效數(shù)據(jù)的平均值。

表1 0Cr18Ni9不銹鋼化學(xué)成分表

2 試驗結(jié)果及分析討論

2.1 試驗結(jié)果

0Cr18Ni9不銹鋼板采用80 A電流所得焊縫宏觀形貌如圖1(a)所示。焊縫整體成型均勻，外觀無明顯缺陷。各組焊縫鋼板宏觀形貌均類似。利用線切割在每塊焊縫鋼板中間取5組試樣(尺寸規(guī)格30×6×4 mm)，橫截面用砂紙按800目、1200目和2000目順序表面拋光處理，如圖1(a)插圖所示。圖1(b)為試樣焊縫SEM形貌。

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)及SEM斷面示意圖

圖2為0Cr18Ni9不銹鋼板焊縫與鍍Cr前處理的0Cr18Ni9不銹鋼板焊縫邊緣區(qū)與中心區(qū)域Cr含量隨電流變化的示意圖。由圖2(a)可知，0Cr18Ni9不銹鋼板母材中Cr含量約為16.74 wt.%。利用不銹鋼焊條進行表面堆焊后，焊縫內(nèi)部Cr含量均明顯上升,這是由于堆焊過程中不銹鋼焊條中的Cr元素過渡到焊縫中引起的。鍍Cr不銹鋼板焊縫邊緣區(qū)Cr含量明顯高于無Cr焊縫，Cr含量最高達22.16 wt.%，無Cr焊縫Cr含量最高達20.72 wt.%。隨焊接電流的增加，焊縫邊緣區(qū)Cr含量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，當焊接電流為140A時，鍍Cr焊縫Cr含量降至20.37 wt.%，無Cr焊縫Cr含量降至20.03 wt.%。這是因為，表面鍍Cr的不銹鋼堆焊過程中元素發(fā)生重融，彌散分布在焊縫中，造成Cr含量高于無鍍層焊縫。焊縫中心區(qū)Cr含量與邊緣區(qū)呈現(xiàn)出相同的特征，如圖2(b)所示。當焊接電流為80 A時，鍍Cr焊縫中心區(qū)Cr含量最高達24.55 wt.%，無鍍Cr焊縫中心區(qū)Cr含量最高達21.18 wt.%。當焊接電流增加至140A時，鍍Cr焊縫Cr含量降至20.86 wt.%，無Cr焊縫Cr含量降至20.18 wt.%。對比發(fā)現(xiàn)，相同焊接電流參數(shù)下，焊縫中Cr含量呈現(xiàn)非均勻分布，邊緣區(qū)Cr含量低于中心區(qū)含量。分析認為，焊接過程中母材熔池與焊條熔化后形成熔滴過渡并迅速凝固，焊縫邊緣區(qū)屬焊條過渡后期，而先于中心區(qū)凝固。與母材熔合不夠充分，從而造成中心區(qū)域Cr含量高于邊緣區(qū)域。

2.2 合金元素對硬度的影響

化學(xué)成分的變化必然對焊縫的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，圖3所示為0Cr18Ni9不銹鋼板焊縫與鍍Cr前處理的0Cr18Ni9不銹鋼板焊縫隨電流變化的硬度值。由圖3可知，母材平均硬度為HV195，焊縫硬度均高于母材硬度，這是因為焊接過程中液態(tài)金屬過渡到焊縫區(qū)后迅速冷卻凝固，焊縫中存在較大的熱應(yīng)力，同時快速凝固容易形成晶粒較小的奧氏體組織，從而使的硬度增大。隨焊接電流的增加，焊縫硬度呈輕微增大趨勢，且相同電流下，鍍Cr焊縫硬度均高于無Cr焊縫。這是因為，電流增大，過渡熔滴所攜帶的熱量更高，熔池內(nèi)的擴散作用更加充分，元素分布更加均勻，焊縫的固溶強化作用更強。而鍍Cr焊縫在Cr層沉積之前對不銹鋼板進行有機溶劑清洗，并在真空室內(nèi)用等離子轟擊表面，使得表層污染和氧化物雜質(zhì)含量減少；同時表層高的Cr含量使得焊縫高溫環(huán)境中的O元素被Cr優(yōu)先捕獲，減少Fe的氧化，而生成的致密Cr2O3層進一步阻止了焊縫的氧化。再者，焊接過程中，焊縫背面由于缺乏渣-氣聯(lián)合保護，在焊接結(jié)束后的高溫冷卻階段也容易發(fā)生氧化，而鍍Cr焊縫中高的Cr含量也可以阻止焊縫中氧元素的進一步滲透。

3 結(jié) 論

對0Cr18Ni9不銹鋼板和經(jīng)過表面鍍Cr前處理的0Cr18Ni9不銹鋼板進行表面堆焊處理。利用EDS-能譜和維氏硬度計分析不同焊接電流對鍍Cr前處理不銹鋼焊縫熔敷金屬中Cr元素含量及其焊縫硬度的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過鍍Cr前處理的0Cr18Ni9不銹鋼焊縫中Cr元素含量顯著增加，焊縫中心區(qū)Cr含量最高達24.55 wt.%。焊縫硬度隨焊接電流的增加輕微增大。這表面采用前處理鍍Cr工藝后焊接的方法可改善焊縫的貧Cr現(xiàn)象且保證焊縫硬度，為預(yù)防不銹鋼在焊接過程中出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象提出一種新途徑。

參考文獻：

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[4] 鮮玉強，周英俊.堆焊工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量和合金過渡的影響[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,1999,21(3):78-81.

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