納米材料對TIG焊Q235接頭組織及性能的影響

熊劍，董文寧，黃永德，李磊

（1. 南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330036；2. 昆山華恒焊接設(shè)備技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215301）

TIG焊是生產(chǎn)制造中應(yīng)用廣泛的一種氣體保護焊方法，但因TIG電流承載能力有限，電弧挺度低且電弧熱不集中，在實際生產(chǎn)中生產(chǎn)效率低，可焊厚度有限，從而限制了其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用[1—3]。自 20世紀60年代以來，基于傳統(tǒng)TIG焊的多種焊接方法被開發(fā)應(yīng)用，如A-TIG焊、磁控TIG焊、TIG復(fù)合焊以及 K-TIG 焊等焊接方法[4—7]。A-TIG 是在傳統(tǒng)TIG焊前，在待焊工件表面涂敷一層薄的活性劑，這些活性材料具有穩(wěn)定電弧集中電弧熱，改變?nèi)鄢亓鲃釉黾尤凵罴凹毣ЯＬ岣呓宇^性能等作用。高曉剛[8]等以氟化物作為活性劑進行A-TIG焊試驗，結(jié)果顯示KF和CaF2活性劑能明顯使電弧收縮，從而增加電弧溫度，改善焊接頭性能。TIG復(fù)合焊又可分為TIG-MIG復(fù)合焊、激光-TIG復(fù)合焊和超聲-TIG復(fù)合焊等。采用TIG熱源與其他熱源復(fù)合，在焊接過程中能夠發(fā)揮各自熱源優(yōu)勢，形成優(yōu)勢互補[9—10]。雷正龍[11]等在焊接鋁合金的試驗研究中表示，與單激光焊和TIG焊相比，采用激光-TIG復(fù)合焊能夠明顯提高焊縫質(zhì)量，減少焊縫缺陷，熔深更大，熔寬更小。Kanemaru[12]等在研究TIG-MIG焊中表示，TIG弧使MIG弧變得穩(wěn)定，未出現(xiàn)飛濺的現(xiàn)象，在整個焊接過程用時較TIG焊最高可減少44%，焊接效率有較大提高。

隨著納米材料與納米技術(shù)的發(fā)展，不少研究學(xué)者研究了納米材料和納米技術(shù)對焊接過程和焊接接頭質(zhì)量的影響。在焊接時添加納米材料能夠消除各種焊接缺陷，擴大焊接方法適用范圍，提高焊接接頭強度及工件使用壽命。如在焊絲表面涂有納米薄層能夠有效防止焊絲表面氧化和點蝕，在電極中添加一定特定的納米材料能夠改善電極燒蝕狀況提高電極使用壽命，通過表面納米化處理提高接頭強度及組織性能[13—14]。

基于上述，文中采用TIG焊的方法對涂覆有不同納米材料的試板進行表面堆焊試驗，探究納米材料對焊接接頭性能及組織的影響。

1 試驗方案

試驗材料選用 Q235低碳鋼板，尺寸為 200 mm×100 mm×6 mm，納米材料分別為 Al2O3, TiC,SiO2，3種納米材料被融于石蠟中并制成棒狀結(jié)構(gòu)。為保證納米材料在焊接過程中順利進入到焊縫中，在低碳鋼板表面焊接軌跡上進行鉆孔處理，然后將納米材料均勻涂于待焊部位表面并填充盲孔，盲孔深度為2 mm，盲孔分布和尺寸及納米材料涂抹區(qū)域見圖1。

圖1 小孔及納米材料分布Fig.1 Distribution of holes and nano-materials

TIG電源為EWM公司生產(chǎn)的Tetrix351 DC active Arc TIG逆變直流焊接電源，焊接主要參數(shù)見表1。試驗前采用機械打磨的方法去除氧化層，并用丙酮清洗待焊區(qū)域表面。焊接時沿各小孔中心直線行走，焊后沿垂直于焊縫取截面制作金相。取焊縫表面打磨拋光后作摩擦磨損試樣。采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕液進行腐蝕，采用4XB-TV型倒置金相顯微鏡進行微觀組織觀察，利用401MVD數(shù)字顯微硬度計測量焊縫的顯微硬度值及其分布，硬度測量點間隔距離為0.5 mm，采用WTM-2E型可控型摩擦磨損試驗儀進行耐磨性試驗，其摩擦磨損試驗參數(shù)見表2。

表1 主要試驗參數(shù)Tab.1 Main test parameters

表2 摩擦磨損試驗參數(shù)Tab.2 Test parameters of friction-wear test

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

添加納米材料與未添加納米材料無明顯變化，焊縫各區(qū)域顯微組織見圖 2，圖 2a為母材組織，主要由鐵素體與珠光體所組成，圖2b為熱影響區(qū)組織，主要由魏氏組織分布的鐵素體和珠光體組成，在近焊縫的熱影響區(qū)，先共析鐵素體在原奧氏體晶界呈片狀，針狀以一定方向向晶內(nèi)生長，構(gòu)成魏氏組織。圖2c為焊縫熔合區(qū)組織形貌，白色鐵素體沿柱狀晶界分布，少量無碳貝氏體晶界向晶內(nèi)生長，晶內(nèi)為針狀鐵素體、粒狀貝氏體及少量珠光體。

添加不同納米材料焊縫微觀組織見圖 3，圖 3a為未添加納米材料焊縫組織形貌，圖 3b—3d分別為添加納米材料TiC, Al2O3, SiO2熔合線附近區(qū)域顯微組織。由圖3可知，添加納米材料與未添加納米材料的焊縫組織組成相并未有明顯區(qū)別，各區(qū)域組織形貌見圖2。由圖3b和3c可看出，添加了納米材料TiC和Al2O3的組織晶粒得到一定的細化。一方面，納米材料由于尺寸效應(yīng)表面能很大，納米TiC和Al2O3的熔點較高，在熔池結(jié)晶的過程中一部分納米 TiC和Al2O3被排擠在固液界面，依附在長大晶粒前端，增大了界面的過冷度，阻礙晶粒繼續(xù)長大[15—16]；另一方面，TiC和Al2O3作為細化劑隨基材熔化在弧攪拌的作用下均勻分布于熔池中，使得有效異質(zhì)形核質(zhì)點大量增加，從而達到細化晶粒的作用。從圖3d可以看出，添加納米材料 SiO2的晶粒大小與母材相近，這是因為部分未熔化納米 SiO2聚集，使形核質(zhì)點增多，但 SiO2作為表面活性劑提高了傳熱效率，熔池金屬冷卻時間延長，導(dǎo)致更多鐵素體析出并發(fā)生組織長大現(xiàn)象[17]。

圖2 焊縫顯微組織Fig.2 Microstructure of weld

圖3 添加不同納米材料焊縫微觀組織Fig.3 Microstructure of welds with different nano-materials added

2.2 納米材料對焊縫硬度的影響

距離焊縫中心線的硬度分布見圖4，可知，越靠近焊縫中心線硬度越高，但根據(jù)所添加納米材料的不同，其硬度值大小不同，其中添加納米TiC焊縫硬度最高可達 HV204.4，而添加納米 SiO2焊縫硬度比未添加納米材料的焊縫硬度稍低。

圖4 添加不同納米材料的焊縫硬度Fig.4 Weld hardness with different nano-materials added

焊縫硬度值大小與組織形態(tài)有關(guān)。分析認為，大部分未熔融的TiC顆粒均勻分布于焊縫之中，有彌散強化作用，這是添加TiC納米材料的焊縫具有最高硬度的主要原因，其次，添加TiC納米材料的焊縫組織最為細小均勻，其細晶強化對提高硬度也有很大作用，由于細晶強化作用與彌散強化作用同時存在，使含TiC納米材料的焊縫硬度處于較高水平。對于添加Al2O3納米材料的焊縫，其顯微組織也相對細小，且少量未熔融的Al2O3顆粒作為晶核發(fā)生異質(zhì)形核形成部分等軸晶，這對提高焊縫硬度有很大作用，但是，焊縫中只有少量Al2O3顆粒殘留，其彌散強化作用較小，因此與添加TiC納米材料相比，添加Al2O3納米材料焊縫的硬度水平較低一些。而添加 SiO2納米材料焊縫由于引入了過量的 Si元素而導(dǎo)致鐵素體大量析出，焊縫組織變得粗大，其硬度值也相應(yīng)下降，因此加SiO2納米材料硬度值水平是最低的。

2.3 納米材料對焊縫耐磨性的影響

焊縫表面摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線見圖5，可知，各情況下摩擦因數(shù)曲線都在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定。通過比較曲線發(fā)現(xiàn)，添加納米 TiC焊縫摩擦因數(shù)最低，大小排序為SiO2＞未添加＞Al2O3＞TiC，其摩擦因數(shù)平均值分別為0.395, 0.418, 0.451, 0.458。

添加納米 TiC和 Al2O3的焊縫中，納米 TiC和Al2O3顆粒通過彌散強化作用提高了焊縫表面耐磨性，而添加納米 SiO2導(dǎo)致大量鐵素體析出，不利于耐磨性能的提高。材料的摩擦因數(shù)不僅與材料的減磨性能有關(guān)，還與材料的硬度及組織性能有關(guān)。如上所述，添加納米TiC和Al2O3可細化焊縫晶粒并提高焊縫硬度，而添加納米 SiO2的焊縫晶粒大小基本沒有變化，其硬度略有降低。根據(jù)摩擦因數(shù)曲線及平均值可知基本符合上述情況。

圖5 添加不同納米材料焊縫表面摩擦因數(shù)Fig.5 Friction factor of weld surface of different nano-materials added

3 結(jié)論

對添加不同納米材料進行 TIG焊試驗并對焊接接頭的微觀組織、力學(xué)性能、耐磨性進行分析，主要結(jié)論如下。

1)添加納米材料對焊縫熔合區(qū)及熱影響區(qū)的組成相沒有影響，熔合區(qū)與熱影響區(qū)主要由鐵素體與珠光體構(gòu)成，在熔合區(qū)中還存在少量貝氏體。

2)添加納米 TiC和納米 Al2O3能夠顯著細化焊縫晶粒，由于細晶強化作用其硬度也有一定提升，添加納米TiC焊縫最大硬度值達HV204.4。添加納米材料 SiO2的焊縫晶粒尺寸與未添加納米材料焊縫晶粒尺寸無明顯變化，硬度值略有降低。

3)由于 TiC和 Al2O3顆粒的彌散強化作用使添加該兩種納米材料的焊縫表面摩擦因數(shù)降低，而添加納米SiO2的焊縫表面摩擦因數(shù)有所增加。